引言
我國已步入信息時代，企業(yè)的業(yè)績和發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃越來越依賴“信息”，企業(yè)之間的競爭變成了“信息競爭”。很多企業(yè)的數據中心不單是進行日常的數據存儲和計算，而是需要支撐整個企業(yè)業(yè)務系統(tǒng)，一旦數據中心癱瘓，整個企業(yè)的研發(fā)、生產、銷售將面臨崩潰。數據中心因企業(yè)發(fā)展帶來的壓力也越來越大。
1 目前國內數據中心普遍存在的問題
a．現有數據中心“超負荷使用”，無論是在場地面積、供電能力和制冷能力等各個方面，均不能滿足新系統(tǒng)的上線及原有系統(tǒng)的擴充需要。
b．現有數據中心大多是幾年前新建或者改建的，運行中的安全等級不夠高，存在諸多風險和隱患，無法滿足當前IT技術和數據中心業(yè)務發(fā)展的需要
c．數據中心運行成本高，規(guī)模擴張后隨之而來的是能耗支出的大幅增長。2009年中國聯(lián)通公司全國的數據中心能耗光電費支出就達5.2億，電費支出中，制冷占的比例超過所有輔助設備能耗的70％，占整個數據中心所消耗電能的40％～50％國內大多數數據中心PUE介于2.5～3.0，能源利用效率低、耗電量大，電費支出超過基礎設施建設成本，占據企業(yè)IT成本的第二位，與“綠色”、“低碳”理念相悖
d．沒有建立備份數據中心和有效的備份體系，一旦出現意外事故，將可能導致業(yè)務的全面停頓。
e．擴展不靈活�，F有的數據中心一般都是根據當時建筑的條件來劃分各類功能分區(qū)的，在當時發(fā)展前景不明，無法預見企業(yè)業(yè)務發(fā)展變化的情況下，數據中心只能采用小步走，試探性的建設方式，后期逐步調整。因此使用過程中逐漸暴露出數據中心建設周期長、部署密度低、擴容不方便、無法適應新業(yè)務等諸多問題
圖1 數據中心建設成本
圖2 數據中心運行成本
2 數據中心的幾個關鍵問題
如何認識當前數據中心存在的不足，并在設計上提供解決方案呢?筆者認為應首先了解數據中心的幾個關鍵問題，并在規(guī)劃設計階段就解決上述問題。
2．1什么是PUE、DCiE
PUE即能量使用效率，是PowerUsageEffectivenes的簡寫，是評價數據中心能源效率的一個指標，PUE：數據中心總設備能耗／IT設備能耗，PUE是一個比率，基準是2，越接近1表明數據中心能效水平越高。
DCiE即數據中心基礎設施效率，是DataCenterinfrastructureEfficiencv的簡寫。其值是PUE的倒數。DCiE=IT設備能耗／數據中心總設備能耗×100％。
2．2數據中心建設成本和運營成本
圖1是中國聯(lián)通一個PUE為2．0的數據中心的建設成本。由圖1可見，數據中心建設成本中電力設備和空調系統(tǒng)投資比重達到65％。IBM的資料顯示，假設一個2000m2的數據中心，其IT設備以每年10％的速度增長，在數據中心壽命20年內運行成本是投資成本的3～5倍，而數據中心運營成本中75％將是能源成本，見圖2。來自2009年IDC的調查顯示，全球數據中心供電和制冷方面的費用一直在增長，見圖3。
圖3 全球在服務器、供電和制冷、管理方面的費用
2．3數據中心能耗分布
一個PUE為2．0的數據中心電力消耗如圖4所示(數據來源：EYPMissionCriticalFacilitiesInc．)，當IT設備能耗占50％時，為保證IT設備正常工作環(huán)境所需要的空調制冷設備耗電占整個數據中心能耗的38％。由于大多數數據中心中UPS都是工作在10％～30％負載率，UPS的內部損耗率將占整個數據中心的7％。
圖4 數據中心電能消耗
數據中心機房的能耗第一大戶是由服務器、存儲設備和網絡通信設備等構成的IT設備系統(tǒng)。它們所產生的功耗約占數據中心總功耗的50％左右。其中服務器型的設備功耗為40％左右，另外的1O％功耗基本上由存儲設備和網絡通信設備所均分。由此可見，IT設備本身的功耗大小決定了整個數據中心的功耗大小。因此，解決數據中心節(jié)能降耗問題的關鍵在于能否正確地選擇IT設備，選用真正具有節(jié)能效果的IT產品。
