北京2022年8月16日 /美通社/ -- "一只南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風。" -- 這便是著名的"蝴蝶效應"。這種現(xiàn)象不僅出現(xiàn)于自然界，在生活中、產品設計中都能得到驗證，對服務器行業(yè)來說也不例外。作為一種高精密度的產品，服務器中每個的部件都是一只"蝴蝶"，其中硬盤是服務器最重要的存儲單元，不僅要讓數據存的下，還要不斷突破讀寫性能瓶頸，以在不同場景中，讓服務器的計算能力和存儲能力得以最優(yōu)呈現(xiàn)。
服務器硬盤讀寫性能提升的 "三大難關"
基于大量的研發(fā)測試數據，浪潮信息服務器研發(fā)團隊在研發(fā)過程中歸納了服務器中硬盤讀寫性能提升面臨的三大挑戰(zhàn)：
第一，大容量機械硬盤對振動和噪聲天生敏感。隨著硬盤容量的持續(xù)攀升，磁道寬度已經達到納米級別，硬盤的磁臂需要精確控制讀寫磁頭懸停在磁道中心，而外部的振動和噪聲干擾都會引起內部機械部件的共振，使磁頭位置發(fā)生偏移，導致其無法正常讀寫。因此大容量機械硬盤對振動和噪聲格外敏感；
其次，內部原生的振動和噪音。服務器系統(tǒng)功耗持續(xù)攀升帶來的散熱壓力劇增，風扇轉速快速拉升，帶來更強勁風量的同時也產生了更高的振動及噪音，系統(tǒng)風扇噪聲影響是造成硬盤讀寫性能下降（以下簡稱PLV）的關鍵因素。硬盤的磁頭就像一輛跑車在非常狹窄的道路上飛馳，但是道路還在劇烈的晃動，這就很難保持在道路的中心行駛。
第三，服務器機箱與硬盤的兼容性問題。由于機箱和硬盤的設計開發(fā)是互相獨立的過程，二者之間由振動引起的兼容性問題需要服務器系統(tǒng)實機試驗后才能發(fā)現(xiàn)，而問題出現(xiàn)后往往難以補救。
自研測試分析平臺 為性能優(yōu)化提供精準數據
為定位設計問題，破解性能提升的研發(fā)技術難題，浪潮信息服務器研發(fā)團隊針對PLV問題"黑盒子"的解析方法，開發(fā)出一套硬件與軟件結合的測量分析系統(tǒng)，并設計了嚴謹的數據模型及算法。
研發(fā)團隊第一時間與國際一流的硬盤廠商合作并建立了聯(lián)合實驗室，設計了一種硬盤單體的分頻段噪音掃頻測試方法，再將大量實測數據抽象為一個統(tǒng)一的敏感度數學模型，精確定位到每種硬盤可兼容的噪音臨界頻譜，為PLV問題的根因診斷提供了第一手數值依據。
當前浪潮信息的測試數據庫已覆蓋市場上所有主流硬盤，滿足主流服務器產品需求的同時在面對客戶定制化需求，也能大大縮短了研發(fā)周期，保障新品的敏捷響應速度。
在明確硬盤單體特性后，浪潮信息研發(fā)團隊針對服務器產品制定出一套噪音振動信號的數據采集分析系統(tǒng)，形成噪音振動量化平臺，配合專門設計的"硬盤假體"采集服務器機箱內的噪音與振動。研究發(fā)現(xiàn)，噪音PSD譜與硬盤噪音敏感度模型的定量匹配效果非常準確，盡管機箱內的噪音頻率成分非常復雜，但通過機理性研究和大量測試數據分析發(fā)現(xiàn)，找到了硬盤噪音敏感度與超限聲壓強度的線性回歸模型，通過浪潮專利算法模型可以準確計算出硬盤內部的共振頻率，以及這些共振導致的性能損失率，至此，PLV問題的"黑盒子"已開啟，硬盤的性能損失率在頻率域展開后，可以明確識別到影響硬盤性能的噪音頻率成分。
硬盤的性能損失率在頻率域展開
