寧金葉，徐 謙，羅小麗，寧高容

（1.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 大數(shù)據(jù)與人工智能研究所，湘潭411101；2.湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭411104；3.中國(guó)航天科工運(yùn)載技術(shù)研究院 北京分院技術(shù)中心，北京101500）

在國(guó)家“核高基”重大專項(xiàng)的支持下，以龍芯、中標(biāo)麒麟、達(dá)夢(mèng)等為代表的國(guó)產(chǎn)高性能處理器、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等軟硬件技術(shù)迅猛發(fā)展，在軍用、工業(yè)及民用領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用.2018年6月，龍芯中科發(fā)布了一套高性能的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)“3A3000+7A1000”，實(shí)現(xiàn)了從硬件到操作系統(tǒng)、應(yīng)用的完全國(guó)產(chǎn)、自主、可控［1-3］.但是，在一系列的裝備聯(lián)調(diào)聯(lián)試和實(shí)際應(yīng)用過程中，國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)相繼出現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可靠性問題，特別是環(huán)境適應(yīng)能力與可靠性方面，自主可控計(jì)算平臺(tái)的軟硬件產(chǎn)品性能相比國(guó)際先進(jìn)水平還存在著一定的差距［4-6］.因此，如何優(yōu)化國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力與系統(tǒng)可靠性成為計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［7］.

本文主要研究基于車載環(huán)境計(jì)算資源受限情況下國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力，即采用壓力測(cè)試試驗(yàn)和可靠性摸底試驗(yàn)對(duì)國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)（龍芯3A3000+7A1000）進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)能力驗(yàn)證，采用冒煙測(cè)試獲取計(jì)算機(jī)的環(huán)境適應(yīng)閾值［8-9］.

1 環(huán)境適應(yīng)能力測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括兩種：壓力測(cè)試和可靠性摸底試驗(yàn)，采用冒煙測(cè)試獲取計(jì)算機(jī)的環(huán)境適應(yīng)閾值.

1.1 壓力測(cè)試

壓力測(cè)試包括四種情況，其環(huán)境條件及時(shí)間要求如表1所示.

表1 壓力測(cè)試環(huán)境條件及時(shí)間要求

（1）常溫老煉試驗(yàn)

老煉時(shí)運(yùn)行壓力測(cè)試程序或屏幕保護(hù)程序.在正常大氣條件下，設(shè)備累積老煉時(shí)間不小于200 h.可在整機(jī)老煉試驗(yàn)期間開展電源適應(yīng)性試驗(yàn).在特殊情況下，可采用高溫老煉.老煉試驗(yàn)條件及要求如表2所示.

表2 老煉試驗(yàn)條件及要求

測(cè)試方法及結(jié)果：

考慮到常溫老煉試驗(yàn)的環(huán)境條件與連續(xù)工作試驗(yàn)相同，把常溫老煉試驗(yàn)放在連續(xù)工作試驗(yàn)一同進(jìn)行.詳細(xì)試驗(yàn)情況見連續(xù)工作試驗(yàn).

（2）高溫工作試驗(yàn)

被測(cè)計(jì)算機(jī)放在高溫試驗(yàn)箱內(nèi)；以不大于5℃/min的速率將箱內(nèi)溫度升高至55℃，直到設(shè)備內(nèi)部溫度穩(wěn)定（保溫2 h）；計(jì)算機(jī)啟動(dòng)工作，運(yùn)行屏保程序或測(cè)試程序，連續(xù)工作200 h；計(jì)算機(jī)停止工作，以不大于5℃/min的速率將箱內(nèi)溫度降低至正常溫度.被測(cè)計(jì)算機(jī)溫度恢復(fù)到常溫穩(wěn)定后，開機(jī)工作進(jìn)行計(jì)算機(jī)的功能檢查.高溫工作實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)備的溫度剖面如圖1所示.

