為了解決散熱問題，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和風(fēng)量也需大幅提升。風(fēng)扇作為一個(gè)經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，它的振動(dòng)加速度值與轉(zhuǎn)速呈2次方的比例關(guān)系，而它的扇葉旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的氣動(dòng)噪聲與轉(zhuǎn)速呈6次方的比例關(guān)系。

這就引發(fā)一個(gè)新問題：硬盤將受到風(fēng)扇振動(dòng)、噪聲的干擾，這干擾達(dá)到一定量級(jí)之后，硬盤就不能正常讀取和寫入了。而且，硬盤的單盤容量五年之間就翻倍了，方法之一就是讓磁單元變小、讓磁道寬度變小，因此對(duì)磁頭的定位精度要求更高。拿16TB的硬盤來(lái)說(shuō)，磁道的寬度大約是50nm，而磁頭的位置偏差需要控制在10nm以內(nèi)。也就是說(shuō)，需要把硬盤工作環(huán)境內(nèi)的振動(dòng)控制到極低的程度，才能保證硬盤的正常讀寫。

我們?cè)诮鼛啄甑姆?wù)器設(shè)計(jì)中，不管是浪潮最新一代的服務(wù)器產(chǎn)品中，還是Facebook 的OCP存儲(chǔ)架構(gòu)中，都看到了在風(fēng)扇附近出現(xiàn)了吸音泡棉和蜂窩波導(dǎo)網(wǎng)，能緩解風(fēng)扇的高頻噪音對(duì)硬盤的影響。在企業(yè)中都會(huì)有專門的測(cè)試項(xiàng)目來(lái)驗(yàn)證這個(gè)問題，不同的公司測(cè)試方法的稱呼不同，如RV（Rotational Vibration）,RVI（Rotational Vibration Interference），PLV(Performance Loss Verification)，ISP（In System Performance）等。

有一個(gè)比喻特別形象，就是地震的時(shí)候人在黑板上寫字，肯定寫得歪歪扭扭，別人再去讀的時(shí)候，也一定讀不準(zhǔn)確，這塊黑板就面目全非、錯(cuò)誤連篇了。這個(gè)過程發(fā)生在硬盤的磁盤上，就會(huì)產(chǎn)生壞扇區(qū)，壞扇區(qū)積累得多了，硬盤會(huì)報(bào)錯(cuò)，甚至?xí)幌到y(tǒng)標(biāo)記為壞盤。

為了控制磁頭的振動(dòng)，硬盤內(nèi)部有一套主動(dòng)控制的機(jī)制，來(lái)識(shí)別并修正位置偏差（PES），簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是盡量讓磁頭寫入磁道中心，如果偏離得遠(yuǎn)了，作動(dòng)器就會(huì)施加動(dòng)態(tài)的反向作用力把磁頭糾正回來(lái)。糾正不回來(lái)的，就不允許寫入，而是要等碟片再轉(zhuǎn)1圈或者N圈，直到磁頭能夠準(zhǔn)確定位到目標(biāo)位置再執(zhí)行寫入的動(dòng)作，這個(gè)過程我們叫它Retry（重試），Retry的圈數(shù)越多，硬盤的寫入性能就損失得越多。這就是硬盤受振動(dòng)干擾而性能下降的原理。

如果大家使用機(jī)械硬盤的筆記本，可能遇到過這種場(chǎng)景，用它播放一首歌曲如《青藏高原》，本來(lái)硬盤正在有條不紊地向聲卡輸送數(shù)據(jù)，音樂播放很流暢，突然歌聲變得高亢起來(lái)，喇叭釋放出巨大的能量，硬盤內(nèi)部發(fā)生共振，不能正常輸出數(shù)據(jù)了，音樂就會(huì)開始卡頓，再過一會(huì)兒，筆記本就藍(lán)屏了。

現(xiàn)在我們筆記本里用機(jī)械硬盤比較少了，但是類似事故可能會(huì)發(fā)生在數(shù)據(jù)中心。比如火警報(bào)警器、滅火器噴氣的聲音，還有和硬盤同氣連枝的風(fēng)扇的噪聲，都會(huì)影響到硬盤。

