טכנולוגיית ביטול ריטוט חדשה עבור שרתי תקשורת מותקנים בכוננים, מבטיחה אמינות מרבית ושמירה על ביצועים גבוהים

Keith Taylor, Kontron

כנראה יותר מאשר בכל ענף תעשייה אחר, יישומי רישות עבור השוק הצבאי דורשים זמן של פעולה תקינה, ביצועים ואמינות גבוהים. כדי להישאר תחרותיים, יצרני פתרונות שרתים (servers) צריכים להעריך, לפתח ולתגבר בהתמדה טכנולוגיות ורכיבים משולבים כדי לענות לצורכי תעשייה תובענית זו. בנוסף לאתגר זה, ספקי פתרונות שרתים חייבים לספק מוצרים העונים לדרישות של אריכות-החיים של המערכת במשך חמש שנים או יותר.
אם כי הדבר לא נדרש במיוחד עבור יישומים צבאיים, מתכנני המערכות עשויים לבחור בפתרונות שרת carrier-grade העונים לדרישות המחמירות של NEBS (Network Equipment Building Systems) אשר נקבעו עבור שוק הטלקומוניקציה או הcentral office. תכונות בcarrier-grade בשרתים אלה ישימות מאוד עבור מערכות הנפרשות בסביבות קיצוניות ומוגבלות-מרחב של המטוסים והספינות הצבאיים ומרכזי הנתונים בשדה. שרתים המיועדים לדרישות מחמירות אלה מסייעים להבטחת פעולה אמינה ביותר בתנאים קשים כגון שינויי טמפרטורה נרחבים, גובה רב וחשיפה מוגברת להלם וריטוט (vibration).
בצירוף היכולת לשמש כאבני בניין תקניות עבור תחום נרחב של יישומים בשווקים צבאיים, תעופתיים וממשלתיים, שרתי תקשורת מותקנים בכוננים הוכיחו בהתמדה אמינות ארוכת-חיים תחת תנאים קשים. שרתים תואמי NEBS-3 אלה עשויים להוות פיתרון מיטבי עבור מגוון מערכות תשתית רשת צבאיות הכוללות מיתוג, אכסון, הספקת תוכן, גילוי ומניעת פריצות, VPN/firewall (חומת אש/רשת פרטית מדומה)  וניהול איומים מאוחד. החשיבות הקריטית של תשתית התקשורת לשוק הצבאי של היום מחייבת רכיבים בעלי איכות עליונה.

