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设计模块化数据中心的三种设施类型分析

2016-12-21 00:45来源:机房360
导读:本文中,我们将关注设计模块化数据中心三种主要类型的灵活设施:容器集装箱式解决方案、工业化或预制数据中心、以及企业实体数据中心。

模块化数据中心提供了快速的周转和明确的项目成本。与传统数据中心一样,它们需要精心设计的电气和冷却系统。

当数据中心业界的人们听到“模块化数据中心”(MDC)这个术语时,其实每个人对于MDC的真正感觉印象都是不同的。MDC的采用已经呈现出上升趋势:根据IDC的调研报告显示,表示在过去18个月中,已经对其数据中心进行了重大改造的74%的受访者,约有87%的受访者表示,他们所在的数据中心部署了模块化,预制或容器集装箱式的数据中心组件。但这一现状并没有减轻数据中心行业的大多数人(无论其是关注于IT还是基础设施)对于不同类型的模块化数据中心缺乏一致性的理解。

而相关作者们则更倾向于使用“灵活的基础设施”这一术语,因为并不是所有的设施都是真正模块化的,尽管起仍然提供了模块化的许多优势。这些数据中心设施的形式有容器集装箱式(位于室内和室外),工业化或预制的以及实体建筑。的确,如果其设计采用了与预制或容器集装箱式数据中心相同的可扩展性和灵活性的概念,那么,实体建筑数据中心可以被视为一处灵活的设施。而在本文中,我们将关注三种主要类型的灵活设施:容器集装箱式解决方案、工业化或预制数据中心、以及企业实体数据中心。

流行术语的解读:明确的模块化、可扩展性和灵活性

关于MDC的采用,整个数据中心业界有着许多广泛使用的流行术语,而这些流行术语都具有广泛的定义。诸如模块化、可扩展性、垂直整合、灵活性、敏捷性、预制、可重复的质量和快速部署营销手册、行业出版物等等术语。我们先不提这些术语的使用其实是不准确的,这些术语必须要附加到现实世界的产品和方法上,它们要如何能够改进数据中心的操作运营,并最终对企业的业务绩效产生积极影响。作为如何实现这一点的一个示例,请参考以下来自IDC的数据,相信有助于您理解MDC的采用日益激增的原因了:

从合同签署到实际运行的快速周转,使企业客户能够在需要时快速扩展计算解决方案。

更清楚地说明项目成本,使企业客户们能够更好地控制预算,并对相关投资回报进行估计

能够在世界上的任何地方快速部署该解决方案,无论企业客户是需要在其现有的数据中心建筑还是在远程的位置添加额外的数据中心容量。例如,支持冗余或卫星定位。

在这些情况下,模块化、可扩展性和灵活性的理念变得更加具体。

灵活设施的基础

当容器集装箱式数据中心开始获得更大的可视化,并开始在更多主流业务应用中使用时,设计和工程的进步使得IT和设施的紧密集成(包括物理位置和操作方法)成为了可能。不必使用为企业数据中心创建的组件,并将其安装到更小的空间中,今天的灵活设施使用工厂组装和测试IT,电源和专为该类型的机箱设计的冷却组件,具有不同的设计。

设计模块化数据中心的三种设施类型分析

关于灵活的数据中心设施,有一个重要的基础性信念:设施围绕着IT建造vs.IT围绕着设施设计,后者是数据中心行业的典型模型。动态IT操作需要一套能够响应和适应不断变化的需求,而同时又不会对成本和停机中断带来显著影响的设施(见上图1)。此外,其所具备的动态纵向扩展和缩短上市时间的能力为IT操作提供了重要的优势。这种纵向扩展(或横向扩展)不仅通过设施的模块化得以实现,而且更重要的是,实现了IT设备安装和设施设计的紧密集成。

关于灵活的数据中心设施的其他重要的,但却并非广为人知的方面与制造和现场施工工作流有关。通过重新分配现场劳动力,并将这些劳动力集中于机械和电气模块的预制来获得效率增益。在这个模型中,供应链管理成为确保准时交付和安装的主要活动之一。

什么是灵活的数据中心设施

在短时间内以显著更低的成本实现数据中心,并且该数据中心永远都不会过时的概念看起来像是一个幻想,但灵活的设施仍然是设施,必须遵循传统的流程??,遵守数据中心选址当地的建筑法规的监管。那种认为灵活的设施能够被简单地放置、插入,然后就可以让IT操作人员马上开始操作运营的信念是根本不可能的。当然,在数据中心现场正在准备的同时,制造相关的设施(或设施的部分),满足数据中心选址当地的管辖机构相关监管要求,并在与当地电力公司合作的情况下,将有助于节省原本计划中的相当多的时间。

