千錘百煉：浪潮信息NVH降噪黑科技 納米級雕琢讓性能翻倍

服務器系統設計面臨著功耗、散熱、可靠性等等多個變量,彼此之間互相掣肘。為了設計出高效、高密度的產品,如何走出這場博弈困境?

近期,浪潮信息正式發布兩項服務器新技術,為其全新上市的G7算力平臺提供卓越的性能、可靠性和易維護性支撐。其中,服務器NVH(Noise噪聲、Viberation振動、Harshness聲振粗糙度)技術,可以讓服務器計算滿負載時的磁盤讀寫性能翻倍,并且防止數據中心各類高頻噪音對磁盤產生不可逆的損失,一系列的科學量化實驗,真正做到了“看見聲音”,為服務器科學降噪。

為什么要看見聲音?

看見聲音,其實是為了減少聲音對我們的影響。就像很多人都有過感覺:在長時間駕駛后,我們會覺得聽力減弱。這是因為發動機產生的噪音和氣流產生的風噪會對人的聽力產生影響。所以汽車廠商非常注重靜謐性。汽車NVH技術就是為了系統優化乘車體驗。

除了汽車,精密機械同樣會受到噪聲的損害。2016年,歐洲某數據中心火災演習過程中,滅火器噴管發出的高頻噪音,就引發了多臺服務器宕機。

除了外部噪音,在服務器內部,風扇引發的噪音振動也會造成不可逆的損傷。

在服務器系統設計中,存在著計算性能、功耗、散熱、風扇噪聲、存儲容量、磁盤密度、讀寫性能之間的微妙平衡。提高計算性能會增加功耗,增加功耗需要加強散熱,加強散熱需要提高風扇轉速,一些服務器的風扇轉速甚至已經提升到了34000轉/分鐘。但是,風扇轉速的提升又會限制硬盤存儲密度的提升,因為機箱內風扇產生的聲壓會造成硬盤內部精密部件共振,影響硬盤讀寫性能。

類似于汽車發動機的噪音會影響乘車舒適性,大量的高轉速風扇產生的噪音高達120dB,極易造成硬盤磁頭偏移,讀寫效率下降,引發寫入錯誤,導致扇區失效,甚至硬盤報廢,服務器宕機,造成難以估量的損失。

想要系統解決硬盤受到振動帶來的性能損失問題,首先要知道硬盤在不同噪聲激勵下的性能損失,建立數學模型,并模擬機箱振動噪聲頻譜,進行預測與驗證。

浪潮信息工程師為此開發了一套硬件與軟件結合的測量分析系統。

拿什么來看見聲音?

首先是尋找硬盤敏感噪音,通過噪聲敏感實驗,探索硬盤性能損失與聲壓強度間的數學規律。汽車行業和一些服務器廠商在噪聲敏感實驗中,會采用“正弦波”或者1/3倍頻程進行噪聲測試。但正弦波頻率過窄,1/3倍頻程過寬,都無法精準定位硬盤的共振頻率。

而這一模擬實驗成功的關鍵,在于找到精準模擬風扇噪音特點的頻譜。為了解決這個難題,浪潮信息工程師拋棄了傳統汽車行業、服務器行業的思路,基于海量風扇頻譜分析,找到了最適合的噪聲帶寬,并且以混頻、掃頻的模式,更精準、靈活地模擬出多樣化的噪聲源,構建出業界首個硬盤噪音敏感度模型,量化出不同硬盤受到各類噪聲影響后的性能表現。

機箱振動噪音實驗,基于浪潮信息與Meta、微軟、希捷等聯合研發的“硬盤假體”,工程師采集到了上百款服務器機箱內的噪音和振動頻譜,再將假體采集的頻譜和硬盤敏感度模型融合匹配,這樣就能夠準確計算每一款服務器內部硬盤的共振頻率以及由此產生的損失率。

浪潮信息的工程師像“聲音雕刻師”一樣,終于找到了影響聲壓影響硬盤讀寫性能的內在機理,破解了硬盤動力學玄謎。

靠什么來管住聲音?

“看見聲音”的“黑盒”問題被徹底打開,接下來,能夠管住這些對磁盤不太“友好”的噪音才是關鍵。

浪潮信息工程師快速鎖定了機箱內真正影響硬盤工作的噪音頻譜,對服務器系統展開多維度、多層次的優化設計。

首先是優化噪聲振動的源頭——風扇,浪潮信息工程師通過3D仿真改進葉片形態,讓風扇在同樣轉速下散熱風量提升15%;同時減弱湍流效應,抑制扇葉內氣流分離,以免產生硬盤敏感的高頻噪音。

微風已然不噪,磁盤的“住房”也要進行提檔升級消音改造:

工程師們又瞄上了服務器機箱,設計了40多種歌院式的消音架構,精準消除機箱內特定的高頻噪音,讀寫性能提升26%。

此外,工程師們還改進了硬盤伺服系統,讓硬盤磁頭的共振擺動范圍控制在單條磁軌道中心10納米以內,保證硬盤讀寫性能,并且為未來24TB-30TB的大容量硬盤的動力學適配設計打下堅實基礎。

系統創新的設計,能讓服務器保證性能的前提下,實現更靜謐運行。這只是創新中的一項探索。服務器設計是一項系統工程,浪潮信息全新G7算力平臺采用開放、多元的架構設計,支持最廣泛的通用處理器和加速芯片,整個系統需要經過30多個開發流程,使用150多種加工制造工藝,對280多種關鍵過程控制點的質量進行嚴格把控,以保證這一平臺產品能具備高性能表現與保質量的品質。

結語

“千錘百煉,極致匠心”,在科技研發的道路上,有了工程師倔強的勇往直前,才有了服務器千錘百煉的匠心設計理念,在各種變量可能之中極力做到最好,在產品技術上不斷創新引領,為各行各業用戶的數字化、智能化轉型,提供更強性能、更高品質、更加智能的算力,就是浪潮信息工程師們的極致浪漫。