2．4數據中心規(guī)劃設計制約模型
數據中心規(guī)劃階段最重要的是IT規(guī)劃，IT規(guī)劃是數據中心建設的前提和依據，因為IT系統(tǒng)定位將決定數據中心的等級、建筑空間、信息路由和場地布局等。這是企業(yè)決策者和IT規(guī)劃部門應該首先達成的共識，IBM公司一直倡導“從IT的角度來幫助業(yè)主建造數據中心”。這種理念，其成功的案例遍布全球。
影響數據中心規(guī)劃的還有一個容量因素，即用電容量、建筑空間容量和空調制冷容量。這三個容量從不同方面限制了數據中心的規(guī)劃方案，把三者之間的關系比喻成三維坐標的不同維度，看似相互獨立卻互相影響和互相制約。在一個數據中心用電最大容量確定的情況下，就可以根據典型數據中心的特征，或者PUE等得出數據中心IT設備的最大用電量、負荷密度、制冷容量和建筑面積。反之亦然，制冷量影響數據中心氣流組織形式、建筑層高、IT設備的選型、機柜的發(fā)熱密度和IT設備的用電量。如何在確定的制冷量需求下盡可能減少制冷系統(tǒng)對電能的需求是每個設計人員必須考慮的。
2．5數據中心熱負荷特點
IT設備散熱量大且密度集中，一個5kW的機柜散熱面積只有600mmx1200mm，按照一般機房機柜占用房間面積5mz計算，則機房平均散熱密度將大于1kW／m。
IT設備散濕量很少，數據機房的散濕主要來自進入機房的維護人員和滲入的室外空氣，因此高熱量、小散濕量的環(huán)境決定機房制冷空調處理空氣的過程近似為等濕降溫過程。
機房空調送風焓差小、風量大，為防止IT設備結露，需要提高機房空調系統(tǒng)的送風溫度。但要保證如此大量的IT設備散熱，必然增大通風量，機房空調換氣次數(≥30次／h)明顯大于舒適性空調的5～10次／h。
3 新一代數據中心規(guī)劃要點
新一代數據中心定義為“基于標準構建模塊，通過模塊化軟件實現24h×7無人值守計算與管理，并以供應鏈方式提供共享的基礎設施、信息與應用等IT服務”。新一代數據中心需要利用最新的IT技術、解決方案與服務來實現，如模塊化技術、服務器和存儲虛擬化、刀片技術、數據中心自動化等
3.1數據中心模塊化
所謂模塊化數據中心是指每個模塊具有獨立的功能、統(tǒng)一的輸入輸出接13，不同區(qū)域的模塊可以互相備份，通過相關模塊的排列組合形成一個完整的數據中心。模塊化數據中心包含功能分區(qū)模塊化和基礎設施系統(tǒng)模塊化兩方面。
功能分區(qū)模塊化是指每個模塊中包含1個數據機房、2個空調區(qū)域子模塊、1個電力室、1個電池室、1個鋼瓶間等子模塊，每個模塊都能實現獨立的功能。
基礎設施系統(tǒng)模塊化是指合理規(guī)劃和安排各項信息化基礎設施，形成良好的物理環(huán)境，使得各種業(yè)務、應用系統(tǒng)和數據都能不受約束地實現有效配合。例如從市電引入至機架電源輸入端，具備獨立的供電能力和輸入輸出接口，且模塊間能實現互相備份的系統(tǒng)稱之為一個完整的供電系統(tǒng)模塊，這種供電系統(tǒng)稱之為模塊化供電系統(tǒng)。
數據中心的標準化、模塊化技術提高了部署速度。便于合理配置系統(tǒng)結構，其靈活性為數據中心邊成長邊投資提供了條件，設備的標準化可以實現批量生產并進行預連接測試，提高了設備的交貨、安裝、系統(tǒng)調試的速度。
數據中心的標準化、模塊化在機房擴展時可使IT設備的空間配置達到最佳狀態(tài)，無需重新對整個系統(tǒng)進行工程設計，在調試時也無需關閉關鍵設備。模塊化組件可熱插拔，便于重新排列時重新連接。標準化、模塊化技術可以提高數據中心系統(tǒng)的可靠性，減少平均故障恢復時間，也減少了人為的操作失誤，提高可用性。圖5和圖6反映了模塊化數據中心適應用戶的水平增長和垂直增長模式。
圖5 模塊化數據中心的水平增長
圖6 模塊化數據中心的垂直增長
3.2業(yè)務模式走向虛擬化