אמינות מובטחת בעזרת בדיקה וניתוח
שרתים העונים לתקני NEBS הם בחירה מצוינת עבור יישומים צבאיים רבים, מאחר שהם מתוכננים לעמוד בתנאי סביבה קיצוניים הרבה מעבר לדרוש מציוד תקני ברמת-מפעל. בעוד מערכות אלו אינן מתאימות לתנאי סביבה קיצוניים ביותר כגון טנקים או מטוסי-קרב, ישנם הרבה מתקנים קרקעיים, מושטים או אף מבוססי-מטוסים גדולים אשר תנאי הסביבה שלהם דומים לאלה המוגדרים על-ידי מפרטי NEBS. מפרטים אלה מתייחסים גם לסוגיות קריטיות עבור ציוד צבאי כולל טמפרטורה ולחות, הלם וריטוט, כיבוי שריפות, אבטחה ופליטות ומזהמים אוויריים.
חיוני שקבלני מערכות צבאיות יקחו דוגמה מספקי שרתים מנוסים, אמינים עבור ציוד המתוכנן מתחילתו לעמוד בתנאי סביבה מחמירים אלה. קבלנים המנסים להשתמש בציוד שנבנה במקור עבור מתקנים מסחריים רגילים אך עבר “הקשחה” בהיבטים מסוימים של התכנון, יגלו ככלל שאלה אינם עומדים בדרישות המלאות ויגרמו לעתים קרובות לעלויות נוספות והשהיות בתכנית שלהם בשעה שמגרעות אלו מתגלות. תחת זאת, הם ייהנו מספקים המסוגלים להוכיח את תכונות הקשיחות של השרתים שלהם באמצעות תהליך בדיקה וניתוח מדוקדק.
הקבלנים יכולים להיות סמוכים שהיכולות המוכרזות על-ידי מערכות התואמות-NEBS הן מוצדקות מאחר שהן מגובות על-ידי בדיקות מעמיקות המנוהלות בידי מעבדת בדיקות עצמאית ומתועדות בדו”ח בדיקות מפורט.
ריטוט משפיע על אמינות וביצועי המערכות
מתכנני מערכות רבים גילו רק לאחרונה שהריטוט יכול להשפיע משמעותית על אמינות וביצועי המערכת. בעבר, ריטוט נחשב לבעיה הבאה לידי ביטוי בחלקים המכניים של המערכת בלבד: מהדקים מתרופפים, קטיעות כבלים או ניתוקים, כרטיסים מתנתקים וכד’. אך עתה צץ גורם אשמה חדש בצורת כונן דיסקים וביצועי מערכת כלליים מצומצמים. מאחר שהלם וריטוט הם חלק כה צפוי של רוב המתקנים הצבאיים, הקבלנים צריכים לוודא שהציוד שהם מגדירים יכול לעמוד בריטוט ממקורות כגון ציוד כבד, כלי רכב, גנרטורים, מנועים או סוגי מכונות אחרים הפועלים במתקני הרשת או בסביבתו.
אם כן, האם לריטוט יכולה להיות השפעה בולטת על ביצועי המערכת? כחלק מניתוח מתמשך ובאמצעות בדיקה פנימית על-ידי ספק שרתים, Kontron, נמצא שהמערכות סובלות מהפסד ביצועים בלתי-צפוי כאשר חושפים אותן לטמפרטורות קיצוניות. לאחר בדיקה מדוקדקת, הסיבה צומצמה להפעלת הכונן הקשיח, אשר נחשף לסנכרון חוזר מופרז של ראשי הכוננים בשל הריטוט הנוסף שנגרם על-ידי העלאת מהירות המאווררים כתגובה לשינויי הטמפרטורה. Kontron יזמה מיד הערכה נרחבת של הדרך בה הריטוט משפיע על כוננים קשיחים, במטרה לגלות את מקורות הריטוט ולמצוא את הפתרונות הטובים ביותר כדי להקטין את ההשפעה השלילית שיש לריטוט על ביצועי המערכת. אם הריטוט בתוך המערכת הפריע לביצועי הכונן הרגישים, קל לדמיין כיצד ריטוט חיצוני השכיח במתקנים צבאיים עלול לסכן מערכות.

הסיבה והתוצאות המזיקות
מאווררי מערכות המשמשים לניהול התרמי הם המקור העיקרי של ריטוט הנוצר-בפנים. מאחר שהמערכות בעלות ההספקים הגבוהים יותר של היום דורשות ניהול תרמי מוגבר המתבצע לרוב באמצעות זרימת אוויר מוגברת, על המאווררים היה להגביר משמעותית את מהירות הסיבוב שלהם, כאשר מאווררים מסוימים מסתובבים עתה ביותר מ-18,000 סל”ד. מהירויות מאוורר גבוהות יותר גרמו לעליית האמפליטודה והתדר של ריטוט המערכת כדי לשמור על מפרטי קירור המערכת.
כיום כונני דיסקים הם יותר רגישים מאשר אי-פעם לריטוט, דבר שגרם לקשיי ביצועים יותר חמורים. הרגישות של כונני דיסקים נובעת ממהירויות הסיבוב המוגברות שלהם וצפיפויות הביט הגבוהות יותר, אשר גרמו לרגישות וחשיפה מוגברות להלם וריטוט. כאשר אתה מצרף את הפגיעוּת של כונן דיסקים עם ניהול תרמי של מאווררי מערכת במהירויות גבוהות יותר, ברור שכיום ציוד הרישות חייב להתייחס לריטוט כלאיום ממשי על ביצועי המערכת.
סוגיות ביצועים הנובעות מריטוט מוגבר לא חייבות להיות בולטות מידית. ירידה בביצועי המערכת יכולה להיגרם על-ידי רשימה ארוכה של בעיות חומרה או תוכנה אחרות. מה שמצביע על סיבת הריטוט היא המידה שהירידה נוצרת כאשר המאווררים מסתובבים במהירויות גבוהות, כמו כאשר המערכת מגיבה לטמפרטורות סביבה עולות. המשתמש יכול לבחון שכאשר טמפרטורת הסביבה עולה, ביצועי המערכת נופלים. או ניתן לעמוד על קשר בין איבוד הביצועים עם הפעולה של ציוד סמוך היוצר ריטוט משמעותי. אפשר לבחון בהמשך שבגבולות מסוימים, המערכת יכולה להידרדר עד לנקודה בה הכונן עובר למצב “לא-מקוון” או גרוע מזה, המערכת קורסת. זוהי בוודאי לא תגובה סבירה עבור מערכת קריטית-למשימה.

