加固服務器兼容性和可靠性研究

符旭才，符運杰

（1.研祥智能科技股份有限公司研發中心，廣東深圳 518107；2.國家特種計算機工程技術研究中心，廣東深圳 518107）

0 引言

目前航天、航空、航海、野戰等軍事領域中的各種應用系統中大量使用了各種各樣的計算機，由于這些軍用系統基本上都工作在惡劣的、復雜的機械干擾和電磁干擾環境中[1]，需要面對高溫、低溫、潮濕、霉菌、沙塵、強烈振動等惡劣狀況。當結構本身不能有效地克服因機械力引起的材料疲勞、結構諧振等對電氣性能的影響時，其可靠性將無從保證[2]。要能夠適應交叉、多變、立體、機動、連續的現代化戰爭，就必須選擇、應用和發展高性能特殊研制的抗惡劣環境計算機，即通常簡稱的“加固機”[3]。本文主要選取加固服務器，對其加固方式進行介紹。

機箱式加固服務器要求具有良好的抗震，抗沖擊性能，保證適應于車載、機載、艦載等武器裝備上，這就要求服務器在設計時必須要考慮具備較好的可靠性。目前市場上的2U加固服務器呈現快速增長的需求態勢，同時客戶對產品提出了各種不同的需求，對于機器后部的I/O接口有航插接口和標準接口形式兩種需求，對于電源有直流電源和交流電源兩種需求，對于機器的安裝方式有19′′機柜安裝和上架安裝兼容需求，對于機器內部的USB KEY有加固兼容需求?；谝陨闲枨?，通過在已有設備的基礎上，針對原有的缺陷或新的工作要求，從工作原理、機構、結構、參數、尺寸等方面進行一定的改進設計，以提高設備質量、可靠性等，使設備滿足新的工作要求[4]，這種改型設計符合結構創新設計方法。因此在結構上進行優化，設計一款兼容性較高的機箱，能滿足以上各種需求，降低設計時間，快速響應客戶的需求，大大縮短產品的交付周期，具有十分重要的意義。本文從高兼容性和高可靠性兩方面介紹一種結構兼容性較高的2U加固服務器。

1 高兼容性

本文介紹的2U加固服務器在設計時主要是考慮設計通用性的機箱，使機器安裝兼容19′′機柜安裝和上架安裝要求，機箱安裝的I/O接口兼容標準接口和航插接口，安裝的電源兼容直流電源和交流電源等，同時設計的機箱的外形尺寸較小，滿足大部分應用場合的要求，是一款兼容性很高的機箱。

如圖1所示，前面板設計19′′標準機柜的安裝孔；上架時如圖2所示，利用機箱側面的安裝孔安裝導軌。

圖1 19′′標準機柜的安裝孔

圖2 機箱側面導軌安裝孔

當客戶要求后I/O接口采用航插接口形式時，對于機箱內部，如圖3所示，將主板加強板前置安裝，利用機箱上的9個壓鉚螺釘的位置，用M3螺母鎖緊主板加強板，然后將主板安裝在主板加強板上，如圖4所示。對于機箱外部，如圖5所示，先將航空插頭裝到航插接口I/O支架上，再將航插接口I/O支架安裝到機箱內壁，用6顆螺釘固定，通過設計不同的I/O支架即可滿足不同客戶對各類航插的需求。

圖3 主板加強板前置安裝

圖4 主板前置安裝

圖5 航插接口I/O支架安裝

當客戶要求后I/O接口采用標準接口形式時，對于機箱內部，如圖6所示，將主板加強板后置安裝，利用機箱上的9個壓鉚螺釘的位置，用M3螺母鎖緊主板加強板，然后將主板安裝在主板加強板上，如圖7所示。對于機箱外部，如圖8所示，將標準接口I/O支架安裝到機箱內壁，用6顆螺釘固定。

圖6 主板加強板后置安裝

圖7 主板后置安裝

圖8 標準接口I/O支架安裝

當客戶要求使用直流電源時，使用直流電源安裝支架，即可將直流電源固定在機箱內，如圖9所示。

圖9 直流電源安裝

當客戶要求使用交流電源時，使用交流電源固定支架，即可將交流電源固定在機箱內。同時，交流電源接口的連接器需用固定支架進行加固，提高連接器連接的可靠性。如圖10所示。

