挑戰(zhàn)-40℃-70℃，邊緣計(jì)算設(shè)備再次突破極限值

計(jì)算是智慧時(shí)代一個(gè)永恒的話題。那邊廂云計(jì)算已是熱火朝天，這邊廂邊緣計(jì)算已呈燎原之勢(shì)。

有人形容，邊緣計(jì)算是“人工智能的最后一公里”，“物聯(lián)網(wǎng)的最后一公里”，“打通用戶的最后一公里”……邊緣計(jì)算看似不起眼，卻將承載起邊緣側(cè)海量的數(shù)據(jù)計(jì)算處理。但“最后一公里”恰恰是最為艱難的一公里，需求的多樣化和差異化，讓邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)化受到一定程度的制約，落地略顯尷尬。

如何打破這種局面，讓邊緣計(jì)算不再“邊緣”，在更多業(yè)務(wù)場(chǎng)景中加速走向落地？來(lái)自浪潮信息的一群人，他們并沒(méi)有選擇坐而論道和紙上談兵，而是深入到海南太陽(yáng)暴曬的路口、東北寒冷偏僻的油井現(xiàn)場(chǎng)、西北大山深處的煤礦等地進(jìn)行多方位需求調(diào)研，堅(jiān)定地提出邊緣服務(wù)器-40℃-70℃環(huán)境極限值挑戰(zhàn)，并且創(chuàng)新性地發(fā)明了三明治散熱架構(gòu)，大幅提升邊緣計(jì)算設(shè)備適用性。

這些實(shí)踐無(wú)疑證明當(dāng)前邊緣計(jì)算落地關(guān)鍵所在：即邊緣計(jì)算產(chǎn)品的研發(fā)與邊緣場(chǎng)景需求必須深入對(duì)接，既需要雙手沾泥般深入業(yè)務(wù)場(chǎng)景去了解真實(shí)需求，又能在產(chǎn)品研發(fā)上打破常規(guī)進(jìn)行大膽創(chuàng)新，只有這樣方能真正引領(lǐng)邊緣計(jì)算走向落地。

上山下海，才敢提挑戰(zhàn)-40℃-70℃極限

如今，在5G、大數(shù)據(jù)、AI、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，邊緣場(chǎng)景在各大行業(yè)中迅速興起。Gartner預(yù)測(cè)，到2025年將有30%的數(shù)據(jù)會(huì)運(yùn)行在邊緣，邊緣場(chǎng)景將會(huì)成為數(shù)據(jù)產(chǎn)生、智能應(yīng)用的主陣地之一。

與數(shù)據(jù)中心等相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境和專業(yè)的運(yùn)維團(tuán)隊(duì)不同，邊緣場(chǎng)景的環(huán)境可謂是千差萬(wàn)別，更沒(méi)有專業(yè)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)日常的運(yùn)維與管理，這就讓邊緣設(shè)備的研發(fā)遇到兩大挑戰(zhàn)：

其一，溫度、濕度、粉塵等環(huán)境因行業(yè)而異，不同行業(yè)的需求復(fù)雜多樣，對(duì)于邊緣設(shè)備的適應(yīng)性提出極高挑戰(zhàn)；

其二，邊緣場(chǎng)景尚未成熟，有著巨大的需求空間尚待探索，用戶需求也不明確，廠商沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)來(lái)參考開發(fā)邊緣設(shè)備與方案。

“一切都需要以用戶為中心，去真實(shí)場(chǎng)景中探索詳細(xì)需求。例如，在室外一些智慧交通路口、智慧電網(wǎng)智能運(yùn)維等場(chǎng)景中，用戶對(duì)于設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性、運(yùn)行穩(wěn)定性要求很高?！崩顺毙畔⑦吘売?jì)算產(chǎn)品線高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理劉香男介紹道。

事實(shí)上，針對(duì)邊緣計(jì)算設(shè)備部署環(huán)境這個(gè)最大的挑戰(zhàn)，浪潮信息的產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)大膽提出了“-40℃-70℃”的部署環(huán)境溫度極限值。做出這個(gè)決定，產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)并不是拍腦門和想當(dāng)然。從2020年浪潮信息成立專門的邊緣計(jì)算事業(yè)部起，產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)在兩年時(shí)間里進(jìn)行了大量的用戶走訪與需求調(diào)研，并總結(jié)得出“-40℃-70℃”溫度極限值的產(chǎn)品研發(fā)需求。

