堅固耐用的設計出自聰明的選擇

April 13, 2017 Majeed Ahmad

極端溫度、 強烈震動、 危險化學物質。

以上種種挑戰在嚴苛的環境裡都只是冰山一角。 為了打造經得起嚴峻條件的設備,工程師必須對元件、機殼及軟體的設計下對決策。 以下是搞定設計的訣竅。

堅固耐用設計準則

唯有堅固耐用的設計才能通過不同人對不同事物的考驗。 在物流系統上就是指如何對付發出隆隆聲響的汽車。 在電網上就是指如何對抗惡劣天氣的考驗。

雖然以上種種都是獨一無二的應用情形,不過面對的需求通常就是溫度、衝擊、震動、灰塵及潮溼等問題。
關鍵問題包含:

1. 溫度

嚴苛環境經常處於極端溫度中,不是極熱、極冷就是溫差極大。 因此堅固耐用設計中的所有元件都必須通過規定才能耐受相關的溫度範圍。

溫度也是主機板和系統層級要考量的重要因素。 例如,當散熱光譜處於高點和低點時,要讓訊號完整就會變得很困難。 因此,堅固耐用的設計必須在標準商業速度之外,再留多一點餘地。

2. 灰塵和潮溼

灰塵、潮溼及其他環境危險也經常司空見慣。 有的情況會使用像是特殊主機板塗層的技術來解決這些問題。

但其他情況就要用到密封的無風扇設計才能隔離這些危險。 然而循此途徑也經常產生第二個有關散熱的問題。

3. 散熱

讓堅固耐用的設備保持冷卻這件事,可說是場艱鉅的挑戰,尤其是在炎熱環境下運作的無風扇設計更是如此。 對付這種挑戰的方法很多,包括散熱片外殼這種讓整個機殼當作其中散熱器的方法就是一例,不過選擇低功耗元件才是明顯可以著手的一個地方。

各種工業用處理器常常都運作得較慢一些,所以才不必散去那麼多熱能。 記憶體也是同樣的狀況。 工業版本的記憶體通常運作較慢,這樣才能在大範圍溫度中可靠地運作下去。 但是運作較慢的零件也較難滿足效能目標。

4. 衝擊和震動

衝擊和震動本身就足以使系統四分五裂。 為了避免機械故障,舉凡如何將元件安裝於主機板上,到外接 I/O 如何連接至機殼等問題,工程師都必須有全盤的考量。

主機板設計尤其是特別重要的因素。 PCB 本身可以多達 32 層。 必須要有一套特定設計規則,才能確保高速訊號經得起各種熱能範圍和震動模式的考驗並運作良好。 例如,很多時候會需要進入 PCB 上的裝置配置並疊起實際層板。

對於高速訊號來說,例如新一代乙太網路和即將來臨的第 4 代 PCI Express,這種挑戰只會增加不會減少。 在工業主機板能耐受的溫度範圍和震動模式之下,速率越高反而會使情況越棘手。

定義何謂成功

那麼一個成功的堅固耐用設計會是什麼樣子?壽命絕對是重要關鍵。 堅固耐用的設備通常可服役多年,有時甚至長達數十年之久。 寇帝斯-萊特 (Curtiss-Wright) 防禦解決方案的資深產品經理 Marc Couture 表示:「客戶必須知道裝置的預期使用年限。」

平均故障間隔時間也非常重要。 Couture 補充說道:「每做一個專案,我們幾乎都會被問到產品平均故障間隔的問題。」

另一個考量重點就是,工業元件成本高於商業元件成本。 Couture 說:「我們用來加強工業模組的金屬、包圍金屬的罩殼,還有熱管等,全都會影響到成本。」

選擇堅固耐用的主機板

把主機板變得堅固耐用,從這點著手一切就會比較好辦。 寇帝斯-萊特的 CHAMP-XD2 就是很好的例子,它是具備前所未有 DSP 功耗的 VPX 模組,適用於嚴苛的內嵌運算環境。

CHAMP-XD2 的設計肇始於 Intel® Xeon® 雙處理器 (圖 1)。 Xeon D 處理器具備散熱設計功耗 (TDP) 19 至 65 瓦的額定值,跟一般伺服器級的處理器在 50 至 120 瓦的 TDP 中運作截然不同。 這種低功耗額定值能讓晶片適用於無風扇的應用情況。

圖 1. CHAMP-XD2 主機板會用到兩個延伸溫度的 Intel® Xeon® D 處理器,每個處理器都具備 8 至 16 個核心。 (資料來源:寇帝斯-萊特公司)

Intel Xeon D 處理器的操作環境條件額定為 40° C 至 85° C,再次跟資料中心規範背道而馳。 Couture 點出此項特色,「讓設計師能確保即使在最炙熱的卡緣上,也不會發生節流狀況。」

其餘模組也都沿用堅固耐用又可隨時取用的設計。 上至記憶體,下至二極體、連接器、噴射器手柄等所有元件, 在設計上都要耐得了惡劣條件。

接著,寇帝斯-萊特公司還採用跟模組所需冷卻方法一致的金屬框架。 Couture 說:「你得在想要散出多少熱能和想要模組多輕盈之間有所權衡,而且往往是在銅和鋁之間取捨。」

不過有時也不只是精簡料件,或把冷卻板跟熱元件送作堆那麼簡單。 寇帝斯-萊特公司還會採用像是熱管的互補技巧,把熱能有效率地轉送出去。 Couture 補充說:「關鍵不只在能散出多少熱,還包括能多快散熱。」。

把機殼變得堅固耐用

機殼所需的堅固耐用功夫不亞於散熱卡所需的程度。 金屬外殼就是其中最好的做法,它能把模組的熱能盡量散出去並經得起震動的考驗。

在炎熱的環境中,傳導冷卻卡會使用熱能交換器盡全力把熱散出去。 側壁的溫度越低就越容易冷卻處理器,進而延長它的使用壽命。

值得一提的是 VPX 模組會透過堅固的連接器插入背板 (圖 2)。 連接器能牢牢地穩住模組,讓模組固定在背板上。 有些情況會使用隔離機制來確保模組不會受到震動的完全衝擊。

圖 2. 堅固耐用的連接器能經得起過度炎熱和過度震動的情況。 (資料來源:寇帝斯-萊特公司)

軟體至關重要

Couture 補充說明軟體也扮演了重要角色,而且可能會使機件運轉變得比所需情況更熱:「有了架構良好的處理器和程式碼編寫良好的軟體,Intel Xeon D 就能以降低 5 至 10 瓦的功耗做好相同的工作。」

這就是寇帝斯-萊特 OpenHPEC 開發工具派上用場的地方,它能識別是否有不必要的 CPU 週期耗損情形,幫助資料流變得更順暢。 CHAMP-XD2 堅固耐用模組也是由一套韌體、作業系統、通訊 API 及訊號處理程式庫做為支援後盾。

把艱難設計變簡單

對付嚴苛環境的極端條件從來就不是件易事,不過若能早點做出聰明一點的架構決策,事情就會變得簡單許多。 選擇對的處理器、對的主機板和對的機殼,就是好的開始。

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