从数据中心到边缘，边缘微服务器披荆斩棘之路

伴随人工智能、5G、物联网等技术的逐渐成熟, 算力需求从数据中心不断延伸至边缘, 边缘计算快速发展, 成为云边端系统的核心一环。边缘微服务器是边缘服务器的一类重要形态, 由于体积小巧, 便于安装, 其部署场景从"条件优越"的数据中心迁移至沙漠戈壁、江河湖海、东北油田等"极端恶劣"的场景, 承受着风沙、雨水、酷热、严寒等多重考验。

边缘微服务器自诞生起便要应对复杂多样的工作环境, 因此浪潮信息的研发人员在产品开发初期, 需要进行大量的可靠性测试, 并将尽可能多的使用场景纳入考虑, 以使产品具备更高的可靠性和更长的寿命。影响产品可靠性和寿命的因素可谓众多, 例如环境温湿度、空气灰尘、雨水、机械振动、混合气体腐蚀等, 只有经过千锤百炼的边缘微服务器才可具备抵御恶劣环境的强大性能。

最高 70℃高温测试

高温测试是业内对服务器进行的最基本且最重要的测试之一, 通用服务器常年部署在数据中心, 环境的温湿度相对稳定, 因此只需要保证至多 40℃的温度下稳定运行即可。而边缘微服务器很多部署在室外环境中, 环境温度会高达 55℃～70℃, 特别是对于没有安装风扇的产品, 最极端的状况是要保证在高温无风环境下, 计算性能一如既往, 这对产品的散热设计提出了很大挑战。

散热仿真是研发人员应对这一挑战的一大"利器", 在产品开发的初期, 散热设计人员会利用热设计仿真软件对器件布局、散热器结构、风道形式以及噪声振动进行快速准确的仿真模拟, 并有针对性地进行优化设计, 使得主板上器件布局合理、散热器效能最大化、风阻尽量小, 并且尽可能地减小噪声和振动。通过仿真进行快速高效的仿真验证和优化迭代, 减少产品的打样时间及验证周期, 为产品的优异性能提供强有力的保障。除此之外, 在结构设计方面, 通过合理的结构设计、高性能导热材料开发以及先进加工制造工艺, 对边缘服务器的散热性能进一步优化, 使得热量散出的道路"畅通无阻", 确保产品在炎炎酷暑条件下也可以稳定运行。

除了常见的主动散热, 即依靠风扇等部件施加强制空气对流, 并将机箱内部热量带走的散热方式, 还有一种前面提到的不通过风扇, 仅依靠设备自身的自然散热和辐射散热的被动散热方式, 对于采用该方式散热的边缘微服务器产品, 需要考虑最极端的工况, 即在高温且无风的环境下稳定运行并且不降频。为模拟最极端的工作环境, 被动散热边缘微服务器的高温测试要用到无风温箱, 与有风温箱相区别, 无风温箱一般是在密闭箱体内通过电热丝加热, 营造所需的环境温度, 密闭的箱体可避免空气的流动, 接近极端的无风环境。现在边缘微服务器的高温环境一般在 55℃～70℃范围内, 具体数值按照实际项目的需求确定。测试条件分为高温低湿 (5% R.H.) 和高温高湿 (95% R.H.) 两种极端工况, 以覆盖设备所处的环境湿度范围, 测试时间一般在 16～24 小时范围内, 以尽量严苛的测试条件来保证边缘微服务器的卓越性能。

-40℃～85℃温度冲击试验

边缘微服务器可能会布设在环境温度极低的北方地区, 假如边缘微服务器在极寒的室外和温暖的之内之间转移时, 或在运输过程中昼夜交替时, 环境温度的急剧变化会对整机及部件的可靠性造成不利影响, 严重时可能会使部件失效或整机损坏, 因此需要有针对性地进行温度冲击试验。

温度冲击试验会准备两个温箱, 分别营造低温 (-40℃) 和高温 (85℃) 环境, 在一种环境中需要暴露 30 分钟后进行转移, 两种环境中间的转移时间控制在 5 分钟之内, 如此至少循环 12 个周期, 保证边缘微服务器在经历严寒和酷热的循环交替考验后也能有出色表现。

防尘防水测试

在户外部署的边缘微服务器难免会遇到雨水淋浸, 如果密封性不达标, 雨水通过缝隙渗到电子元器件或者 PCB 板上, 极易引起元器件短路甚至设备报废。针对这样的使用环境, 边缘微服务器需要针对边缘场景进行防水防尘设计和测试。根据 IP 防护等级标准, 将电子设备按照防尘和防湿气的特性进行分级, 分别由两个数字组成, 第一个数字表示电器防止外物侵入的能力等级, 第二个数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度, 通常两个标示的数字越大表示其防护等级越高。

