北京2022年1月4日 /美通社(she)/ -- “風扇轉速剛過每分(fen)鐘2萬轉，硬盤就掉鏈子，而(er)且多次測試結果都是(shi)這樣。”即(ji)使看慣(guan)了實驗室里不同工況條件(jian)下的(de)大場(chang)面，浪潮(chao)信息服(fu)務(wu)器研發(fa)工程師(shi)張海龍(long)對眼(yan)前的(de)情況還是(shi)有些驚(jing)訝，“畢竟(jing)各種因(yin)素趕到一塊兒的(de)場(chang)景(jing)太(tai)罕見了”。

其實，任何事物在帶來好處的同時(shi)，都要(yao)付出一定(ding)的代價。所謂魚和熊掌兼(jian)得，不過(guo)是成千上萬次再平衡之后的偶然。

比如：芯片的(de)性能(neng)越高，產(chan)生(sheng)的(de)功耗也(ye)會隨(sui)之(zhi)增大(da)，提(ti)高散熱(re)能(neng)力就成為(wei)謀求平衡(heng)的(de)籌碼；而追求極限散熱(re)，難免(mian)對硬盤等部件造成沖擊，兼顧可靠性又變成新一(yi)輪平衡(heng)游戲的(de)主題(ti)。

當然，散熱和可靠性并非(fei)零和博(bo)弈，只要管控(kong)好變(bian)量，就有(you)機會走出囚徒困境。

懸在頭上的達摩克利斯劍

在千行百業數(shu)字(zi)化(hua)轉(zhuan)型(xing)的大時(shi)代，數(shu)據中(zhong)心既是(shi)驅動增長的重要引擎，也(ye)是(shi)不容忽視的“耗電怪獸”。2020年，我國數(shu)據中(zhong)心用電量突破2000億千瓦時(shi)，占用電總量比重約(yue)2.7%；預(yu)計到2030年，這一數(shu)字(zi)將(jiang)突破4000億千瓦時(shi)，占比升至3.7%。

工信部近期印發《新型數據中心發展三年行動計劃（2021-2023年）》，對PUE（數據中心總能耗/IT設備能耗）明確規定：到2021年底，新建大型及以上數據中心PUE降低到1.35以下，到2023年更要低于1.3。

顯(xian)而易(yi)見，1.3將成為(wei)(wei)各地新建數(shu)據中(zhong)(zhong)心(xin)的PUE紅(hong)線。但目前全(quan)國大(da)型數(shu)據中(zhong)(zhong)心(xin)平均PUE為(wei)(wei)1.55，超大(da)型數(shu)據中(zhong)(zhong)心(xin)平均PUE也僅為(wei)(wei)1.46。也就(jiu)是說，在保有量萬臺服務(wu)器的數(shu)據中(zhong)(zhong)心(xin)，每耗費一度電，只有64.5%用于IT領域，其余35.5%則用在空調等非IT設備。

數(shu)據中心為了(le)降低PUE，必須(xu)讓能(neng)源更多向IT設(she)備(bei)傾斜，這(zhe)對服務(wu)器(qi)的(de)供(gong)電(dian)和散(san)熱(re)研發設(she)計提(ti)出(chu)了(le)更高要求(qiu)。供(gong)電(dian)效率提(ti)升可降低CPU等關(guan)鍵部(bu)件散(san)熱(re)量，從而(er)減少空調(diao)等設(she)備(bei)的(de)使(shi)用。浪潮信息(xi)掌(zhang)握了(le)從12V到48V直流(liu)供(gong)電(dian)技術(shu)，48V直流(liu)供(gong)電(dian)預計可減少30%的(de)能(neng)耗。

液(ye)冷(leng)(leng)(leng)(leng)是散熱(re)(re)技術的(de)(de)翹楚，可以用液(ye)體取代空氣作為冷(leng)(leng)(leng)(leng)媒，帶走部件熱(re)(re)量，目前常(chang)見(jian)的(de)(de)方式有冷(leng)(leng)(leng)(leng)板、浸沒、風液(ye)混合等，已在云數(shu)據(ju)中心和邊(bian)緣數(shu)據(ju)中心規模化部署，對降低PUE效果顯著。但液(ye)冷(leng)(leng)(leng)(leng)技術對數(shu)據(ju)中心的(de)(de)機房環境要求苛刻(ke)，重新改造的(de)(de)成本也較高，浸沒式液(ye)冷(leng)(leng)(leng)(leng)的(de)(de)冷(leng)(leng)(leng)(leng)卻液(ye)價(jia)格(ge)更是堪比(bi)茅臺。