但是电力资源和水资源都将以相同的方式消耗,而不管数据中心是何种类型,灵活的设施或传统的实体企业数据中心。此外,除非新的灵活设施能够紧密连接到现有设施,否则必须安装大量地下管道和冷却水管道。最有可能需要的是站点访问、道路、停车场、保留水池、下水道和其他元素。当然,每个项目都有其不同的要求,但该想法理念是,除了灵活的设施本身之外,还需要更多。由于许多这些数据中心都部署在远程位置,因此必须有本地运营和维护团队来提供定期实施维护,并快速响应故障呼叫是必不可少的。

最后,灵活的数据中心设施中最大的创新领域之一是冷却和IT系统的集成控制和操作。根据数据中心的设计,冷却设备将与IT设备紧密耦合,并且将对IT设备的功率状态的变化做出更快的反应,从而降低冷却系统的总体能量消耗。虽然此描述对于实际操作策略有些过度简化,但它说明了当数据中心设施转交给数据中心业主之前必须了解的一个领域:IT和冷却系统的复杂控制策略和物理紧密耦合需要额外的偶然事件,以避免在设备故障的情况下发生热过载。并发可维护性或容错的故障概念在设计数据中心时肯定不是新的。但在提供高度优化(包括空间)的灵活设施领域中,则必须探索额外的故障情况。

冷却系统的模块化和灵活性

不同的灵活设施类型可以安装不同类型的冷却系统。而数据中心最终所选择的类型则取决于许多因素,包括:设施类型、数据中心业主对设施的熟悉程度、数据中心的地理位置、第一成本、持续的能量和维护成本、可靠性和可维护性。

容器集装箱式解决方案:例如,容器集装箱式数据中心可以使用直接蒸发(DX)冷却、具备DX冷却的室外空气节约器、直接蒸发冷却(具备或不具备DX冷却均可),用于水冷计算机的冷却水等。除了任何冷却水源之外,这些冷却解决方案与容器本身是一体的。如果使用冷冻水的解决方案,则需要更多的外部设备。为了使设施尽可能模块化,可以使用与数据中心相同的方法来设计、制造和安装外部设备。因此,需要一定量的决策来确定容器集装箱化数据中心的最终配置。根据规模和可靠性水平的不同,这些类型的设施将从400 kW到2 MW不等。

工业化或预制的数据中心:这种类型的设施在选择冷却系统时提供了更大的自由度。通常,这些设施将具有室外定位的空气处理单元,其直接使用室外空气的节约、直接蒸发或间接蒸发冷却。在某些地理位置,不需要机械冷却,特别是使用高架服务器的入口温度。这种类型的设施更类似于传统数据中心建筑,并且为不包括在容器中的房间(例如控制和指挥中心,存储和设备装载区)使用更多的物理空间。模块较大,但在与容器相同的范围内,并且可以扩展,直到占地面积和电功率耗尽。

企业实体数据中心:虽然在MDC领域通常没有被考虑,但大型企业数据中心可以提供与其他类型的灵活设施类似的灵活性和可靠性。较之预制或集装箱化的数据中心,选择这种类型的设施的原因有很多,而如果经过恰当的规划,设施可以动态地适应IT系统,并且可以在不对IT操作造成威胁的情况下完成未来的扩展。这些设施可以是任何规模尺寸,并且模块尺寸通常对应于电力和冷却设备的尺寸和业务需求。中央工厂设备也可以使用模块化方法设计,以便于将来的扩展和重新配置。

一款灵活的设施如何提供效率?

这个问题可以从许多方面回答。有观点认为,随着IT战略和硬件的不断发展,数据中心空间本身可以重塑或重新定位。也有其它的观点声明了在采购和施工过程中,使用预制技术和原型的有效性。当然,这些原因以及许多其他原因为数据中心业主们提供了选择和可延展性,以确保实现最佳的数据中心设施。

最能体现一处模块化数据中心的系统是灵活设施的优点的便是其冷却系统。大多数大型商用冷却系统的固有特点是,它们通常是使用模块化方法来设计和构建的。挑战总是关于决定一个具有成本效益,能源效率并且可以轻松扩展的逻辑模块或块。这通常是说起来容易做起来难。但是这种决策过程对于数据中心更容易,因为冷却负载(IT设备)是预先确定的,并且对于设备将如何操作,以及具体的冷却负载将是什么是有了解的。

设计模块化数据中心的三种设施类型分析

一般来说,用于灵活设施的冷却系统将具有与传统数据中心相同的结构,但是将是在与数据大厅一一对应的、清晰的分立模块中(参见上图2)。这一理念适用于所有类型的冷却策略(直接蒸发、直接室外空气、冷冻水、蒸发冷却等),并且在知道具体扩张计划开始建设之前,允许更多的资本支出。

