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"。這種現象不僅出現于自然界，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呈現。
服務器硬盤讀寫性能提升的 "三大難關"
基于大量的研發測試數據，浪潮信息服務器研發團隊在研發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：
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。服務器系統功耗持續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實機試驗后才能發現，而問題出現后往往難以補救。
自研測試分析平臺 為性能優化提供精準數據
為定位設計問題，破解性能提升的研發技術難題，浪潮信息服務器研發團隊針對PLV問題"黑盒子"的解析方法，開發出一套硬件與軟件結合的測量分析系統，并設計了嚴謹的數據模型及算法。
研發團隊第一時間與國際一流的硬盤廠商合作并建立了聯合實驗室，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，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。研究發現，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現，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，便到了最關鍵的環節，如何將研發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化的探索，首先是服務器中"噪音和振動"的源頭 -- 風扇，研發工程師發現扇葉的3D形態、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揮到極致。
不同的材質、不同的形態、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都在追求突破和創新，比如：在硬件層面，浪潮M6服務器通過動態Power Capping技術，過載實時響應措施確保系統供電安全；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；系統層面，M6服務器以零故障、免宕機和無風險為目標制定系統安全可靠設計策略等等。
研發的工作是反復而精細的，但浪潮信息的研發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，創新的設計，優異的性能，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年開始發起關于"如何實現硬盤與服務器機箱長久持續的兼容性"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，制定國際行業標準，為行業的發展不遺余力。
目前該工作組已聯合發布了硬盤振動噪音量化測試白皮書，實現技術語言與測量工具的標準化，為產業上下游各類伙伴交流提供便捷。