對大(da)(da)多數(shu)數(shu)據中心來說，風(feng)冷才是(shi)低(di)成本改善散(san)熱(re)的(de)(de)主流(liu)方案(an)，最“簡單粗暴(bao)”的(de)(de)做法是(shi)提高服務(wu)器(qi)風(feng)扇(shan)轉(zhuan)(zhuan)速(su)。風(feng)扇(shan)高速(su)轉(zhuan)(zhuan)動(dong)將熱(re)量(liang)快速(su)帶出(chu)，可避免部件發(fa)熱(re)量(liang)過(guo)高影響(xiang)系(xi)統穩定性(xing)。但(dan)不斷加碼風(feng)扇(shan)轉(zhuan)(zhuan)速(su)直至滿轉(zhuan)(zhuan)時(shi)，風(feng)扇(shan)與硬盤之間會形成大(da)(da)的(de)(de)漩(xuan)渦，而(er)不規則的(de)(de)湍流(liu)影響(xiang)非(fei)常嚴重 -- 服務(wu)器(qi)內的(de)(de)硬盤碟片(pian)磁(ci)道密度低(di)于50nm、Ocylim低(di)于10nm，磁(ci)頭輕微振動(dong)就會造(zao)成讀寫性(xing)能大(da)(da)幅下降，甚至導致整個(ge)硬盤報(bao)廢。

御風而行的“逍遙”苦旅

莊子(zi)在《逍遙游》中有言：“夫(fu)列子(zi)御風而行，泠然(ran)(ran)善也(ye)。旬(xun)有五(wu)日(ri)而后(hou)反。彼(bi)于致福(fu)者，未數數然(ran)(ran)也(ye)。”一(yi)場(chang)不強(qiang)求結果的十五(wu)天旅行，固然(ran)(ran)悠游瀟灑，但僅限于個人境界，無關(guan)萬物蒼生。

當張海龍(long)及(ji)其背后的(de)(de)研發團隊遭遇系(xi)統風扇與硬盤的(de)(de)激烈博(bo)弈，想在散熱和可靠性(xing)的(de)(de)夾縫中尋求突破時，他們無法輕松自在，跨度長達一年半的(de)(de)“御(yu)風之旅”充滿艱辛。

風冷(leng)方案歷經(jing)(jing)40多年的(de)演變，主要通過三條(tiao)路徑實現散(san)熱(re)優(you)化(hua)：一是(shi)(shi)從散(san)熱(re)器入(ru)手，比如材(cai)料由(you)鋁變成(cheng)銅、將翅片加大擴展散(san)熱(re)面(mian)積(ji)、改良熱(re)管(guan)排布(bu)、利用(yong)富余空間補充遠端散(san)熱(re)等；二是(shi)(shi)提高風扇速度，制約點(dian)是(shi)(shi)機電控制和馬達質(zhi)量(liang)，主要交(jiao)由(you)幾家專業的(de)風扇廠商負責；三是(shi)(shi)在(zai)發熱(re)元件附近(jin)部署(shu)傳(chuan)感(gan)器，類(lei)似人體的(de)末梢神經(jing)(jing)，一旦(dan)感(gan)知局部升溫就快(kuai)速投放冷(leng)量(liang)，反饋越(yue)靈(ling)敏，調控越(yue)精準(zhun)。

對服務器(qi)廠商而(er)言，風扇調控(kong)策略是(shi)其擅(shan)長的(de)領域，研發(fa)團隊要做的(de)，恰是(shi)從(cong)系統風扇本體的(de)聲振(zhen)性能為切入點，解決散熱與可靠性之間的(de)博弈。

從可能的(de)振源到(dao)受振敏感元件之間的(de)路徑太多，需要借助對(dui)比和定量分(fen)析法，對(dui)各個(ge)因子逐一進行耦合切斷(duan)，主板(ban)、存儲控制卡、背板(ban)連接器等都曾上過“黑名單”。