第一次聽說(shuō)風(fēng)扇的噪聲能影響到硬盤內(nèi)部工作的人，往往會(huì)覺得不可思議。其實(shí)這也并不神奇，因?yàn)槁曇艟褪强諝獾恼駝?dòng)，我們能聽到聲音也是因?yàn)榭諝獾恼駝?dòng)傳遞到耳道內(nèi)引起骨膜等一系列骨骼的振動(dòng)。風(fēng)扇的噪聲也一樣能引起它附近的硬盤內(nèi)部零部件的振動(dòng)。經(jīng)過調(diào)查，硬盤的磁頭尺寸竟然和耳蝸的尺寸差不多（1mm左右）。磁頭等尺度精密的零部件因?yàn)楦哳l噪聲激勵(lì)而發(fā)生共振，也屬正常。而且風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，它的高頻成分就越多，能量越大，因此高轉(zhuǎn)速風(fēng)扇會(huì)對(duì)硬盤造成明顯的的影響。

二、如何改善硬盤與機(jī)箱振動(dòng)的兼容性？

作為服務(wù)器系統(tǒng)的研發(fā)，首先我們應(yīng)該了解到機(jī)械硬盤的這種物理上的局限性，其次應(yīng)想方設(shè)法地提高硬盤和我們機(jī)箱和風(fēng)扇的兼容性。

OCP這個(gè)平臺(tái)是全球第一次把這么多公司的振動(dòng)、噪聲專業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)人員聚集在一起，有Facebook, Microsoft, Dell,浪潮，希捷，西部數(shù)據(jù)，還有類似BOYD的散熱風(fēng)扇、散熱器供應(yīng)商，大家的關(guān)系是友商、是供應(yīng)商與客戶、或是產(chǎn)業(yè)鏈的上下游的合作伙伴。

在OCP發(fā)起Storage Vibration（也即存儲(chǔ)設(shè)備振動(dòng)）項(xiàng)目之前，各個(gè)公司在相對(duì)隔離的條件下，研發(fā)著各自的產(chǎn)品和技術(shù)。由于每個(gè)公司對(duì)存儲(chǔ)、服務(wù)器發(fā)展的目標(biāo)有差異，花了兩年時(shí)間迭代出來(lái)的產(chǎn)品，如硬盤、主板、風(fēng)扇、機(jī)箱等，組裝起來(lái)時(shí)出現(xiàn)兼容性的問題。麻煩的是，這個(gè)兼容性問題不是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)裝配或者通訊協(xié)議匹配這些可以提前形成規(guī)范的東西，而是必須要硬盤、風(fēng)扇、機(jī)箱都有了樣品，組裝在一起才能試驗(yàn)出問題來(lái)；然而，一旦出現(xiàn)了問題就很難補(bǔ)救，除非重新設(shè)計(jì)。

因此各個(gè)公司不約而同的開始思考，如何把振動(dòng)、噪聲、硬盤的性能這些看不著、說(shuō)不清的抽象概念也形成規(guī)范設(shè)計(jì)？從2020年4月起，OCP Storage – Vibration項(xiàng)目組聚集了行業(yè)內(nèi)的一線研發(fā)人員，共同商討對(duì)策，統(tǒng)一測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，開放設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以期在硬盤容量、散熱風(fēng)扇并肩發(fā)展的趨勢(shì)中找到新的平衡點(diǎn)。

三、統(tǒng)一的測(cè)量系統(tǒng)

OCP Storage – Vibration的目標(biāo)是：Common Language and Tool。翻譯過來(lái)就是形成一套在各個(gè)公司之間都適用的溝通流程和技術(shù)術(shù)語(yǔ)，以及定義一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)量系統(tǒng)。

