加固服务器兼容性和可靠性研究

符旭才，符运杰

（1.研祥智能科技股份有限公司研发中心，广东深圳 518107；2.国家特种计算机工程技术研究中心，广东深圳 518107）

0 引言

目前航天、航空、航海、野战等军事领域中的各种应用系统中大量使用了各种各样的计算机，由于这些军用系统基本上都工作在恶劣的、复杂的机械干扰和电磁干扰环境中[1]，需要面对高温、低温、潮湿、霉菌、沙尘、强烈振动等恶劣状况。当结构本身不能有效地克服因机械力引起的材料疲劳、结构谐振等对电气性能的影响时，其可靠性将无从保证[2]。要能够适应交叉、多变、立体、机动、连续的现代化战争，就必须选择、应用和发展高性能特殊研制的抗恶劣环境计算机，即通常简称的“加固机”[3]。本文主要选取加固服务器，对其加固方式进行介绍。

机箱式加固服务器要求具有良好的抗震，抗冲击性能，保证适应于车载、机载、舰载等武器装备上，这就要求服务器在设计时必须要考虑具备较好的可靠性。目前市场上的2U加固服务器呈现快速增长的需求态势，同时客户对产品提出了各种不同的需求，对于机器后部的I/O接口有航插接口和标准接口形式两种需求，对于电源有直流电源和交流电源两种需求，对于机器的安装方式有19′′机柜安装和上架安装兼容需求，对于机器内部的USB KEY有加固兼容需求。基于以上需求，通过在已有设备的基础上，针对原有的缺陷或新的工作要求，从工作原理、机构、结构、参数、尺寸等方面进行一定的改进设计，以提高设备质量、可靠性等，使设备满足新的工作要求[4]，这种改型设计符合结构创新设计方法。因此在结构上进行优化，设计一款兼容性较高的机箱，能满足以上各种需求，降低设计时间，快速响应客户的需求，大大缩短产品的交付周期，具有十分重要的意义。本文从高兼容性和高可靠性两方面介绍一种结构兼容性较高的2U加固服务器。

1 高兼容性

本文介绍的2U加固服务器在设计时主要是考虑设计通用性的机箱，使机器安装兼容19′′机柜安装和上架安装要求，机箱安装的I/O接口兼容标准接口和航插接口，安装的电源兼容直流电源和交流电源等，同时设计的机箱的外形尺寸较小，满足大部分应用场合的要求，是一款兼容性很高的机箱。

如图1所示，前面板设计19′′标准机柜的安装孔；上架时如图2所示，利用机箱侧面的安装孔安装导轨。

图1 19′′标准机柜的安装孔

图2 机箱侧面导轨安装孔

当客户要求后I/O接口采用航插接口形式时，对于机箱内部，如图3所示，将主板加强板前置安装，利用机箱上的9个压铆螺钉的位置，用M3螺母锁紧主板加强板，然后将主板安装在主板加强板上，如图4所示。对于机箱外部，如图5所示，先将航空插头装到航插接口I/O支架上，再将航插接口I/O支架安装到机箱内壁，用6颗螺钉固定，通过设计不同的I/O支架即可满足不同客户对各类航插的需求。

图3 主板加强板前置安装

图4 主板前置安装

图5 航插接口I/O支架安装

当客户要求后I/O接口采用标准接口形式时，对于机箱内部，如图6所示，将主板加强板后置安装，利用机箱上的9个压铆螺钉的位置，用M3螺母锁紧主板加强板，然后将主板安装在主板加强板上，如图7所示。对于机箱外部，如图8所示，将标准接口I/O支架安装到机箱内壁，用6颗螺钉固定。

图6 主板加强板后置安装

图7 主板后置安装

图8 标准接口I/O支架安装

当客户要求使用直流电源时，使用直流电源安装支架，即可将直流电源固定在机箱内，如图9所示。

图9 直流电源安装

当客户要求使用交流电源时，使用交流电源固定支架，即可将交流电源固定在机箱内。同时，交流电源接口的连接器需用固定支架进行加固，提高连接器连接的可靠性。如图10所示。

