关于模块化数据中心发展的思考

2014-03-27 17:35
电信科学 2014年5期
关键词:机柜模块化机房

胡 燕

(中国电信股份有限公司上海分公司 上海 200120)

1 引言

模块化数据中心是一种新兴的数据中心建设模式,将整个数据中心分为若干个独立区域,各区域的规模、功率负载、配置等均按照统一标准进行设计,随着业务需求的变化,不断增加独立模块,从而实现快速建设。

伴随全球超大型IT数据中心的出现,模块化数据中心的建设理念在微软芝加哥数据中心、谷歌比利时数据中心、Facebook俄勒冈州数据中心得以具体实践,有效地降低了数据中心的建设周期及运营成本。

从技术发展看,数据中心基础设施的关键设备逐步趋向模块化与小型化,尤其是精密空调CRAC(computer room air conditioning)和 UPS(uninterruptible power system,不间断电源系统)技术,完全可集成到机柜中,从而在技术上为实现真正完全独立的模块化数据中心提供了可能。

2 传统数据中心面临的主要问题

对于传统的数据中心,模块化的特征并不明显,仅在物理基础架构上将空调、UPS、机柜进行组合配置,而且需要共用架空地板下的空间,共用UPS,因此在兼容性、扩展性及建设周期等方面存在诸多问题,主要表现为以下3个方面。

2.1 空调系统

传统数据中心的气流组织设计采用地板下送风的方案,机柜采用冷热通道摆放设计,以形成合理的气流组织路径,从而可以大大提高整个机房的气流循环效率,有效减少热死点出现。该方案工程初期投资较低,噪音较小,整个机房的美观性较好。

但随着云计算、高热密度的发展,单机柜发热量不断增大,为了提高出风量,必须不断提高地板下静压,因此地板高度需要抬升。而空气也是一种流体,其本身存在黏度,当地板下的气流增大到一定量之后,表征其黏度的无量纲数——雷诺数会超过某一限值,因此其气流紊流会呈几何性增大,此时地板下送风方案的效率会大大下降。

在功率密度为10 kW/机柜的送风制冷实验中,为了有效带走热量,每台机柜需要1600~1800 m3/h风量(进出风温差为15℃),而远程的地板下送风空调则需要达到2900~3000 m3/h风量,此时风机系统能量损失高达40%。这些能量损失又会引起自身的冷量消耗,从而使效率进一步下降。在数据中心机房中,由于机组数量较多,风机系统能耗能达到上百千瓦,而风机系统是24 h全年不停歇运转的,因此一年中无谓的能量消耗会达到几十万千瓦·时,在15年的机组设计寿命内则会多耗能上百万千瓦·时,而且由于其从地板下送风供冷,机柜中下方的服务器得到的冷量较多,而上部的服务器容易运行在高温环境,从而发生故障。这种设计方案只适合单机柜发热量不超过5 kW的应用场景。当机柜发热量继续增大时,除了需要加大地板的架空高度和机柜间的间距外,整个制冷系统的效率也会显著下降。

2.2 UPS

在机房建成初期,传统的UPS设计往往出现由于系统容量配置过大而处于低负载率情况,低载运行则导致UPS效率低下。而如果UPS配置容量过小,又不能满足业务发展的需求,将导致后期扩容困难,尤其当前IT需求正处于上升期,数据中心业务发展增速飞快,但又具有不确定性,故在UPS方面重复建设和投资的浪费较大。另外单独建设UPS房、电池房,并设置相应的空调制冷,也是一笔不小的投资。

因此,UPS建设需求逐渐向模块化、可热插拔的方向发展,在中小型数据中心中,尤其成为首选的解决方案。模块化的UPS产品,尺寸和标准服务器机架一致,可放在机柜行间,又集成了多路智能配电,可满足单个模块内的供电、监控电量等需求。目前市场上主流的模块化UPS,不但可灵活扩容,而且效率高达95%,在低负载率情况下,节能更加显著,真正实现了UPS的高效性、节能性和可靠性。

2.3 机柜系统

传统机柜系统的设计只关注其承重、供电性能,而忽略了其他机柜应该具有的性能,如通孔率、接地、美观、线缆管理、能耗管理等。

为了提高制冷效率,机柜的通孔率要求尽可能高,以减小气流阻碍作用,提高散热能力,从空调系统利用上来说,机柜系统有更高的设计和工艺要求。

机柜接地也是非常值得注意却容易被忽略的问题,机房由于发热量很大,靠近服务器的机柜区域温度较高,其相对湿度较低,从而可能会形成较高的静电电压,如果不能通过有效途径接地,会造成静电危险。因此现在的机柜必须配置接地线缆或者接地铜排。

