伴隨人工智能、5G、物聯網等技術的逐漸成熟,算力需求從數據中心不斷延伸至邊緣,邊緣計算快速發展,成為云邊端系統的核心一環。邊緣微服務器是邊緣服務器的一類重要形態,由于體積小巧,便于安裝,其部署場景從“條件優越”的數據中心遷移至沙漠戈壁、江河湖海、東北油田等“極端惡劣”的場景,承受著風沙、雨水、酷熱、嚴寒等多重考驗。
邊緣微服務器自誕生起便要應對復雜多樣的工作環境,因此浪潮信息的研發人員在產品開發初期,需要進行大量的可靠性測試,并將盡可能多的使用場景納入考慮,以使產品具備更高的可靠性和更長的壽命。影響產品可靠性和壽命的因素可謂眾多,例如環境溫濕度、空氣灰塵、雨水、機械振動、混合氣體腐蝕等,只有經過千錘百煉的邊緣微服務器才可具備抵御惡劣環境的強大性能。
最高70℃高溫測試
高溫測試是業內對服務器進行的最基本且最重要的測試之一,通用服務器常年部署在數據中心,環境的溫濕度相對穩定,因此只需要保證至多40℃的溫度下穩定運行即可。而邊緣微服務器很多部署在室外環境中,環境溫度會高達55℃～70℃,特別是對于沒有安裝風扇的產品,最極端的狀況是要保證在高溫無風環境下,計算性能一如既往,這對產品的散熱設計提出了很大挑戰。
散熱仿真是研發人員應對這一挑戰的一大“利器”,在產品開發的初期,散熱設計人員會利用熱設計仿真軟件對器件布局、散熱器結構、風道形式以及噪聲振動進行快速準確的仿真模擬,并有針對性地進行優化設計,使得主板上器件布局合理、散熱器效能最大化、風阻盡量小,并且盡可能地減小噪聲和振動。通過仿真進行快速高效的仿真驗證和優化迭代,減少產品的打樣時間及驗證周期,為產品的優異性能提供強有力的保障。除此之外,在結構設計方面,通過合理的結構設計、高性能導熱材料開發以及先進加工制造工藝,對邊緣服務器的散熱性能進一步優化,使得熱量散出的道路“暢通無阻”,確保產品在炎炎酷暑條件下也可以穩定運行。
除了常見的主動散熱,即依靠風扇等部件施加強制空氣對流,并將機箱內部熱量帶走的散熱方式,還有一種前面提到的不通過風扇,僅依靠設備自身的自然散熱和輻射散熱的被動散熱方式,對于采用該方式散熱的邊緣微服務器產品,需要考慮最極端的工況,即在高溫且無風的環境下穩定運行并且不降頻。為模擬最極端的工作環境,被動散熱邊緣微服務器的高溫測試要用到無風溫箱,與有風溫箱相區別,無風溫箱一般是在密閉箱體內通過電熱絲加熱,營造所需的環境溫度,密閉的箱體可避免空氣的流動,接近極端的無風環境。現在邊緣微服務器的高溫環境一般在55℃～70℃范圍內,具體數值按照實際項目的需求確定。測試條件分為高溫低濕(5%R.H.)和高溫高濕(95%R.H.)兩種極端工況,以覆蓋設備所處的環境濕度范圍,測試時間一般在16～24小時范圍內,以盡量嚴苛的測試條件來保證邊緣微服務器的卓越性能。
-40℃～85℃ 溫度沖擊試驗
邊緣微服務器可能會布設在環境溫度極低的北方地區,假如邊緣微服務器在極寒的室外和溫暖的之內之間轉移時,或在運輸過程中晝夜交替時,環境溫度的急劇變化會對整機及部件的可靠性造成不利影響,嚴重時可能會使部件失效或整機損壞,因此需要有針對性地進行溫度沖擊試驗。
溫度沖擊試驗會準備兩個溫箱,分別營造低溫(-40℃)和高溫(85℃)環境,在一種環境中需要暴露30分鐘后進行轉移,兩種環境中間的轉移時間控制在5分鐘之內,如此至少循環12個周期,保證邊緣微服務器在經歷嚴寒和酷熱的循環交替考驗后也能有出色表現。
防塵防水測試
在戶外部署的邊緣微服務器難免會遇到雨水淋浸,如果密封性不達標,雨水通過縫隙滲到電子元器件或者PCB板上,極易引起元器件短路甚至設備報廢。針對這樣的使用環境,邊緣微服務器需要針對邊緣場景進行防水防塵設計和測試。根據IP防護等級標準,將電子設備按照防塵和防濕氣的特性進行分級,分別由兩個數字組成,第一個數字表示電器防止外物侵入的能力等級,第二個數字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度,通常兩個標示的數字越大表示其防護等級越高。