图10 交流电源安装

2 U加固服务器的外形尺寸：机箱规格为2 U；机箱尺寸为宽425 mm×深510 mm×厚88.1 mm（不含把手和前面板）；面板尺寸为宽482.6 mm×高88.1 mm×厚8 mm。如图11所示。

图11 外形尺寸图

2 高可靠性

在军用电子设备所处的工作环境中，各种机械力和干扰形式都有可能对设备造成危害，其中危害最大的是振动和冲击。防振动、抗冲击设计主要采用加固设计。所谓“加固设计”，是指确定并加固电子设备结构上的薄弱环节，提高设备固有频率，使其容许冲击应力和疲劳极限高于其实际响应值[5]。2 U加固服务器作为军用电子设备，其振动需满足5～17 Hz/1 mm振幅，17～200 Hz/1g峰-峰加速度，随机振动满足车载的振动需求，除了机箱采用整体焊接工艺，增加机箱的刚度，还需要对机箱内的重要部件的抗震能力提出了较高的要求，为此从结构上对主板、CPU、内存条、PCI-E卡、内置I/O接口、USB KEY等进行加固设计。根据每个部件在强度和刚度方面的要求，通过结构优化、集中应力、改进受力等工序增大强度[6]，从而保证服务器比较高的可靠性。

主板的加固主要是考虑主板安装在机箱内，经受振动时，由于主板的外形尺寸较大，对应机箱内的安装区域变形时，会导致主板的变形。通过在机箱内增加主板加强板，可以提高主板在机箱内的安装区域的强度，如图12所示，在主板下方增加了主板加强板。

图12 主板加强板和CPU加固块的结构形式

CPU的加固主要是考虑主板的CPU的功率较大，为保证良好的散热效果，CPU上选用的散热器为自带风扇的结构形式，如图13所示。该散热器较重，对应在主板的安装区域内的压力较大，由于该区域对应的主板背面为中空状态，因此通过在背面增加CPU加固块，提高了该区域的抗震能力。如图12所示，在CPU对应的主板背面增加CPU加固块。CPU加固块是通过螺钉和机箱底部连接的，但会随着主板的安装位置移动而变更位置，如前述图3和图6所示，从主板加强板前置安装到主板加强板后置安装移动的距离，这个距离设计成刚好是CPU加固块左右方向的安装孔的距离，这就使得机箱的底部只有4个孔是不安装任何零件的，同时这4个孔被主板加强板遮蔽了，使得整个机箱底部外露的孔极为简洁。以上设计不但进行了防振动设计，还考虑了防振动的可靠性[7]。

图13 自带风扇型散热器

内存条的加固主要是考虑内存条固定在主板的内存槽上，用内存槽自带的固定夹卡紧内存条时，无法承受较高的振动等级，导致内存条失效。通过在内存条上增加内存加固支架，并通过泡棉压紧内存条，大大提高内存条的抗震能力。此处的设计是在进行模态分析和静力分析的基础上，选用合适的隔离器和设计合理的布置方式[8]，对内存条进行加固，满足抗振动冲击设计。如图14所示。

图14 内存条的加固

PCI-E卡的加固主要是考虑PCI-E卡较长，将PCI-E卡的键仔固定在机箱内，单一支点的固定方式，无法保证PCI-E卡能通过较高的振动等级。通过在PCI-E卡上增加扩展卡加固支架，并通过泡棉压紧内存条，大大提高PCI-E卡的抗震能力。如图15所示。

图15 PCI-E卡的加固

内置I/O接口的加固主要是考虑当后I/O接口采用航插接口形式时，机箱内主板上的I/O接口处的连接器没有进行加固，无法承受较高的振动等级，连接器很容易脱落。通过在机箱内主板上的各种I/O接口处的连接器周围增加内置I/O接口加固支架，并通过泡棉压紧，增强了I/O接口处的连接器的抗震能力。如图16所示。

图16 内置I/O接口处的连接器的加固

USB KEY的加固主要是考虑主板上的USB连接器处插入USB KEY时，在较高的振动等级下，USB KEY存在失效的风险。通过在USB KEY上增加USB KEY加固支架，增强了USB KEY的抗震能力。并且不管主板前置安装，还是后置安装，USB KEY均有加固的位置。如图17所示。

图17 USB KEY的加固

3 结束语

本文通过在结构方面，从高兼容性和高可靠性两方面详述一种结构兼容性较高的2U加固服务器，并通过实验样机进行验证，这样一款服务器集成了多种加固方式和多种兼容性的设计，以客户的需求为导向，极大地节约了设计成本，缩短了产品的交付周期，提高了产品的市场竞争力，同时为加固类产品的方案设计提供参考依据。