圖1 高溫工作試驗(yàn)溫度剖面

測(cè)試方法及結(jié)果：

第一階段：將被測(cè)計(jì)算機(jī)（1號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)）放置在試驗(yàn)箱內(nèi)，以不大于5℃/min的速率將箱內(nèi)溫度升高至+55℃直到設(shè)備內(nèi)部溫度穩(wěn)定（保溫2 h）；計(jì)算機(jī)啟動(dòng)工作，并運(yùn)行LTP測(cè)試程序，測(cè)試負(fù)載設(shè)置為滿載的80%；連續(xù)工作50 h（兩臺(tái)設(shè)備累計(jì)100 h），被測(cè)計(jì)算機(jī)正常工作.

第二階段：將試驗(yàn)箱溫度升高至+60℃，并保溫2 h，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)工作，并運(yùn)行LTP測(cè)試程序，測(cè)試負(fù)載設(shè)置為滿載的80%；連續(xù)工作24 h（兩臺(tái)設(shè)備累計(jì)48 h），1號(hào)機(jī)和4號(hào)機(jī)均正常工作.

第三階段：將試驗(yàn)箱溫度升高至+65℃，并保溫2 h，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)工作，并運(yùn)行LTP測(cè)試程序，測(cè)試負(fù)載設(shè)置為滿載的80%；其中1號(hào)機(jī)連續(xù)正常工作24 h，4號(hào)機(jī)正常工作2 h后出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，斷電重新開機(jī)后，依然出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象.

（3）低溫工作試驗(yàn)

被測(cè)計(jì)算機(jī)放在高溫試驗(yàn)箱內(nèi)；以不大于5℃/min的速率將箱內(nèi)溫度降低至-25℃，直到設(shè)備內(nèi)部溫度穩(wěn)定（保溫2 h）；計(jì)算機(jī)啟動(dòng)工作，運(yùn)行屏保程序，連續(xù)工作200 h；計(jì)算機(jī)停止工作，以不大于5℃/min的速率將箱內(nèi)溫度恢復(fù)至正常溫度.被測(cè)計(jì)算機(jī)溫度恢復(fù)到常溫穩(wěn)定后，開機(jī)工作進(jìn)行計(jì)算機(jī)的功能檢查.低溫工作實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)備的溫度剖面如圖2所示.

圖2 低溫工作試驗(yàn)溫度剖面

測(cè)試方法及結(jié)果：

第一階段：將被測(cè)計(jì)算機(jī)（1號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)）放置在試驗(yàn)箱內(nèi)，以不大于5℃/min的速率將箱內(nèi)溫度降低至-25℃直到設(shè)備內(nèi)部溫度穩(wěn)定（保溫2 h）；計(jì)算機(jī)啟動(dòng)工作，并運(yùn)行LTP測(cè)試程序，測(cè)試負(fù)載設(shè)置為滿載的80%；連續(xù)工作50 h（兩臺(tái)設(shè)備累計(jì)100 h），計(jì)算機(jī)正常工作.

第二階段：將試驗(yàn)箱溫度降低至-30℃，并保溫2h，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)工作，并運(yùn)行LTP測(cè)試程序，測(cè)試負(fù)載設(shè)置為滿載的80%；連續(xù)工作24 h（兩臺(tái)設(shè)備累計(jì)48 h），1號(hào)機(jī)和4號(hào)機(jī)均正常工作.

第三階段：將試驗(yàn)箱溫度降低至-35℃，并保溫2 h，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)工作，并運(yùn)行LTP測(cè)試程序，測(cè)試負(fù)載設(shè)置為滿載的80%；連續(xù)工作24 h（兩臺(tái)設(shè)備累計(jì)48 h），1號(hào)機(jī)和4號(hào)機(jī)均正常工作.

（4）連續(xù)工作試驗(yàn)

計(jì)算機(jī)完成了720 h連續(xù)工作測(cè)試，測(cè)試過程分為全面測(cè)試（包括系統(tǒng)2D圖形性能、3D圖形性能、網(wǎng)絡(luò)性能、系統(tǒng)I/O性能、系統(tǒng)性能）、壓力測(cè)試（包括CPU，內(nèi)存，磁盤等信息；測(cè)試過程中全時(shí)段運(yùn)行LTP測(cè)試軟件，測(cè)試負(fù)載設(shè)置為80%）.測(cè)試時(shí)間分配如圖3所示.