在中小型数据中心中,往往不会配置完备的监控设备。要实现机柜内的供电管理,可通过在机柜内配备智能的PDU(power distribution unit,电源分配单元)实现。对机柜内的各路配电进行监控,获知机柜负载的分配平衡度,预知过热机柜、过载点,并可实施远程关控设备。这也是智能机柜需要具备的功能。

对于机柜的兼容性,机柜不但需要考虑自身的兼容性,还需要考虑诸如并柜、封闭冷通道、行间空调等的外观、尺寸匹配问题,这对厂商的要求非常高,只有熟悉数据中心基础设施全产品的供应商,才能从全局出发,设计出对各个系统的兼容性都很高的产品。

3 模块化数据中心实施的关键技术

模块化数据中心主要包括采用模块化设计的四大部分:不间断电源系统、制冷系统、机架和远程监测系统,通过简单的接口将相关模块进行组合,从而形成一个完整的数据中心。无论是电信运营商还是互联网企业,都可以按照自己的需求定制模块化数据中心,并可伴随业务发展需求,逐步扩张数据中心规模,以应对更多的IT需求。这意味着企业可以在未来拥有数倍计算能力,而不会对现有数据中心的功能或者设计带来任何影响。

相对于传统的数据中心,模块化数据中心使用如下关键技术。

(1)统一的基础架构设计

模块化数据中心的构思精巧,但在实施过程中会遇到很多意想不到的问题,如各个部件的尺寸不完全协调一致、各部件的供配电需求不能匹配、颜色无法协调一致、走线孔未预留充足等,因此要避免多种产品拼接的模块化数据中心出现漏风、配电不足、颜色参差不齐、无处走线等尴尬问题,需要厂商具有多产品线统一开发、统一销售、统一安装、统一调试、统一服务的能力,从而为用户提供模块化数据中心基础架构的完美解决方案。

(2)封闭冷通道

封闭冷通道可有效规范气流组织,减少对整个房间的无谓制冷,从而降低对建筑热负荷的制冷压力;同时可有效隔绝冷热风交叉混合,提高空调回风温度,从而提高其蒸发器温度,进而提高制冷效率。经测试,采用封闭冷通道解决方案可节约机房4%的耗电量。在封闭冷通道这件貌似技术含量不高的产品上,实际有很多工艺方面的要求,真正实现细节上的大成,无论是材料的隔热性、强度、顶板透光率,还是走线孔的设计、缝隙的保密性,都需要十分到位。

(3)定制化的电池机架

定制化的电池机架主要配合模块化UPS使用,为模块化UPS提供更长时延、后备时间的选择,承重能力强、外观协调、安装维护简便,可实现电池的模块化安装及电池监控。

(4)模块化 UPS

安装在标准机柜中的模块化UPS,其功率单模块可随负载增减实现热插拔,并可大幅度减少UPS的占用空间及共用制冷需求,大大降低传统UPS需求的占地面积及额外的空调能耗。

(5)环境控制系统

通常选用精密空调对数据中心的每个模块进行环境调节,确保服务器等IT设备的运行环境。对于发热量大的服务器等IT设备,通常选用高通孔率(一般大于70%)网孔门的机柜,以提高机柜进出风量;将机柜面对面、背对背布置,在机房内形成冷热隔离的风道,以提高制冷效率。在某些功率密度特别高的场合(发热量超过5 kW/机柜),往往容易产生局部热点,形成故障隐患。为消除局部热点,需要采用相应的高热密度解决方案,如在局部热点发生处加装制冷终端,加强局部制冷能力;也可将特高功率密度设备放置在封闭机柜内,通过机柜内制冷循环,实现高效率制冷散热。

(6)智能监控系统

监控系统是机房安全运行的重要保障,智能监控系统可对数据中心模块内的配电、环境、安防、消防等设备进行全方位监控,完成对设备数据的采集、分析、告警、展示甚至自动控制。由于云计算的高热密度、虚拟化需求,可变冷量、UPS模块休眠等功能需要更高效的控制,因此模块内的制冷控制、电能分析成为模块化运营的关键点。

另一方面,为了适应模块化数据中心快速建设、快速复制的特点,监控系统方案也需要能够快速建设,并且以模块为单位独立运转,互不影响。

4 推广模块化数据中心的举措与建议

(1)产品的标准化和系列化

工业革命成功的最重要因素,就是将生产流水制度、标准化部件制度推广开来,从而大大提高了生产效率,开创了人类新的高峰。在当今社会,不管是企业管理还是生产、建设等环节,都要求实现标准化、规范化,而传统数据中心建设由于对现场的设计施工依赖度高,建设周期缓慢、建设难度大,建设效果无法预期,后期扩容无法适应。