התקדמות בטכנולוגיות ביטול הריטוט
מסיבה זו, טכנולוגיות ביטול הריטוט חדשות וחדשניות משולבות עתה בתוך שרתי התקשורת המותקנים בכוננים אשר מפחיתים בצורה משמעותית את השפעות הריטוט בתוך האושיה. טכניקות חדשות אלה מעניקות למשתמשים את היתרון להפעיל מערכות צפופות יותר בטמפרטורות גבוהות יותר או באזורים החשופים לרטט חיצוני, כך שהמשתמשים יכולים לפרוס את הפתרונות שלהם בסביבות שהיו בלתי-נגישות בעבר. בנוסף, הם נהנים מהיכולת להשתמש במגוון רחב יותר של סוגים וגדלים של דיסקים קשיחים, במקום להיות מוגבלים למעט התקנים “קשוחים ביותר”. צפוי שהדיסקים הקשוחים מהדור הבא יהיו עוד יותר רגישים לריטוט בשל העלייה בצפיפות הביט האזורית והורדת משקל הכונן הכולל. על-ידי שימוש בטכנולוגיות ביטול הריטוט הללו, לשרתים יש כעת יותר מרווח כדי למקם את הכוננים החדשים.
Kontron היא אחת החברות אשר פיתחה טכנולוגיות ביטול ריטוט קנייניות עבור קו השרתים לתקשורת המותקנים בכוננים של החברה. הגישה של Kontron הייתה כפולה: להקטין משמעותית את כמות הריטוט על-ידי בידוד הן של ההתקנים היוצרים ריטוט והן של ההתקנים הרגישים לריטוט. על-ידי שימוש בחומר בולע ריטוט, ניתן לבודד הן את המאווררים והן את הכוננים ממגע ישיר עם התשתית המתכתית של המערכת, כך שהם ממש “צפים” בתוך האושיה. לשם יעילות מלאה, ביטול הריטוט חייב להוות דרישת-מפתח במתודולוגיית התכנון הראשונית. לדוגמה, התכנון של שרת חברה טיפוסי משלב בצמידות “כלוב” כונן קשיח אל הדפנות של האושיה הראשית ו/או הרצפות. מבחינת התכנון והעלות, דבר זה עשוי להיראות יעיל, אולם הוא מאפשר לריטוט לעבור ישירות מהאושיה לכוננים. כדי לבטל בעיית ריטוט מיוחדת זאת, עדיף ליצור כלוב כונן עצמאי. הוכח שהבידוד של כל הכלוב מהאושיה יקטין בהרבה את הפסדי הביצועים הנגרמים על-ידי ריטוט של הכוננים לעומת בידוד הכוננים בלבד.