在(zai)經(jing)歷近半年的(de)(de)排查分析后，一個“突發(fa)奇想”的(de)(de)行動 --  索性切開機箱，把(ba)振動傳遞(di)路徑上的(de)(de)影(ying)響因(yin)子全部(bu)做解耦抽離(li)，迫(po)使(shi)真正的(de)(de)“元兇”浮(fu)出(chu)水面。機箱一切兩(liang)段，切斷了機械(xie)傳動路徑，中間用紙板把(ba)硬盤(pan)和風扇(shan)隔開，硬盤(pan)不再受風的(de)(de)影(ying)響，同時對風扇(shan)產生的(de)(de)噪聲也有一定遮擋，硬盤(pan)讀寫功能逐漸攀(pan)高(gao)。再換不同轉速(su)的(de)(de)風扇(shan)及方案組合進(jin)行反復驗(yan)證(zheng)，最終工(gong)程師找出(chu)了“氣動噪聲”這個“深藏不露”的(de)(de)重要影(ying)響因(yin)子。

在流體力學中，這個影響因子叫做：“湍流”，也就是濟南趵突泉公園康熙題字碑的“激湍”的標準名稱。湍流打到風扇扇葉上，風回來得比較無序，而且有部分聲音從風扇背面傳到前方。要把大的空氣漩渦破掉，最理想的方案肯定是將湍流轉換成層流，或者在高風壓條件下把大湍流切成小湍流。

PS：H.Tennekes&J.L. Lumley 曾對湍流進行過評論：嘗試解決湍流問題的成功與否，強烈地取決于包括做出關鍵性假設的靈感。 湍流需要奔放的發明者，正如需要專業分析師那么重要。

傳統(tong)服(fu)務器會采用(yong)減振(zhen)墊來(lai)減緩振(zhen)動(dong)，這種方法針對(dui)機(ji)(ji)械傳動(dong)路(lu)徑有(you)效。同時(shi)依靠風(feng)(feng)扇(shan)后端的擋風(feng)(feng)罩(zhao)切割(ge)和控制風(feng)(feng)向。但當(dang)系統(tong)風(feng)(feng)扇(shan)轉(zhuan)速從每分鐘2萬(wan)轉(zhuan)提升到3萬(wan)轉(zhuan)，機(ji)(ji)箱內部的湍流問題就愈發凸顯，亟(ji)需新的機(ji)(ji)械結構(gou)在風(feng)(feng)力(li)源頭(tou)擔當(dang)重任。

沒有(you)人(ren)愿意(yi)啃硬骨(gu)頭，除非(fei)被(bei)逼到(dao)墻角。從(cong)(cong)層流到(dao)湍流的(de)(de)(de)轉體，是業界公(gong)認的(de)(de)(de)難題。北(bei)大的(de)(de)(de)數學大神韋東奕曾從(cong)(cong)數學模型的(de)(de)(de)角度求解層流到(dao)湍流的(de)(de)(de)變化，獲(huo)得百萬獎金。服務器的(de)(de)(de)研(yan)發工程師則在(zai)應(ying)用(yong)維度作出開創性(xing)(xing)的(de)(de)(de)嘗試：從(cong)(cong)初期的(de)(de)(de)百葉窗到(dao)最后敲(qiao)定波(bo)導(dao)(dao)(dao)網，其間歷經(jing)成(cheng)百上千次的(de)(de)(de)錘(chui)煉。研(yan)發工程師采用(yong)不(bu)同(tong)寬度、孔(kong)徑的(de)(de)(de)橫向或縱向波(bo)導(dao)(dao)(dao)網進(jin)行多次對照試驗，起始階段效果并(bing)不(bu)理想，沒有(you)滿(man)足高(gao)可靠(kao)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)要求。但測試證明波(bo)導(dao)(dao)(dao)網的(de)(de)(de)確能有(you)效緩解振動，有(you)助于提升(sheng)通風(feng)量并(bing)形成(cheng)穩定的(de)(de)(de)平行風(feng)流。