但這卻給產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)極大挑戰(zhàn)。眾所周知，由于環(huán)境的限制，邊緣計(jì)算設(shè)備通常采用無(wú)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，對(duì)于邊緣設(shè)備的散熱是極大考驗(yàn)，遠(yuǎn)超市面其他產(chǎn)品的“-40℃-70℃”極限值需求著實(shí)讓研發(fā)團(tuán)隊(duì)大吃一驚。

“當(dāng)時(shí)拿到產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)的需求第一感覺(jué)是太難了?！崩顺毙畔⑦吘売?jì)算產(chǎn)品線高級(jí)硬件架構(gòu)師付長(zhǎng)昭如是說(shuō)，“一開始甚至一些抵觸。因?yàn)榻佑|過(guò)一些包括霧計(jì)算、小型通信類設(shè)備，也了解這些行業(yè)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，很少有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)會(huì)把無(wú)風(fēng)散熱的極限值設(shè)定在70℃，覺(jué)得產(chǎn)品經(jīng)理提的需求根本實(shí)現(xiàn)不了?！?/p>

在產(chǎn)品與研發(fā)不斷溝通之后，產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)覺(jué)得有必要讓研發(fā)理解“-40℃~70℃”極限值需求是真實(shí)存在且極其有必要。于是，產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)一起親自體驗(yàn)了真實(shí)的邊緣場(chǎng)景。

“到了道路口的一個(gè)信控箱，打開一看，真是大開眼界，能想到的和想不到的全有，環(huán)境之復(fù)雜超乎想象?！备堕L(zhǎng)昭回憶道，“此刻，我終于明白產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)所提需求絕非虛言，邊緣計(jì)算要想獲得有效地應(yīng)用，必須克服這個(gè)難題?！?/p>

確認(rèn)好需求之后，擺在研發(fā)團(tuán)隊(duì)面前的難題就是：如何實(shí)現(xiàn)“-40℃-70℃”的極限值。由于并無(wú)先例，研發(fā)團(tuán)隊(duì)一時(shí)并無(wú)頭緒，正當(dāng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)陷入苦惱、壓力山大時(shí)，一塊三明治的出現(xiàn)，徹底“拯救”了研發(fā)小伙伴們。

一塊三明治帶來(lái)的啟發(fā)

眾所周知，散熱是邊緣計(jì)算設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素和最大難點(diǎn)。

這是因?yàn)槿缃竦倪吘売?jì)算設(shè)備早已不是簡(jiǎn)單的執(zhí)行控制程序，還需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)流處理、AI模型推理等，對(duì)于算力的需求大幅提升，也讓CPU的運(yùn)行往往處于較為飽和的狀態(tài)，CPU一旦高速運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度最高可達(dá)90℃，加上像交通信號(hào)柜等邊緣場(chǎng)景往往是封閉的鐵皮箱，環(huán)境溫度在夏天往往達(dá)到60~70℃，讓邊緣計(jì)算設(shè)備的散熱更加困難。

“前期我們主要是確定研發(fā)方向：在散熱上蓋和熱源之間增加高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱材料，讓熱量快速傳遞出去。”付長(zhǎng)昭介紹道，“但嘗試了很多次，連60℃的散熱極限的都無(wú)法滿足?！?/p>

研發(fā)項(xiàng)目進(jìn)度陷入停滯，研發(fā)團(tuán)隊(duì)甚至一度動(dòng)了“適應(yīng)不了環(huán)境，就改變環(huán)境”的想法，與產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)溝通修改需求。對(duì)此，劉香男表示：“其實(shí)在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中修改需求很正常。但70℃散熱極值的確是用戶的關(guān)鍵需求，為此，產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)與研發(fā)團(tuán)隊(duì)也是進(jìn)行持續(xù)溝通，幫助研發(fā)團(tuán)隊(duì)理解需求和尋找可行方案。有時(shí)候再堅(jiān)持堅(jiān)持，捅破那層窗戶紙，方案就找到啦?！?/p>

為此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)再次拆解和梳理需求，把關(guān)鍵點(diǎn)、矛盾點(diǎn)逐一列舉出來(lái)，利用思維導(dǎo)圖將問(wèn)題點(diǎn)按照大小級(jí)別進(jìn)行分類，以求尋找到關(guān)鍵的突破口。正當(dāng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)再次陷入僵局，一塊加班中用來(lái)充饑的三明治引發(fā)了研發(fā)團(tuán)隊(duì)的靈感。