在新一代數據中心，所有的服務器、存儲設備、網絡均可通過虛擬化技術形成虛擬共享資源池，從而更加靈活和充分有效地使用資源。通過服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化、應用虛擬化和數據中心虛擬化等解決方案，不僅可以幫助企業(yè)減少服務器數量、優(yōu)化資源利用率、簡化管理，更主要是幫助企業(yè)實現動態(tài)IT基礎設施環(huán)境，從而降低成本，快速響應業(yè)務需求的變化等。虛擬化是新一代數據中心與傳統(tǒng)數據中心的最大差異。
3．3節(jié)能服務器、節(jié)能存儲設備和刀片服務器大量使用
數據中心IT設備是能耗大戶，而服務器最大的能耗來自芯片，單顆Intel至強處理器的功耗為80～95W，有的達130W。芯片廠商一改之前提高運算速度的策略，轉而增加內核數。即采用多核的X86芯片技術提升處理能力，從而降低芯片數量的增加。因此，在短短幾年時間里，我們見證了處理器從2核、4核、6核、8核，直至12核的飛速發(fā)展。服務器整機生產廠商紛紛推出各種“綠色”產品與以往服務器相比，當前的服務器無論在性能、計算能力上都可“以一當十”，而能耗在不斷降低。
不僅如此，在硬盤、風扇、電源等配件上，節(jié)能技術屢有突破：①電源方面，服務器廠商采用高效電源。如戴爾采用智能節(jié)能技術，可在性能增加的同時降低能耗。②風扇方面，IBM引入了高效率的雙段式對轉風扇，它比傳統(tǒng)的風扇設計節(jié)能40％。③在硬盤方面，機架服務器更多采用的是HDD2．5英寸小硬盤，相比3．5寸大硬盤，有近一半電能的節(jié)省。不僅如此，固態(tài)硬盤開始在服務器中亮相，與普通HDD硬盤相比，在能耗上，固態(tài)硬盤的能耗比HDD硬盤低4／5。
表1展示了IBM一款刀片服務器與1U(U是一種表示服務器外部尺寸的單位，是unit的縮略語，1U=4．445cm)機架式服務器的比較，不但同樣的處理能力下占用的機架空間少42％，而且節(jié)能44％。
表1刀片服務器與1U機架式服務器比較
3．4制冷體系從房間制冷轉向隨需制冷
傳統(tǒng)的數據中心一般按照整個數據機房IT設備總的發(fā)熱量統(tǒng)一考慮制冷系統(tǒng)，稱之為“房間級制冷”這種制冷體系只適用于安裝機架式或非機架式低負載密度IT設備的數據中心，整個機房的制冷體系需要仔細考慮IT設備負載的分布情況，做好氣流組織分析。當機房內增加一列或者單個高密度機柜時，氣流組織形式就得重新設計，這種房間級制冷體系適應性稍差，經常會出現局部熱點或過度制冷的情況。
新的數據中心制冷方案是隨需而變的制冷體系，可以實現房間級、行列級甚至機柜級、服務器級制冷，隨IT負載的變化可靈活布置制冷設備，提供不同制冷能力。
3．5垂直送風模式不適應高密度數據中心需要
從垂直送風氣流組織形式的數據中心所采用的送風地板參數可知，單塊送風地板的極限制冷量是5kW，超過此功率密度的數據中心如果采用垂直模式送風，服務器將因為得不到足夠的冷風而強制從頂部抽進回風出現“廢氣再循環(huán)”現象，從而出現機框頂部服務器過熱情況。封閉冷通道／熱通道實現冷熱通道完全隔離的“冷池”／“熱池”+下送風模式，可以在原來的制冷能力上再提高40％～100％大于10kW／機柜的負荷密度則需要采用“下送風+“冷池”+導流板+強制送風風機”的綜合氣流組織模式，或者采用“水平送風”、“液體冷卻”等新的數據中心制冷方式。
4 結語
數據中心工程是涉及多學科的一項復雜工程，作為規(guī)劃設計者應首先認識數據中心的IT設備及其特點，了解IT技術的發(fā)展趨勢，才能規(guī)劃出真正意義上適應未來企業(yè)發(fā)展需要的數據中心。從“IT的角度”出發(fā)規(guī)劃設計數據中心是解決當前國內數據中心普遍存在問題的捷徑。
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本文標題：數據中心設計要點簡析
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