經過噪音頻譜診斷之后，便到了最關鍵的環(huán)節(jié)，如何將研發(fā)成果轉化為產品應用，并最終為客戶帶來收益，這才是浪潮信息研發(fā)工程師的"初心"。"從小見大"浪潮信息工程師開啟了服務器內部優(yōu)化的探索，首先是服務器中"噪音和振動"的源頭 -- 風扇，研發(fā)工程師發(fā)現(xiàn)扇葉的3D形態(tài)、氣體的流速都會從根本上影響噪音的頻率成分，所以要降低振動就要從風扇本身先著手，通過上百次的選型測驗，浪潮信息M6系列服務器采用改進選型后的風扇，硬盤性能達到17%的提升。
突破源頭本身后，第二步便是運用設計優(yōu)化，進一步提高性能。針對于固有架構的通用服務器產品，因受到空間限制，除了通過風扇選型解決的振動難題，浪潮研發(fā)團隊再次通過不斷探索實踐找到了一條新路子，將機箱內安裝的吸音材料特性發(fā)揮到極致。
不同的材質、不同的形態(tài)、不同的安裝位置、不同的截面都會有不同的效果，尺寸、材料、位置均影響插入損失，每一種設計都有其獨特的頻率屬性。浪潮信息工程師在頻率域內定位出引發(fā)硬盤共振的噪音成分后，從3000多種設計中篩選出插入損失最匹配的吸音棉樣本，精準調整噪音頻譜，猶如雕刻師一般對聲音精雕細琢。如此精準的設計在保障成本的同時使噪音的能量降低了一半以上（降低4dB），硬盤的IOPS性能提高了50%，有效應對小文件隨機讀寫頻繁的應用場景。
同時，浪潮信息工程師也在從整體布局上考量如何減振降噪。以往業(yè)內的通用服務器內部風扇緊隨硬盤，但硬盤自身的振動和風扇轉速提高帶來的振動，對硬盤的損傷極大，導致故障發(fā)生，兩者疊加帶來的影響更是明顯。如果將風扇遠離硬盤，對系統(tǒng)會有什么影響？
浪潮M6系列整機柜服務器就采用了這樣的結構，將風扇移至機柜的最后部，拉遠與硬盤的距離，而和機柜柜體形成了一個整體。相比風扇，機柜的體量巨大，兩者的振動疊加實際上起到了"削峰填谷"的功效。此振動再傳到硬盤之時，就已經有了大幅降低。如此設計的效果明顯，相比傳統(tǒng)的服務器結構，硬盤故障率下降了將近一個數量級。
就像所說的"蝴蝶效應"一樣，浪潮服務器產品的每一處的細節(jié)都在追求突破和創(chuàng)新，比如：在硬件層面，浪潮M6服務器通過動態(tài)Power Capping技術，過載實時響應措施確保系統(tǒng)供電安全；固件層面，浪潮M6服務器依靠ROM芯片冗余技術可為BIOS、BMC等固件提供"雙芯雙待"鏡像備份的底層安全保護，采用FPGA作為平臺信任根，可實時監(jiān)控度量服務器整機底層安全性，全方位保障固件安全可靠；系統(tǒng)層面，M6服務器以零故障、免宕機和無風險為目標制定系統(tǒng)安全可靠設計策略等等。
研發(fā)的工作是反復而精細的，但浪潮信息的研發(fā)團隊一直秉承著精益、極致的設計理念，讓浪潮信息打造了服務器的爆品，創(chuàng)新的設計，優(yōu)異的性能，設計指導生產，生產滿足設計。
浪潮信息，開放計算踐行者
浪潮信息研發(fā)團隊的研究成果讓客戶在使用浪潮服務器時得到了良好的收益，而浪潮信息作為全球的服務器領先廠商和開放計算的踐行者，已作為主要廠商參與到了OCP-Storage-HDD Dynamics 工作組進行技術研討。該工作組由來自全球的存儲和服務器頭部廠商組成，從2020年開始發(fā)起關于"如何實現(xiàn)硬盤與服務器機箱長久持續(xù)的兼容性"的討論，浪潮信息基于自有的研究成果和設計經驗，積極參與其中，制定國際行業(yè)標準，為行業(yè)的發(fā)展不遺余力。
目前該工作組已聯(lián)合發(fā)布了硬盤振動噪音量化測試白皮書，實現(xiàn)技術語言與測量工具的標準化，為產業(yè)上下游各類伙伴交流提供便捷。