通信类设备常见的防护等级是 IP 57 (完全防固和短时浸入水中时不会受影响)、IP 65 (完全防固防尘和防溅水) 和 IP 67 (完全防固防尘和短时浸入水中时不会受影响)。根据国标 GB / T 2423.38-2005 试验 R, 针对不同防水等级, 标准中分别提出了滴水、冲水和浸水测试方法。防水防尘试验对于边缘微服务器的可靠性测试是极其重要的, 边缘微服务器许多场景是在户外, 要承受不定期不定时长的暴雨冲刷和风尘侵蚀, 进行防水防尘设计和试验可以保证边缘微服务器在风吹雨淋的恶劣户外环境中依然可以稳定运行。

混合气体腐蚀测试

大气环境存在的废气在一定的温湿度条件下, 会对安装在户外的边缘产品整机、元器件或材料产生较强的腐蚀, 严重影响产品的电性能和使用可靠性。因此, 产品的抗腐蚀能力也是研发中要着重考虑的方面。

混合气体腐蚀测试主要用于确定产品各部件及材料在大气环境下工作、储存的适应性, 特别是接触件与连接件。影响腐蚀的主要因素有温湿度、大气中的腐蚀性成分等, 试验的严苛程度取决于腐蚀性气体的种类和曝露持续时间。混合气体腐蚀试验是利用 CO₂、NO₂、SO₂、H₂S、Cl₂等几种气体, 在一定的温度和相对的湿度的环境下对材料或产品进行加速腐蚀, 重现材料或产品在一定时间范围内所遭受的破坏程度, 以此来模拟大气中存在的 CO₂、NO₂、SO₂、H₂S、Cl₂等各种腐蚀性气体, 在单一或多种气体混合时, 对边缘产品的元器件、整机或材料的腐蚀情况, 通过对腐蚀情况分析, 确定各电子元器件、设备与材料等抗腐蚀能力。

振动测试

边缘设备在汽车、轮船、轨道交通、施工工地等场景安装或者工作时, 都会受到振动环境的影响, 在机械振动的过程中, 振动物体的一些物理参数, 如位移、速度等, 将发生反复变化, 这会对设备中的部件和机械结构等带来危害, 例如振动加剧构件的疲劳和磨损, 缩短机器使用寿命等。因此, 需要进行振动测试来判断产品是否能承受运输或使用过程中振动环境的考验。

振动测试主要在振动试验台上进行, 模拟产品在制造、组装运输及使用过程中可能经历的各种环境, 用来测试产品是否具备耐受环境振动的能力。振动测试可分为开机随机振动、关机随机振动、关机扫频振动等。开机随机振动用于模拟边缘产品在易产生振动的场景下, 由于振动传导干扰从而对产品造成功能上的影响, 尤其是外界振动源的干扰将会对机械硬盘产生读写性能方面的影响。关机随机振动是验证产品在正常的物流运输环境中是否有足够的机械强度来满足运输需求。关机扫频振动验证产品在常见频段范围下的承受振动的能力, 并寻找产品的共振频率或危险频率。

包装可靠性测试

由于边缘产品从工厂出货到交付至用户处, 期间还要经过一定时间的运输, 无论采用哪种运输方式, 产品难免会受到随机发生的碰撞、振动和冲击等复杂状况的影响。为应对这样的情况, 产品包装需要进行一系列的可靠性测试, 例如包装抗压、包装碰撞、包装振动、包装滚动、包装跌落等测试。包装抗压测试是为了验证产品包装在运输、存储过程中的承受外部压力以保护产品免受伤害的能力; 包装碰撞测试是为了验证产品在运输环节上, 在工厂端码头叉车进行装卸及物流运输中反复的碰撞对产品带来的危害; 包装振动测试是为了验证包装在正常的物流运输振动应力条件下, 具备足够的强度来抵挡振动应力对产品的损坏; 包装滚动测试是为了验证包装能够在正常的物流运输振动应力条件下, 有足够的强度来抵挡住滚动应力对产品的损坏; 包装跌落测试验证包装产品在物流运输过程中, 产品在搬运及装卸货过程中所受到的机械冲击应力破坏, 检验整机包装设计是否能够预防搬运过程中的过应力对产品带来的危害。通过这一系列全面、完善的包装可靠性测试手段, 确保边缘产品毫发无损地运输并交付到客户手中。

面对复杂严苛的应用场景, 浪潮信息的研发工程师通过散热结构设计及仿真模拟、先进材料及制造工艺开发、可靠性及场景测试等多种途径和方法, 赋予了边缘微服务器更高的可靠性。目前,"小而坚韧"的边缘微服务器已经在电站、矿井、智能工厂、智慧交通等边缘场景中部署应用, 在万物互联的智慧时代, 为这个世界创造更多精彩。