在此之前，各個(gè)公司都以不同的方式測(cè)量機(jī)箱里的振動(dòng)和噪聲，然后再去分析和解決問題。為了能讓麥克風(fēng)安裝在硬盤槽位內(nèi)，一般都是設(shè)計(jì)一個(gè)HDD Acoustic Surrogate（采集噪聲的硬盤假體），它的外形與硬盤相同，可以代替硬盤插入機(jī)箱內(nèi)部，由嵌入其中的高精度麥克風(fēng)采集噪聲信號(hào),配合前端數(shù)采組成一套測(cè)量系統(tǒng)。但是這里面涉及很多細(xì)節(jié)，每個(gè)細(xì)節(jié)的差異都會(huì)導(dǎo)致相同一個(gè)機(jī)箱的測(cè)量結(jié)果不同。大家知道，測(cè)量系統(tǒng)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)是沒辦法進(jìn)行比較的，更別提在不同的公司制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。所以O(shè)CP Storage小組里的各個(gè)公司把自己正在使用的方法和工具分享出來(lái)，然后共同測(cè)量一個(gè)機(jī)箱的噪聲信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)的相關(guān)性分析,并進(jìn)行優(yōu)劣勢(shì)的比較和細(xì)節(jié)整合，最后定義了一個(gè)Acoustic Surrogate的設(shè)計(jì)。

在OCP Storage – Vibration項(xiàng)目中，測(cè)量系統(tǒng)按照如下7個(gè)方面分別進(jìn)行討論：

1、麥克風(fēng)的選型和安裝位置

根據(jù)工藝，市面上麥克風(fēng)可以分為MEMS、ECM和ICP。MEMS和ECM麥克風(fēng)因其小巧的身材和低廉的成本，常用在手機(jī)、助聽器、耳機(jī)等消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品中，但其動(dòng)態(tài)范圍一般較窄，頻響曲線漂移較大，不能覆蓋服務(wù)器機(jī)箱內(nèi)的測(cè)量需求，而且經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其測(cè)量誤差在某些頻段高達(dá)60dB以上。因此高精度的ICP麥克風(fēng)成為Acoustic Surrogate中的首推之選。另外，機(jī)箱內(nèi)的空間緊湊，對(duì)麥克風(fēng)的尺寸限制非常嚴(yán)苛，最終選取了Grass 47BX，一顆1/4英寸的平頭安裝式（flush mount）麥克風(fēng)。

2、麥克風(fēng)的數(shù)量和方位

在各自設(shè)計(jì)的Acoustic Surrogate中，有的公司把麥克風(fēng)放在硬盤SAS/SATA接口的位置（靠近背板）；有的把多顆麥克風(fēng)以陣列的形式布置在硬盤的上表面；有的公司把麥克風(fēng)安裝在硬盤的上表面和下表面。根據(jù)不同方位采集到的噪聲信號(hào)與PES的相關(guān)性分析(correlation analysis)，最終發(fā)現(xiàn)：將麥克風(fēng)放置在上、下表面對(duì)應(yīng)碟片轉(zhuǎn)軸的位置，采集到的噪聲信號(hào)與PES的頻域相關(guān)性最好，也據(jù)此定義了麥克風(fēng)的數(shù)量和方位。

備注：Position Error Signal,磁頭置位誤差，與硬盤性能損失直接相關(guān)。

3、Acoustic Surrogate的材料

不同材料的聲阻抗不同，對(duì)聲音信號(hào)的測(cè)量結(jié)果是有影響的。一般來(lái)說(shuō)，聲阻抗應(yīng)不低于10，只要不是過軟的或者吸音的材料就可以使用。OCP推薦的材料是鋁合金。

4、數(shù)據(jù)采集硬件

數(shù)據(jù)采集硬件的選擇很多，只要能滿足2個(gè)通道的ICP信號(hào)采集，并且支持24位精度，以及40kHz采樣率，就可配合前文提到的麥克風(fēng)進(jìn)行服務(wù)器內(nèi)的噪聲采集。

5、數(shù)據(jù)采集參數(shù)

為了得到足夠的數(shù)據(jù)可以做有效的分析，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速平穩(wěn)后應(yīng)采集不少于10s的噪聲信號(hào)，采樣率不能低于40kHz。