圖10 交流電源安裝

2 U加固服務器的外形尺寸：機箱規格為2 U；機箱尺寸為寬425 mm×深510 mm×厚88.1 mm（不含把手和前面板）；面板尺寸為寬482.6 mm×高88.1 mm×厚8 mm。如圖11所示。

圖11 外形尺寸圖

2 高可靠性

在軍用電子設備所處的工作環境中，各種機械力和干擾形式都有可能對設備造成危害，其中危害最大的是振動和沖擊。防振動、抗沖擊設計主要采用加固設計。所謂“加固設計”，是指確定并加固電子設備結構上的薄弱環節，提高設備固有頻率，使其容許沖擊應力和疲勞極限高于其實際響應值[5]。2 U加固服務器作為軍用電子設備，其振動需滿足5～17 Hz/1 mm振幅，17～200 Hz/1g峰-峰加速度，隨機振動滿足車載的振動需求，除了機箱采用整體焊接工藝，增加機箱的剛度，還需要對機箱內的重要部件的抗震能力提出了較高的要求，為此從結構上對主板、CPU、內存條、PCI-E卡、內置I/O接口、USB KEY等進行加固設計。根據每個部件在強度和剛度方面的要求，通過結構優化、集中應力、改進受力等工序增大強度[6]，從而保證服務器比較高的可靠性。

主板的加固主要是考慮主板安裝在機箱內，經受振動時，由于主板的外形尺寸較大，對應機箱內的安裝區域變形時，會導致主板的變形。通過在機箱內增加主板加強板，可以提高主板在機箱內的安裝區域的強度，如圖12所示，在主板下方增加了主板加強板。

圖12 主板加強板和CPU加固塊的結構形式

CPU的加固主要是考慮主板的CPU的功率較大，為保證良好的散熱效果，CPU上選用的散熱器為自帶風扇的結構形式，如圖13所示。該散熱器較重，對應在主板的安裝區域內的壓力較大，由于該區域對應的主板背面為中空狀態，因此通過在背面增加CPU加固塊，提高了該區域的抗震能力。如圖12所示，在CPU對應的主板背面增加CPU加固塊。CPU加固塊是通過螺釘和機箱底部連接的，但會隨著主板的安裝位置移動而變更位置，如前述圖3和圖6所示，從主板加強板前置安裝到主板加強板后置安裝移動的距離，這個距離設計成剛好是CPU加固塊左右方向的安裝孔的距離，這就使得機箱的底部只有4個孔是不安裝任何零件的，同時這4個孔被主板加強板遮蔽了，使得整個機箱底部外露的孔極為簡潔。以上設計不但進行了防振動設計，還考慮了防振動的可靠性[7]。

圖13 自帶風扇型散熱器

內存條的加固主要是考慮內存條固定在主板的內存槽上，用內存槽自帶的固定夾卡緊內存條時，無法承受較高的振動等級，導致內存條失效。通過在內存條上增加內存加固支架，并通過泡棉壓緊內存條，大大提高內存條的抗震能力。此處的設計是在進行模態分析和靜力分析的基礎上，選用合適的隔離器和設計合理的布置方式[8]，對內存條進行加固，滿足抗振動沖擊設計。如圖14所示。

圖14 內存條的加固

PCI-E卡的加固主要是考慮PCI-E卡較長，將PCI-E卡的鍵仔固定在機箱內，單一支點的固定方式，無法保證PCI-E卡能通過較高的振動等級。通過在PCI-E卡上增加擴展卡加固支架，并通過泡棉壓緊內存條，大大提高PCI-E卡的抗震能力。如圖15所示。

圖15 PCI-E卡的加固

內置I/O接口的加固主要是考慮當后I/O接口采用航插接口形式時，機箱內主板上的I/O接口處的連接器沒有進行加固，無法承受較高的振動等級，連接器很容易脫落。通過在機箱內主板上的各種I/O接口處的連接器周圍增加內置I/O接口加固支架，并通過泡棉壓緊，增強了I/O接口處的連接器的抗震能力。如圖16所示。

圖16 內置I/O接口處的連接器的加固

USB KEY的加固主要是考慮主板上的USB連接器處插入USB KEY時，在較高的振動等級下，USB KEY存在失效的風險。通過在USB KEY上增加USB KEY加固支架，增強了USB KEY的抗震能力。并且不管主板前置安裝，還是后置安裝，USB KEY均有加固的位置。如圖17所示。

圖17 USB KEY的加固

3 結束語

本文通過在結構方面，從高兼容性和高可靠性兩方面詳述一種結構兼容性較高的2U加固服務器，并通過實驗樣機進行驗證，這樣一款服務器集成了多種加固方式和多種兼容性的設計，以客戶的需求為導向，極大地節約了設計成本，縮短了產品的交付周期，提高了產品的市場競爭力，同時為加固類產品的方案設計提供參考依據。