אמינות: יותר מאשר סכום המרכיבים שלה
אמינות המערכת היא משוואה דינמית העשויה להשתנות תחת נסיבות תפעוליות משתנות. איתור תקלות של תכנון שרת הוא יותר מסכום המרכיבים שלו, והסרתו הפשוטה מהמדף בכל מקום לא תבטיח פיתרון מיטבי. הגודל, הצורה, המספר, המיקום והחשוב ביותר, סוג החומר שנבחר, ישפיעו כולם על ממדי ביטול הריטוט. למעשה, האתגר הוא ניחות תדרים מסוימים בהם הדיסקים הקשיחים רגישים במיוחד במקום לבטל כליל את הריטוט. בנוסף, התדרים המשפיעים על ביצועי המערכת משתנים מדיסק לדיסק, כך שלא קיימת הדמיה טכנית אשר תייצג בצורה מדויקת את תבניות הריטוט של מערכת.
Kontron פיתחה תוכניות תוכנה קנייניות המודדות במדויק את ביצועי הדיסק הקשיח לפי סוג ההנע, מהירות המאוורר, תצורת המערכת ומקורות הריטוט החיצוניים. תוך שימוש בתוכנה זו, ניתן לנתח תכנוני שרתים על-פי טכניקות ביטול ריטוט שונות, ולעקוב אחר השפעות מאווררי המערכת והשפעות הריטוט הנובע מסיבוב דיסקים קשיחים מסביב לעצמם ולדיסקים סמוכים. התוכנה גם מאפשרת למתכננים לנתח ריטוט ממקורות חיצוניים למערכת כגון זה המצוי לעתים קרובות במתקנים צבאיים.

ניתוח מרכיבים נוספים
פיתרון של הסוגיות הקשורות לריטוט איננו מצטמצם לבידוד המרכיבים הבעייתיים. למעשה, בידוד עלול לעתים לא להיות הפיתרון הטוב ביותר. הפיתרון הטוב ביותר עשוי להיות שינוי המסה של מבנה לשם ניחות טוב יותר של הריטוט. אם לתכנון יש מבנים רבים יותר קטנים, יותר קלים, בלתי-תלויים, הוא עשוי להיות רגיש יותר לריטוט מאשר מבנה מונוליתי יחיד. רק עריכת ניסויים ובדיקה קפדנית מסוגלות לזהות את הפיתרון הטוב ביותר.
שימוש במאווררים איכותיים בעלי להבים מאוזנים בקפידה ומסבים איכותיים הוא צעד נוסף בהשגת גבולות ריטוט ספציפיים. ככל שמערכת היא יותר עוצמתית, חשוב לקיים תהליך הערכה מתמיד של מוצרי מאווררים ודיסקים קשיחים חדשים בשוק כדי להבטיח שהמערכות מוסיפות לספק את הביצועים והאמינות הטובים ביותר האפשריים.

לפני ואחרי: יישום טכנולוגיות לביטול הריטוט
הדיאגרמות להלן מראות את תוצאות הבדיקה של ריטוט מערכת שרת לפני ואחרי שילוב טכנולוגיה לביטול הריטוט בתכנון שלה.
פיתרון בעיות כיום ובעתיד
בשל השפעתו על הביצועים והאמינות של יישומי רישות צבאיים חיוניים, ריטוט הוא בוודאי סוגיה הדורשת תשומת-לב מרובה מהקבלנים המגדירים ציוד הכולל כונני דיסקים קשיחים. מתודולוגיות של בדיקה, ניתוח מעמיק ותכנון טוב המשמשים את ספקי השרתים אפשרו פיתוח טכנולוגיות חדשניות לביטול הריטוט כדי להקל על סוגיות אלה. מערכות צבאיות המשלבות שרתים בעלי טכנולוגיות אלה יכולות להציע מערכות הפועלות בצורה אמינה בסביבות תובעניות וקשוחות.

בשעה שכונני דיסקים קשיחים מוסיפים להציע צפיפויות הנע גבוהות יותר, ועלות לגיגה-בייט שימושי של הנעים סיבוביים  בהשוואה להנעים במצב מוצק צפויה להישאר נמוכה יותר בעתיד הנראה לעין, ספקי שרתים יידרשו להישאר ערניים בפיתוח של טכנולוגיות חדשות לביטול הורדת הביצועים של הדיסק הקשיח הנגרמות על-ידי הריטוט. לתכנונים עתידיים, יידרשו מאווררים עם פחות ריטוט וכונני דיסקים קשיחים בעלי רגישות מופחתת, בתוספת חומרים חדשים לבידוד ותמיכה, כך שהמערכות הצבאיות יוסיפו ליהנות מההתקדמות המתמדת של טכנולוגיית השרתים.