一個偶然的(de)機(ji)會，研發人員(yuan)受到深圳機(ji)場航(hang)站樓六(liu)邊形建筑結構啟(qi)發，萌生蜂巢形狀波(bo)(bo)導網(wang)設計(ji)思路(lu)。綜合測(ce)試(shi)后發現，六(liu)邊形波(bo)(bo)導網(wang)既節省材料，通風量(liang)也適宜，同(tong)時足夠堅固，對風流能(neng)有力約(yue)束(shu)，并減小湍流造成(cheng)的(de)振動，解決了風扇散熱(re)與(yu)可靠性(xing)無法(fa)兼得的(de)難題。

波(bo)導(dao)網內部(bu)為鋁制(zhi)六邊形蜂(feng)巢狀小孔，單(dan)邊厚度不足0.2mm，重(zhong)量(liang)僅11克左右，可謂“薄如蟬翼”。為探求(qiu)不同機(ji)型(xing)(xing)最佳波(bo)導(dao)網結構，研發工程師還針對蜂(feng)巢單(dan)元的(de)尺寸和蜂(feng)巢板的(de)厚度進行測試，為每一款(kuan)服務器找到孔徑、厚度相(xiang)匹配(pei)的(de)波(bo)導(dao)網，并對降噪需求(qiu)突出的(de)機(ji)型(xing)(xing)填加了吸音海(hai)綿。

相關數據顯示，配置波(bo)導網(wang)的M6服務器散熱效率大(da)幅提升17%~22%，可讓數據中(zhong)心環溫提升1.5~2攝(she)氏(shi)度(du)，節約(yue)6%~8%的能耗。此外，波(bo)導網(wang)還(huan)能減少(shao)氣流對硬盤(pan)高頻(pin)振動的影響，硬盤(pan)IOPS性能提升8%~10%。

“風水大師”背后的故事

波(bo)導網的(de)橫(heng)空出世，既是極(ji)限壓(ya)力環境(jing)下的(de)成果，也是浪潮(chao)信息特色研發模式的(de)產物。

主賽道和訓練賽道相結合，是孕育新技術、產品和解決方案的溫床。浪潮信息在技術儲備方面有良好的(de)(de)(de)預研體系(xi)，結構、散熱(re)就是(shi)其中(zhong)的(de)(de)(de)項目(mu)。預研中(zhong)的(de)(de)(de)技術通常具有前瞻性，要在訓練賽道上(shang)摸爬滾打；而(er)產(chan)品(pin)研發更貼(tie)近(jin)市場需求，預研中(zhong)相對成(cheng)熟的(de)(de)(de)技術，才有機(ji)會(hui)躋身主賽道。波(bo)導網從預研到成(cheng)為(wei)M6服務器產(chan)品(pin)的(de)(de)(de)標配(pei)，正是(shi)主輔賽道轉化機(ji)制(zhi)的(de)(de)(de)受(shou)益者。

仿真與測試協同作戰，是研發進程節時降本、效率提升的不二法門。從硬盤、背板到風扇前界面空間(jian)極小，風道來源(yuan)異(yi)常復雜，風洞、煙霧等實(shi)測方式無法實(shi)施，針對風流、風壓的流體仿真(zhen)和基于(yu)各種特殊要求的機械可(ke)靠性(xing)仿真(zhen)，就顯(xian)得尤為(wei)重要。波導網率先嘗到了甜頭，為(wei)更(geng)多(duo)新(xin)技術(shu)的仿測協同樹立了標(biao)桿。

打破各個資源壁，重新構建跨部門合作關系，是達成最優方案的核心路徑。波導網是全新的(de)(de)(de)部件，需要散(san)熱、結構、存儲等不同(tong)團(tuan)隊持(chi)續磨合，在相互妥協的(de)(de)(de)過程中探尋創新的(de)(de)(de)可能。對單一指標(biao)的(de)(de)(de)過分強調，有時會變成研發中最(zui)大的(de)(de)(de)障礙，而每一次(ci)基(ji)于共同(tong)目標(biao)的(de)(de)(de)“讓步”，才是通(tong)往成功的(de)(de)(de)階梯。

優秀的(de)研發模式是復制更(geng)多波(bo)導網(wang)傳奇(qi)的(de)基石 -- 知道風(feng)在哪一個方向吹，就不會迷失(shi)在亂云(yun)飛渡的(de)技術湍流里(li)。