三明治各種食材層層疊加的形狀，讓研發(fā)工程師們意識(shí)到可以借鑒到邊緣計(jì)算設(shè)備的散熱上，散熱上蓋底部壓鑄出導(dǎo)熱凸臺(tái)，通過(guò)導(dǎo)熱凸臺(tái)與導(dǎo)熱界面材料、熱源部件依次貼合的結(jié)構(gòu)，可以排出熱源上方的空氣，大大消除內(nèi)部界面熱阻。

窗戶紙終于捅破了！“三明治”散熱架構(gòu)就此誕生，散熱蓋、凸臺(tái)、界面材料、熱源從上到下就類似一塊三明治。不僅如此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還針對(duì)邊緣服務(wù)器百變的配置需求，設(shè)計(jì)了不同形狀上蓋，讓導(dǎo)熱凸臺(tái)、界面材料的位置、大小隨著內(nèi)部器件的變化而變化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的靈活百變和高效散熱。

付長(zhǎng)昭介紹：“研發(fā)團(tuán)隊(duì)前前后后做了七版方案，終于經(jīng)過(guò)不斷努力，尋找到最為合理的方案?！?/p>

有了整體的方案之后，接下來(lái)就是細(xì)心打磨、不斷優(yōu)化的階段。例如，三明治的多層食材中，每一層食材的不同、食材的多少都會(huì)決定三明治的口感；同理，在“三明治”散熱架構(gòu)中，每一層材料的區(qū)別是否也會(huì)帶來(lái)散熱效果的不同？為此，研發(fā)人員進(jìn)行了仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，界面材料厚度的微小差異，都會(huì)影響散熱的效率，材料厚度縮小0.6毫米，CPU的溫度就可以降低2.1℃。因此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要在CPU、內(nèi)存等等部件凸臺(tái)最小結(jié)構(gòu)公差下，設(shè)計(jì)出最小厚度的界面材料。

經(jīng)過(guò)多次仿真和實(shí)測(cè)，研發(fā)人員最終采用高導(dǎo)熱和高壓縮性的界面材料和凸臺(tái)填充在熱源與散熱外殼之間，導(dǎo)熱效率達(dá)到10W/m·K，是空氣導(dǎo)熱效率的435倍，讓服務(wù)器適應(yīng)的極限環(huán)溫從原來(lái)的60℃提升到67℃。

67℃已經(jīng)超越了很多邊緣設(shè)備的極限值，但這還不夠，離最終需求還差3℃。正所謂行百里者半九十，最后這3℃最為接近極限需求，那么，還能有繼續(xù)優(yōu)化的空間么？

對(duì)此，付長(zhǎng)昭介紹：“把CPU散熱這個(gè)最大難點(diǎn)解決了，等于大幅提升了內(nèi)部熱傳導(dǎo)效率，相當(dāng)于成功了一大半。接下來(lái)，可以從邊緣計(jì)算設(shè)備整體散熱的角度去優(yōu)化考慮，從機(jī)箱結(jié)構(gòu)、每個(gè)部件等方面做到最優(yōu)?！?/p>

隨后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)從“設(shè)備與環(huán)境之間如何進(jìn)行高效導(dǎo)熱”的角度出發(fā)，利用熱仿真軟件對(duì)多組參數(shù)組合進(jìn)行對(duì)比分析，并繪制響應(yīng)面優(yōu)化曲線，最終確定出一組關(guān)于鰭片厚度、間隙和高度的最優(yōu)組合，在有限體積內(nèi)形成超過(guò)3000平方厘米的散熱面積，達(dá)到了最佳散熱能力。同時(shí)，為了進(jìn)一步讓上蓋均勻的將熱量擴(kuò)散出去，消除局部熱點(diǎn)，散熱上蓋中設(shè)計(jì)了2D熱管網(wǎng)絡(luò)，熱管走向經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化仿真，精準(zhǔn)布局，有效規(guī)避局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，提升整機(jī)均溫能力。

終于，浪潮邊緣微服務(wù)器EIS 800這臺(tái)能夠在無(wú)風(fēng)條件下、70℃極限環(huán)境也能高效、穩(wěn)定運(yùn)行的邊緣計(jì)算設(shè)備橫空出世。

“從最開始有一些抵觸，到接受挑戰(zhàn)，再到陷入煎熬，最后取得豁然開朗般的突破，研發(fā)工程師整個(gè)心理過(guò)程是在微妙變化的。有時(shí)候多一份堅(jiān)持，問(wèn)題也就迎刃而解，付出也是值得的?！备堕L(zhǎng)昭如是說(shuō)。