因此,需要进一步完善模块化数据中心的系列标准,并形成相应的系列产品,根据客户的IT需求、建筑空间,为客户提供模块化的建设方案,保证数据中心的高可靠性、灵活性、可维护性及高效节能,并能够最大化地提高交付速度。

(2)设计的前瞻性和可复制性

模块化数据中心的设计必须具有一定的前瞻性,充分考虑企业数据中心长期发展的影响因素,并兼顾机械和电气系统等,避免造成数据中心运营管理的不可控。

为了实现真正的分批建设,模块化数据中心的设计方案应该是可复制的,而且不单是方案上的复制,还可以延展到采购流程、安装流程、维护流程等,既可以减少用户的初期投资,也便于后续数据中心的运营管理。

(3)方案的灵活简便性及整体性

模块化数据中心之所以能够实现快速建设,空调系统的革命性设计起了主导作用。传统的数据中心采用静压箱送风,需要专业的设计单位根据建筑结构进行相应的设计,再经过和各个厂商的研讨及分析,设计周期往往需要3个月甚至半年以上,时间浪费严重,超大型的数据中心甚至需要1年以上,后期的安装需要配合土建、装修等系统,协调、互相配合等工作也需要浪费大量的时间,这在IT系统每3年运算速度翻新一倍的高速时代,建设完成时数据中心的指标可能已经落伍了,经济效果严重滞后。

模块化数据中心设立以机柜为中心的行间制冷系统,缩短了气流组织路径,取消了对静压箱、风管的依赖,减少了工程量,从而可直接减少甚至取消设计环节,由用户到厂商直接获取端到端服务,从而大大缩短建设周期;同时由于是同一厂商提供整体解决方案,其工程安装、后期服务都可实现最大化的提速。

(4)运行的安全性及高效化

传统的数据中心空调系统采用静压箱设计,气流循环路径长达几十米,气流阻力很大,风机能耗浪费严重,需要额外冷却整个数据中心的空气,能量浪费严重。后期扩容时,由于后期增加的空调改变了整个静压箱的气流、冷量等参数,从而会直接影响数据中心的制冷效果,反而会起到反作用。

模块化数据中心建设实际上是一个不断成长的过程,其设计思路保证了制冷、供电都以区域机柜为中心,其气流组织、供电配置都以区域为中心,对其余区域毫无影响,因此可最大化地解决扩容互相影响的问题。在逐步扩展的模块化数据中心中,各模块的独立安全高效运行成为必然。

(5)运营的简便与低成本

标准化的模块化数据中心,由于采用端到端服务,可为用户节省可观的设计费,可以缩短资金的占用周期,可提高运营效率,减少日常运行费用,缩短投资回报期,最大化地提高用户的资金使用率。

在工程环节,由于采用模块化设计思路,其发货、安装都由同一厂商实施,而且由于减少了对静压箱、风管的依赖,可直接进场,减少了对装修、建筑的特殊要求,不但可以节省费用,而且可以减少和土建等部门的配合施工,从而大幅度减少工程成本。

在后期的维护方面,由同一厂商统一维护,不管是备件还是服务,都可以得到原厂最优的保障,机房维护人员可最大化地精简,维护界面清晰,最大化地减少用户的负担。

5 结束语

模块化数据中心是新兴的数据中心建设理念,也是数据中心的必然发展方向,具有建设快速、易复制、高效等特点,目前在我国已广泛应用于集装箱、电信、医疗、科研机构、广电等行业,并呈现出快速增长的趋势。在不久的将来,将带来数据中心行业的巨大变革,不仅将制冷、配电集中到行间级,同时也能将电池、配电柜集成到一体,甚至将整个模块按照用户需求做成一个整体,不再区分机柜、空调、供电系统。客户只需将模块运抵现场,配电配水,按指导接管即可,无需做静电地板、无需专业设计、无需专业规划,甚至无需机房装修,从而将机房模块化的优势扩大到极致。

从更远的发展方向看,未来融合服务器、交换机、基础架构的整体模块也是发展的趋势,用户使用数据中心模块只需要按照说明书接入宽带、电源和水源,即可得到高效的信息服务,从而更加有利于用户业务的快速发展。相信在不远的未来,模块化数据中心将在IT、动力环境基础架构上下游厂商的合作推动下获得长足的发展,为人类的信息化进程提供更加绿色低碳、可靠的支持。

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