6、測(cè)量信號(hào)的統(tǒng)計(jì)和分析方法

有的公司習(xí)慣于分布很多麥克風(fēng)然后求其平均值，有的公司則不做平均；有的公司對(duì)振動(dòng)和噪聲信號(hào)做倍頻程分析或者1/3倍頻程分析，有的公司則習(xí)慣于用窄帶FFT來(lái)分析。OCP-Storage小組內(nèi)討論的結(jié)果是，同一個(gè)Acoustic Surrogate的2顆麥克風(fēng)的信號(hào)應(yīng)不計(jì)平均，單獨(dú)進(jìn)行無(wú)計(jì)權(quán)1/3倍頻程分析，并繪制風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別彩圖，作為公司之間技術(shù)交流的依據(jù)。以下為一個(gè)噪聲數(shù)據(jù)的范例。

風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別彩圖的劃分方式尚無(wú)統(tǒng)一定義，由各個(gè)公司分別定義，以上只是OCP給出的一個(gè)范例。在劃分風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，應(yīng)使得大多數(shù)機(jī)箱都落在黃色（中風(fēng)險(xiǎn)）區(qū)域。

目前介紹Acoustic Surrogate的規(guī)格書已經(jīng)發(fā)布到OCP官網(wǎng)上，可以直接點(diǎn)擊鏈接https://www.opencompute.org/documents/spec-pdf下載，或者在OCP官網(wǎng)進(jìn)入contribution頁(yè)面搜索【HDD dynamics】。OCP官網(wǎng)上也同步公開了3D圖，供各個(gè)公司自由獲取并制作、使用。OCP-Storage小組內(nèi)的公司也基本上都已經(jīng)按照這個(gè)規(guī)格加工出一些Acoustic Surrogate，在研發(fā)早期階段就可以開始采集機(jī)箱硬盤槽內(nèi)的噪聲，然后與硬盤廠、風(fēng)扇廠聯(lián)合進(jìn)行服務(wù)器、存儲(chǔ)機(jī)箱內(nèi)的聲學(xué)設(shè)計(jì)。下一步OCP Storage項(xiàng)目組將對(duì)硬盤安裝環(huán)境的振動(dòng)測(cè)量工具、方法進(jìn)行討論和定義。最終可能會(huì)發(fā)布一個(gè)全新的工具，集噪聲、振動(dòng)采集的功能于一體。

四、浪潮的實(shí)踐

浪潮始終活躍在OCP等開放計(jì)算的社區(qū)中，貢獻(xiàn)我們的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，也堅(jiān)持第一時(shí)間把OCP最先進(jìn)的方法帶到公司內(nèi)應(yīng)用和實(shí)踐。目前浪潮已經(jīng)開始使用OCP Acoustic Surrogate，是中國(guó)第一家掌握這項(xiàng)技術(shù)并按照OCP規(guī)范加工自己的Acoustic Surrogate的公司。我們不僅擁有OCP定義的3.5”HDD Acoustic Surrogate，而且自主設(shè)計(jì)了2.5”HDD Acoustic Surrogate，在HDD Vibration Surrogate(采集振動(dòng)的硬盤假體)的應(yīng)用中也積累了一些經(jīng)驗(yàn)，可以進(jìn)行各種服務(wù)器、存儲(chǔ)機(jī)箱的噪聲和振動(dòng)信號(hào)分析，結(jié)合硬盤的敏感度曲線可以在研發(fā)早期進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并輔助機(jī)箱和風(fēng)扇的聲學(xué)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。

下面是一個(gè)短視頻，介紹浪潮在OCP Acoustic Surrogate的實(shí)踐。

OCP China Day 2021 – 分論壇3 – OCP服務(wù)器存儲(chǔ)模塊振動(dòng)（Vibration）項(xiàng)目-實(shí)驗(yàn)

感謝我的同事葉毓睿、王嵩凱對(duì)本篇文章、視頻的貢獻(xiàn)。

擴(kuò)展閱讀：

1、OCP Storage項(xiàng)目組 Vibration規(guī)范

https://www.opencompute.org/documents/spec-pdf

2、OCP China Day 2021 – 分論壇3 – OCP存儲(chǔ)設(shè)備振動(dòng)項(xiàng)目【視頻】

https://mudu.tv/live/watch/general?id=lj8bke2m&key=9ef192aaae74fbc41b5b6bdcd807f436&type=assign

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