圖3 連續(xù)工作720小時(shí)LTP測(cè)試時(shí)間圖

1）四次全面測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比（共35天）

通過四次（共35天）全面測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間壓力工作后，國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)的2D圖形處理、3D圖形處理、磁盤讀寫性能、網(wǎng)頁(yè)性能等未出現(xiàn)下降.

2）三次長(zhǎng)時(shí)間壓力測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比（共30天）

通過對(duì)三段長(zhǎng)時(shí)間壓力測(cè)試數(shù)據(jù)的比較可知，在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間壓力工作后，國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)的CPU使用率、內(nèi)存使用率、磁盤讀寫速度等未出現(xiàn)明顯變化.

2.2 可靠性摸底試驗(yàn)

可靠性增長(zhǎng)摸底試驗(yàn)的目的是通過系統(tǒng)施加逐步增大的環(huán)境應(yīng)力，摸清產(chǎn)品對(duì)一定條件下環(huán)境應(yīng)力的承受能力.本次可靠性摸底試驗(yàn)共分三階段進(jìn)行：可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)剖面（1）3個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)、可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)剖面（2）3個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)、可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)剖面（3）2個(gè)循環(huán)的試驗(yàn).可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)剖面（1）、（2）、（3）圖如圖4所示.

圖4 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)剖面圖

可靠性摸底試驗(yàn)共進(jìn)行了8個(gè)循環(huán)的試驗(yàn).試驗(yàn)過程中，計(jì)算機(jī)運(yùn)行LTP測(cè)試程序，測(cè)試負(fù)載設(shè)置為80%；兩臺(tái)被測(cè)計(jì)算機(jī)（1號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)）均正常工作，未出現(xiàn)死機(jī)、重啟等不正?，F(xiàn)象.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）問題分析

在進(jìn)行高溫試驗(yàn)時(shí)，在溫度+65℃的環(huán)境下，計(jì)算機(jī)運(yùn)行LTP測(cè)試程序，測(cè)試負(fù)載設(shè)置為80%；被測(cè)的4號(hào)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，重啟后依然出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象；恢復(fù)到常溫后，計(jì)算機(jī)正常工作.針對(duì)故障現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)的龍芯3A3000處理器的CPU溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，計(jì)算機(jī)環(huán)境溫度在+55℃和+60℃時(shí)，CPU的核心溫度分別達(dá)到了99℃和104℃.

經(jīng)查詢產(chǎn)品手冊(cè)，得知龍芯3A3000-I的結(jié)溫為105℃［2-3］.通過簡(jiǎn)單計(jì)算，在+65℃環(huán)境溫度下，CPU溫度將超過105℃，CPU將不能正常工作，故導(dǎo)致計(jì)算機(jī)死機(jī)現(xiàn)象.

（2）解決措施

對(duì)計(jì)算機(jī)的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，或通過降低CPU主頻來降低功耗；經(jīng)過測(cè)試，當(dāng)龍芯3A3000處理器主頻為1.4 GHz時(shí)，主板功耗約45 W；當(dāng)龍芯3A3000處理器主頻為1.2 GHz時(shí)，主板功耗約38 W.經(jīng)采用費(fèi)舍爾組合測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性［10-11］，由此可見降低主頻可以顯著降低CPU功耗，從而降低溫度，提高環(huán)境適應(yīng)能力.

4 結(jié)論

環(huán)境適應(yīng)能力研究分析：通過對(duì)國(guó)產(chǎn)龍芯計(jì)算平臺(tái)的軟硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用壓力測(cè)試試驗(yàn)和可靠性摸底試驗(yàn)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)能力驗(yàn)證，國(guó)產(chǎn)龍芯計(jì)算平臺(tái)在-35℃～+60℃的環(huán)境條件下，可以正常工作（環(huán)境適應(yīng)能力與設(shè)備的散熱環(huán)境有關(guān)），其環(huán)境適應(yīng)能力不低于同類型非國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī).

軟件可靠性研究分析，通過對(duì)國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)載運(yùn)行時(shí)的功能、性能進(jìn)行測(cè)試分析，系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，未發(fā)生死機(jī)、重啟、內(nèi)存溢出異常等現(xiàn)象.