通信類設備常見的防護等級是IP 57(完全防固和短時浸入水中時不會受影響)、IP 65(完全防固防塵和防濺水)和IP 67(完全防固防塵和短時浸入水中時不會受影響)。根據國標GB/T 2423.38-2005試驗R,針對不同防水等級,標準中分別提出了滴水、沖水和浸水測試方法。防水防塵試驗對于邊緣微服務器的可靠性測試是極其重要的,邊緣微服務器許多場景是在戶外,要承受不定期不定時長的暴雨沖刷和風塵侵蝕,進行防水防塵設計和試驗可以保證邊緣微服務器在風吹雨淋的惡劣戶外環境中依然可以穩定運行。
混合氣體腐蝕測試
大氣環境存在的廢氣在一定的溫濕度條件下,會對安裝在戶外的邊緣產品整機、元器件或材料產生較強的腐蝕,嚴重影響產品的電性能和使用可靠性。因此,產品的抗腐蝕能力也是研發中要著重考慮的方面。
混合氣體腐蝕測試主要用于確定產品各部件及材料在大氣環境下工作、儲存的適應性,特別是接觸件與連接件。影響腐蝕的主要因素有溫濕度、大氣中的腐蝕性成分等,試驗的嚴苛程度取決于腐蝕性氣體的種類和曝露持續時間。混合氣體腐蝕試驗是利用CO?、NO?、SO?、H?S、Cl?等幾種氣體,在一定的溫度和相對的濕度的環境下對材料或產品進行加速腐蝕,重現材料或產品在一定時間范圍內所遭受的破壞程度,以此來模擬大氣中存在的CO?、NO?、SO?、H?S、Cl?等各種腐蝕性氣體,在單一或多種氣體混合時,對邊緣產品的元器件、整機或材料的腐蝕情況,通過對腐蝕情況分析,確定各電子元器件、設備與材料等抗腐蝕能力。
振動測試
邊緣設備在汽車、輪船、軌道交通、施工工地等場景安裝或者工作時,都會受到振動環境的影響,在機械振動的過程中,振動物體的一些物理參數,如位移、速度等,將發生反復變化,這會對設備中的部件和機械結構等帶來危害,例如振動加劇構件的疲勞和磨損,縮短機器使用壽命等。因此,需要進行振動測試來判斷產品是否能承受運輸或使用過程中振動環境的考驗。
振動測試主要在振動試驗臺上進行,模擬產品在制造、組裝運輸及使用過程中可能經歷的各種環境,用來測試產品是否具備耐受環境振動的能力。振動測試可分為開機隨機振動、關機隨機振動、關機掃頻振動等。開機隨機振動用于模擬邊緣產品在易產生振動的場景下,由于振動傳導干擾從而對產品造成功能上的影響,尤其是外界振動源的干擾將會對機械硬盤產生讀寫性能方面的影響。關機隨機振動是驗證產品在正常的物流運輸環境中是否有足夠的機械強度來滿足運輸需求。關機掃頻振動驗證產品在常見頻段范圍下的承受振動的能力,并尋找產品的共振頻率或危險頻率。
包裝可靠性測試
由于邊緣產品從工廠出貨到交付至用戶處,期間還要經過一定時間的運輸,無論采用哪種運輸方式,產品難免會受到隨機發生的碰撞、振動和沖擊等復雜狀況的影響。為應對這樣的情況,產品包裝需要進行一系列的可靠性測試,例如包裝抗壓、包裝碰撞、包裝振動、包裝滾動、包裝跌落等測試。包裝抗壓測試是為了驗證產品包裝在運輸、存儲過程中的承受外部壓力以保護產品免受傷害的能力;包裝碰撞測試是為了驗證產品在運輸環節上,在工廠端碼頭叉車進行裝卸及物流運輸中反復的碰撞對產品帶來的危害;包裝振動測試是為了驗證包裝在正常的物流運輸振動應力條件下,具備足夠的強度來抵擋振動應力對產品的損壞;包裝滾動測試是為了驗證包裝能夠在正常的物流運輸振動應力條件下,有足夠的強度來抵擋住滾動應力對產品的損壞;包裝跌落測試驗證包裝產品在物流運輸過程中,產品在搬運及裝卸貨過程中所受到的機械沖擊應力破壞,檢驗整機包裝設計是否能夠預防搬運過程中的過應力對產品帶來的危害。通過這一系列全面、完善的包裝可靠性測試手段,確保邊緣產品毫發無損地運輸并交付到客戶手中。
面對復雜嚴苛的應用場景,浪潮信息的研發工程師通過散熱結構設計及仿真模擬、先進材料及制造工藝開發、可靠性及場景測試等多種途徑和方法,賦予了邊緣微服務器更高的可靠性。目前,“小而堅韌”的邊緣微服務器已經在電站、礦井、智能工廠、智慧交通等邊緣場景中部署應用,在萬物互聯的智慧時代,為這個世界創造更多精彩。
