[发明专利]一种提高系统可靠性的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种提高系统可靠性的方法及设备。

背景技术

结温（Junction Temperature）是电子设备中半导体芯片（晶圆、裸片）的温度，它通常高于外壳温度和环境温度。最高结温通常会在半导体芯片手册的数据表中给出，如果芯片工作结温超过最高结温，芯片中的晶体管就可能会被破坏，芯片也随机失效，所以应采取各种措施降低结温或是让芯片产生的热量尽快散发至环境中。

为了提高电子设备的可靠性，半导体芯片制造商和网络设备制造商在这方面做了很多工作。对于半导体制造商，一方面尽量提高半导体芯片的最高结温，这样即使环境温度很高，或者芯片的功耗很大，也能保证芯片可靠工作；另外一方面尽量减少元器件本身的热阻和控制最大额定输出功率。对于网络设备制造商，提供良好的二次散热，如通过更改散热器的材质（铝、铜和热管等）提高散热效率，增加散热器散热面积提高散热效率、减少元器件与散热器安装界面之间的热阻（增加两物件接触面的压力，使物体交界面的突出部分变形，从而减少缝隙增大接触面；在两物体交界面处涂上有较高导热能力的胶状物体-导热脂）、风冷散热代替自动散热，结构设计上增加导风板、导风格栅和扰流件等辅助措施，并加大进出风口，提高散热效率。

伴随着移动互联网的发展，全球互联网用户数量和网站站点数量急剧增长，以及语音视频多媒体应用的急剧膨胀，带宽的需求也随机迅速增加，对网络基础设备的路由器、交换机的性能提出更高的要求。为应对这种情况，芯片制造商提供了最新工艺、更强性能和更高功耗的芯片。对于某个特定的芯片，在最大功耗、最高结温和芯片结壳热阻固定的情况下，工业界传统的做法是，使用更优质的散热器、继续增大散热器散热的面积、通过高强度的风扇制冷。然而，随着芯片功耗的进一步提升，工业界传统的做法导致散热的代价越来越高，如PCB（Printed circuit board，印刷电路板）布局紧张、机箱尺寸变大、整机噪声超标、成本急剧上升等等。实际上，工业界传统做法存在严重的过设计，原因如下：

电信各类机房环境温度要求标准：A类机房正常温度范围10-25度，可接受温度范围10-26度；B类机房正常温度10-28度，可接受温度范围5-30度；C类机房正常温度10-30度，可接受温度范围5-30度；D类机房正常温度范围5-33度；D类机房正常温度范围5-33度，可接受温度范围0-35度。可接受的温度是指短时间内（连续4小时以内），允许设备在低于或高于正常温度范围的条件下工作的温度范围。数据中心机房环境温度要求标准：通信设备在长期运行工作期间，机房温度控制在18度至25度。A级机房温度范围23±2度，B级机房温度范围20±2度。由此可见，对于高端路由器和交换机，在绝大多数的应用中，环境温度还是非常不错的。

为满足一些环境较差机房的应用，绝大多数网络基础设备厂商的高端路由器或交换机对外宣称最高长期工作温度为45度（有些甚至宣称高达55度或65度）；此外，为了应对某些极端环境，网络设备实际支持的最高环境温度可能更高。由此可知，虽然绝大多数的环境温度是较低的，但为了应对一些环境较差的场景，避免半导体芯片失效，导致网络设备的散热和制冷成本较高。

以路由器为例，路由器最重要的指标就是其转发性能和吞吐能力，衡量转发性能的指标是每秒处理多少个数据包，衡量吞吐能力的指标是每秒处理多少比特数据。路由器在最高转发性能和吞吐量的情况下，其功耗是最大的，但实际上该设备在绝大多数情况下并不是以最大功耗方式工作的，原因如下：

假设路由器单板的最大吞吐能力为20Gbps，以太网报文长度为64～1518字节，以太网报文开销长度为20字节；对于64字节报文，此路由器线速转发时的包转发率=20Gbps/（84Byte/packet*8bit/Byte）≈30Mpps；对于iMIX混合长度（256字节）报文，此路由器线速转发时的包转发率=20Gbps/（276Byte/packet*8bit/Byte）≈9Mpps；对于1518字节报文，此路由器线速转发时的包转发率=20Gbps/（1538Byte/packet*8bit/Byte）≈1.6Mpps。在绝大多数的网络应用中，并不是一直传输最小的64字节报文，也不是一直传输1518字节最长报文，根据统计混合报文的长度约为256字节。