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          浪潮邊緣服務器 "三明治"散熱架構,挑戰邊緣計算環境極限

          2023-01-09 08:57:23 來源:EETOP

          在延綿百里的崇山峻嶺中,邊緣算力賦能高壓電塔遠程智能巡檢,守護著電網傳輸安全。寒來暑往,一旦邊緣服務器設備無法抵抗極端惡劣天氣的影響,就會降低電力傳輸的可靠性,對用電單位造成經濟損失。

          在石油、天然氣的管道鉆探場景中,邊緣算力正在幫助預警潛在鉆探故障,但如果邊緣服務器在極端氣候環境中"宕機",會降低油氣開采的效率,油氣企業損失的將是真金白銀。

          邊緣算力的"邊緣"兩個字其實已經很好的表述了邊緣算力會部署到的場景,也意味著邊緣服務器有可能會面對雨雪、沙塵、曝曬、嚴寒等所有惡劣的自然條件。

          所以,"邊緣"也可以是一種"邊際",一種不斷挑戰極限的技術創新。

          作為中國邊緣服務器市場占有率第一的廠商,浪潮信息邊緣微服務器一個看起來,貌不出眾的小小的"盒子",又是如何挑戰了從-40度到70度,從極熱到極寒的考驗的呢?

          靈魂拷問,為什么要不斷挑戰技術極限

          第一個靈魂拷問,一臺邊緣場景下的服務器,為什么要去挑戰-40度到70度的極端溫度,它的意義何在?

          Gartner在一項報告中顯示,未來幾年,數據所處的位置將會出現翻天覆地的變化,預計到2025年,僅有30%的數據還會運行在本地,運行于公有云的數據會增長到40%,而將有30%的數據會運行在邊緣。

          這意味著,未來將有越來越的數據在邊緣處理,越來越多的邊緣服務器將遍布于千行百業的系統"末梢",這些邊緣服務器所承擔的算力,將會接近于云端的算力總量。

          喬布斯,曾經跟麥金塔電腦操作系統工程師拉里·凱尼恩抱怨開機啟動時間過長。他說,如果有500萬人使用Mac,而每天開機都要多用10秒鐘,加起來每年都要浪費大約3億分鐘,而3億分鐘相當于至少100個人的終身壽命。凱尼恩聽完喬布斯的演示后當時就震驚了,幾周過后麥金塔電腦的啟動時間縮短了28秒。

          這個故事告訴我們,當一個產品有了量變的可能,那么質變必然隨之而來。

          對于邊緣服務器來說,當行業場景一個又一個被打開,從城市路口的信控箱、電信機房、油井現場的控制箱、邊緣電氣柜、工業現場控制柜,再到車載環境各類惡劣的環境對邊緣服務器的環境適應性、算力性能都提出了很高的要求。

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          所有的極限挑戰,都來自于場景的要求。例如在智慧路口的邊緣場景中,由于邊緣設備放置在幾乎密不透風的信控箱中,夏季最熱的時候,如三亞這樣的城市信控箱內部最高溫度將達到60-70,高溫很容易讓CPU降頻甚至宕機,進而拖累整個數字系統。又比如寒潮來襲的東北油田,戶外-40的超低溫環境下,電子設備要抵御寒冷空氣的"魔法"攻擊,監控采油設備的正常運轉。

          真實的需求產生了,浪潮信息也發現,邊緣服務器必須保證在-40~70的極端溫度下也不會罷工,才能確保萬無一失。

          細節與匠心,極致表現的三明治散熱架構

          邊緣服務器的散熱一直是一個最核心的產品設計難題。

          由于邊緣計算硬件的部署環境,一般比中心服務器的環境要惡劣更加復雜,中心服務器部署在機房,恒溫恒濕,有專人管理,而邊緣計算硬件部署的環境可能是高溫的室外,或者粉塵較大的空間,正因為惡劣的環境,如果通過風扇散熱,很容易讓灰塵進入系統,損害服務器內部的零部件。

          這就形成了第二個靈魂拷問:既需要散熱,又不能通過風扇實現,那么要如何突破70度的散熱極限呢?