设计模块化数据中心的三种设施类型分析

除了首要成本和可施工性的优点之外,灵活的设施由于其模块化的性质,可以带来独特的能源利用效率方面的好处。为了说明这个例子,我们使用一个简单的能量模型来确定服务于数据中心的空气处理单元中的风扇电动机的累积能量使用情况。传统数据中心的模型在N + 1配置中使用较大的空气处理单元,总共三个。灵活的设施模型使用所有相同的参数,除了使用更小、更模块化的空气处理单元——总共五个N + 1配置。为了满足N + 1要求,较大的空气处理单元需要较高的风扇功率,因为??N要大于灵活的设施示例中的N。该分析模拟了4年时间段内的情况,第一年为25%,第二年为50%,第三年为75%和第四年为100%。

设计模块化数据中心的三种设施类型分析

结果表明,使用灵活设施的方法将风扇功率降低30%至50%,取决于研究所持续的时间。这种分析虽然非常简单,但其证明了通过调整基于IT设备的设备和系统来减少能源使用,并可能改进维护和操作的可能性,减少可能的过度配置和低效率(见上图3)。

下一步是什么?

鉴于对MDC需求的增加,灵活的设施将进一步发展和成熟。物联网的兴起,意味着在我们的日常生活中所使用的越来越多的事物(手表,冰箱,安全系统和其他我们甚至没有想到的东西)都将连接到互联网,不断上传和下载数据,访问数据库和存储数据集,这将推动更快速、低成本的数据中心的部署。使用灵活的设施肯定会成为这一扩展战略的一个组成部分,以便为企业组织提供必要的灵活性,进而建立强大的、基于互联网的产品和服务。

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电气模块化组件

与冷却一样,模块化或容器集装箱化的数据中心的电源组件可从电力角度分解成几个可能的组件。这些组件包括数据设备、机械冷却、主电源分配设备和备用电源。

数据容器通常由数据设备和配电板的机架组成,也可以包括本地UPS、冷却单元、火灾探测或抑制、以及照明(见上图4)。

机械冷却系统也可以位于其自己的模块化容器外部或直接附接到数据容器。这可能需要对这些机械系统单独供应电力,或者它们可以根据设计要求和层级别从相同的电源供应到容器系统。

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主要的现场电力设备,如主开关柜,可以通过多种方式指定和配置,以便为模块化的数据中心形式提供电源。一种可能的配置是一个简单的户外额定外壳,其可能是也可能不是一个步入式机柜(walk-in type)。这些类型的户外设备在许多类型的项目中是常见的,从数据中心到工业园区(见上图5)。

或者,可以在类似于数据设备的容器中提供配电设备。这种方法的好处包括单源质量控制和与其他组件的集成(见下图6)。

备用电源可以包括备用发电机、UPS、旋转或其他系统源。由于其严格的公差要求和环境条件,UPS非常适合放置在集成式冷却的集装箱或模块化单元中。户外发电机外壳通常应用于许多项目,并且可以包括步入式和非步入式外壳。与配电板一样,发电机可以配备集装箱式机箱,并作为单一来源供应商的模块化数据中心解决方案的一部分进行集成。

通常,中央电力系统,包括配电板、UPS,可以提前指定,且位于预生产的实体建筑或无墙的数据中心,而数据中心容器位于外面或部分位于该实体结构内并非罕见。这种混合的方法通过使用数据容器,为维护和运营的工作人员提供了一个更传统的中央建筑(而不是使用数据中心建筑)。

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电源配置

与常规数据中心一样,用于模块化数据中心的电气系统可以围绕各种电压电平设计,包括120 / 208、480 / 277和400V。另一种相似性是,模块化容器可以被配置或指定为符合整体系统层级。规定层级评定的Uptime Institute为电气基础设施拓扑定义了四种类型的层级(层级I,II,III和IV)。这些层为专用基础架构、冗余组件、并发可维护性和故障容差定义了性能输出。在实际的数据模块或容器中,这往往归结于是否向机架提供冗余A / B供电和内部分配的决定。

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在外部,数据容器的电源连接可以采取几种形式。使用传统的导管、电缆和断开装置的硬连线连接类似于封装的空气处理器连接。或者,模块化容器可以使用更灵活的插塞式连接(参见上图7)。

大多数数据模块的主要电源差异是使用集装箱式数据中心方法时可用的最大功率。通常,单个集装箱化数据模块对于数据处理设备将具有大约1MW的功率限制。基于客户的计算需求,这个1 MW的限制将推动所需的单个容器的数量。此限制不适用于其他类型的模块化的灵活的数据中心。

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接地和防雷

模块化数据容器需要的接地要求类似于任何数据中心。每个容器将带有内部接地系统到机架和容器内的组件。然而,工程师将需要为支持各种模块化数据中心容器和电源系统的现场设计接地系统(见上图8)。这通常将导致使用地下环和接地棒的接地网,所述接地棒将所有容器和系统互连到一个低阻抗的系统中。

除了这种接地系统,通常还要设计防雷系统,将空气终端放置在数据中心现场的集装箱、模块化结构、发电机和其他设备的顶部。

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