據(jù)悉，浪潮邊緣微服務(wù)器EIS 800已經(jīng)獲得2022年度德國(guó)紅點(diǎn)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)，并且在制造、交通、能源、水利、零售等多個(gè)行業(yè)用戶的環(huán)境中通過(guò)了POC驗(yàn)證，未來(lái)將在各個(gè)邊緣場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用，進(jìn)一步推動(dòng)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)走向落地。

模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)需而變：一切為了邊緣計(jì)算

“邊緣計(jì)算設(shè)備的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與規(guī)劃，并不會(huì)圍繞某個(gè)部件的迭代而展開，而是會(huì)從實(shí)際需求的角度進(jìn)行迭代?！边@是劉香男兩年來(lái)最大的感悟。

不過(guò)，邊緣場(chǎng)景需求的差異化、多樣化，的確又是橫跨在邊緣計(jì)算設(shè)備走向規(guī)?；囊淮箅y題。差異化和多樣化意味著大量需求彼此互斥，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品通用性差，后期的維護(hù)、保障也會(huì)遇到各種問(wèn)題。如何改變這種局面，真正讓邊緣計(jì)算走向落地？

在經(jīng)歷了大量調(diào)研和反復(fù)論證之后，浪潮信息提出了解耦模塊化設(shè)計(jì)的思路。這種思路類似樂(lè)高搭積木，形成核心計(jì)算模組、AI模組、通信模組、管理模組、散熱模塊等核心模塊，統(tǒng)一不同模塊的接口標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)邊緣場(chǎng)景的差異化需求進(jìn)行拆解和組合，實(shí)現(xiàn)不同邊緣場(chǎng)景的產(chǎn)品需求。

例如，智慧路口場(chǎng)景中，攝像頭從幾路到十幾路，邊緣計(jì)算設(shè)備的算力需要階梯式布局；又如，在工業(yè)場(chǎng)景，需要更加靈活的通信方式，需要兼容有和無(wú)線不同網(wǎng)絡(luò)通信；而針對(duì)油井、礦山等環(huán)境會(huì)出現(xiàn)的邊緣設(shè)備低溫啟動(dòng)難的問(wèn)題，浪潮信息研發(fā)團(tuán)隊(duì)還為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程運(yùn)維模塊，低溫?zé)釂?dòng)裝置，可以在環(huán)境溫度-40℃的環(huán)境下，遠(yuǎn)程或自動(dòng)調(diào)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)加熱邊緣計(jì)算設(shè)備，讓設(shè)備每部每個(gè)組件滿足溫度要求后再啟動(dòng)運(yùn)行。

從模塊組件解耦到根據(jù)需求進(jìn)行靈活組合，既考驗(yàn)邊緣設(shè)備研發(fā)團(tuán)隊(duì)的整體設(shè)計(jì)能力，又對(duì)于模塊之間組合后的產(chǎn)品效果提出挑戰(zhàn)。為此，浪潮信息不斷摸索，推出了邊緣模塊化設(shè)計(jì)架構(gòu)ECOM（Edge Computing Optional Module），并且對(duì)各個(gè)模塊之間通信進(jìn)行優(yōu)化。

據(jù)悉，浪潮信息已經(jīng)將邊緣計(jì)算模塊化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ECOM貢獻(xiàn)給全球開放計(jì)算組織ODCC。付長(zhǎng)昭坦言：“傳統(tǒng)服務(wù)器的設(shè)計(jì)方式、理念、應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)比較清晰統(tǒng)一，但邊緣計(jì)算依然處于探索期，更加需要有意識(shí)地去完善標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地推動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)快速落地?！?/p>

星空不問(wèn)趕路人,歲月不負(fù)有心人。如今，浪潮信息蟬聯(lián)中國(guó)邊緣服務(wù)器市場(chǎng)第一，2022年上半年市場(chǎng)占有率甚至達(dá)到53.1%，同比大幅增長(zhǎng)133.6%，領(lǐng)漲邊緣服務(wù)器市場(chǎng)。“浪潮信息會(huì)持續(xù)以客戶為中心，貼近用戶場(chǎng)景需求，攜手生態(tài)伙伴共同推動(dòng)邊緣計(jì)算加速落地?！眲⑾隳凶詈蟊硎镜馈?/p>

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