          通常邊緣服務器的熱量主要來自CPU工作時發熱,尤其當CPU高速運作時,溫度最高可達90,要讓90高溫,在無風的狀態下快速傳導到大約70的環境空氣中,就需要在散熱上蓋和熱源之間增加高導熱系數的導熱材料,讓熱量快速傳遞出去,這個思路雖然是對的,但是如何實現則成為了一個新的難題。

          技術研發陷入僵局之后,一塊加班中的三明治,觸發了浪潮信息工程師的靈感,也因此催生了三明治散熱架構的誕生。

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          通過模擬三明治一層層食材疊加的邏輯,將服務器散熱上蓋底部壓鑄出導熱凸臺,通過導熱凸臺與導熱界面材料、熱源部件依次貼合的結構,就可以排出熱源上方的空氣,大大消除內部界面熱阻。形成了從散熱蓋、凸臺、界面材料到熱源的"三明治"式的散熱架構。

          我們知道,三明治的好處在于可以客戶口味的不用,調換面包的厚度和食材的樣式。所以,采用三明治散熱架構的浪潮邊緣微服務器EIS800也針對百變的需求,設計了不同的鋁擠工藝上蓋,讓導熱凸臺、界面材料的位置、大小隨著內部器件的變化而變化,實現產品的靈活百變和高效散熱。

          另外,三明治的口感,會因食材的微小差異而發生微妙的變化,如食材厚度,醬汁濃度,蔬菜的新鮮度都會讓三明治的味道發生偏移,要打造口感最佳的三明治,就要不斷研究調整各項食材的材質和比重。在對三明治散熱架構的研究中,浪潮信息研發人員發現,界面材料厚度的微小差異,會影響散熱的效率,據仿真模擬數據顯示,材料厚度縮小0.6毫米,CPU的溫度就可以降低2.1,因此,需要在CPU、內存等等部件凸臺最小結構公差下,設計出最小厚度的界面材料。

          經過多次仿真和實測,最終采用高導熱和高壓縮性的界面材料和凸臺填充在熱源與散熱外殼之間,導熱效率達到10W/m·K,是空氣導熱效率的435倍,讓服務器適應的極限環溫從原來的60提升到67。

          距離70的終極要求,僅有3之遙。這也是"天塹"一般的三度,要如何去突破呢?

          除了提升內部的熱傳導效率,散熱工程師還要考慮設備與環境之間如何進行高效的導熱,才能實現極限環境的適應。研發人員結合熱仿真軟件對多組參數組合進行對比分析,并繪制響應面優化曲線,最終確定出一組關于鰭片厚度、間隙和高度的最優組合,在有限體積內形成超過3000平方厘米的散熱面積,達到了最佳散熱能力。同時,為了進一步減小上蓋散熱器內部的擴散熱阻,散熱上蓋中設計了2D熱管網絡,熱管走向經過反復優化仿真,精準布局,有效規避局部熱點的產生,提升整機均溫能力。終于,一臺在無風條件下,70極限環境也能高效運轉的邊緣服務器橫空出世,這就是EIS 800。

          微小的創新可以改變世界

          喬布斯曾經說過"微小的創新可以改變世界"。

          在邊緣服務器小小的"身體"內,圍繞散熱這個小小的設計,是通過無數次的微小的研究實現的,它的每一次看似微小的進步,都是對細節的完美追求,對產品設計的匠心精神,對客戶需求的一絲不茍。

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          除了針對高溫的設計,EIS 800對低溫環境的支持同樣出色,例如在東北油田,考慮到一些低溫條件下電子設備難以啟動的情況,邊緣服務器設計了低溫熱啟動裝置,當環境溫度低于-40時,自適應調節系統會加熱服務器,讓內部每一個芯片滿足溫度要求后再開機啟動。

          正因為如此,在數字經濟的延伸到行業縱深的每一個角度,才有了穩定的算力保證,不懼嚴寒酷暑,不懼高溫炙烤,為千行百業的數字化"最后一公里"提供支撐。

          冰凍三尺非一日之寒。蒲松齡曾經在自己家的道路旁設了茶舍,"見行者過,必強與語,搜奇說異,隨人所知"。日復一日,年復一年,最終才有了《聊齋》的誕生。

          所有行業的目標都是追求卓越,這目標看起來很大,很遙不可及,其實落到實處就是對每一個產品苛求細節,對每一個微小的創新,不斷積累。

          早在2017年起,浪潮信息就投入研發邊緣計算服務器,并將其分別放在幾個不同的產品部門進行培育,面向每個客戶場景的差異化,和每一項邊緣服務器技術的創新性不斷突破和創新。如去年發布的EIS800系列產品,針對室內、室外和微中心三類計算節點形態,以及各種場景都有針對性的產品設計。據研發測試,在無風扇的EIS800上,三明治架構可將被動散熱能力較上一代產品提升近100%。

          三明治散熱架構,是浪潮信息在邊緣服務器創新之路上,提煉出來的普世價值。通過微小的創新,改變世界,不放棄每一個邊緣場景的研究,就是站在客戶身后,遵從每一個客戶需求的表現。

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