為部署下一代高效數(shù)據(jù)中心加速：密度規(guī)劃有了新辦法

傳統(tǒng)的說明數(shù)據(jù)中心密度的方法可歸結(jié)為一種粗放、不完整和不明確的方法。這些傳統(tǒng)的方法無法提供規(guī)劃指導(dǎo)來確保能夠預(yù)見數(shù)據(jù)中心將來在最新一代的高功率密度 IT 設(shè)備下的電源和制冷性能。

本文概述了密度規(guī)范的要求，并介紹了制定密度規(guī)范的一種新方法。該方法提供了可實(shí)施的規(guī)范，可讓 IT 員工和設(shè)備設(shè)計(jì)者之間明確交流各種要求，并加速了可預(yù)見成本效益和電氣效益的數(shù)據(jù)中心的創(chuàng)建。

部署策略

在定義密度規(guī)范要求時，必須充分考慮到隨時間變化的 IT 負(fù)載以及分階段部署。必須就供電和制冷基礎(chǔ)設(shè)施隨時間的變化作出一些假設(shè)。

那種認(rèn)為現(xiàn)有配電和空氣分配系統(tǒng)將隨著 IT 負(fù)載的變化而改變的想法是不切實(shí)際的。修改這些系統(tǒng)（例如修 改使用中的電路或水管）可能需要一組機(jī)架甚至整個數(shù)據(jù)中心的停機(jī)，或產(chǎn)生這樣的風(fēng)險。很多資料表明人為錯誤是造成數(shù)據(jù)中心停機(jī)的主要原因，而對運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行修改是造成停機(jī)的主要因素。因此，最好的方法是按照行或區(qū)域安裝供電和制冷分配設(shè)備，在該行或區(qū)域的工作生命周期內(nèi)不再對其進(jìn)行變更或重新配置。

在具體實(shí)施此最佳方法時，應(yīng)采用如下所述的部署策略：

采用標(biāo)準(zhǔn)過道間隔在平面圖上安排機(jī)架/機(jī)柜行列

確定行的設(shè)計(jì)密度規(guī)范，然后構(gòu)建可支持該密度規(guī)范的完整行。

如果要部署的設(shè)備符合現(xiàn)有行的設(shè)計(jì)規(guī)范技術(shù)參數(shù)要求，而且該行有空余位置，則可將設(shè)備部署到該行。

如果要部署的設(shè)備與有空余位置的行的密度有顯著不同，不要為了將設(shè)備部署到該行而修改供電或制 冷系統(tǒng)，而是應(yīng)該建立新的一行以滿足更高密度的要求。

隨著時間的推移，應(yīng)該將很少使用的機(jī)架行徹底拆除并按照符合當(dāng)前需求的不同密度規(guī)范來重新建立。

由于此策略可將與修改數(shù)據(jù)中心使用中的機(jī)架行有關(guān)的人為錯誤降到最低，因此我們強(qiáng)烈推薦您采用此策略。 此行之有效的策略的確為密度規(guī)范設(shè)立了一條限制，即機(jī)架行系統(tǒng)的供電和制冷分配在安裝后就不能改變。

注意，市場上有一些供電和制冷分配產(chǎn)品允許重新配置供電和制冷架構(gòu)而不會造成停機(jī)的風(fēng)險。例如，APC InfraStruXure 系統(tǒng)可以：

通過添加可熱插拔的模塊來改變 UPS 功率輸出

通過添加可熱插拔的機(jī)架配電單元來改變機(jī)架中的插座類型和容量

通過插入式架裝設(shè)備來增加補(bǔ)充冷卻氣流的容量

此類設(shè)備提供了一些附加的靈活性，允許在安裝之后進(jìn)行修改，因此特別適用于不適合進(jìn)行分階段、分行部署的小型設(shè)施。

行或區(qū)域內(nèi)的峰值密度和均值密度

盡管，每個機(jī)架具有絕對相同的負(fù)載功率可以簡化密度規(guī)范，但是先前的討論顯示，這是一個不可能實(shí)現(xiàn) 的目標(biāo)，因?yàn)樵趯?shí)際安裝中幾乎不可能做到這一點(diǎn)。事實(shí)上，機(jī)架密度的范圍可能在零（配線架）到 30 kW（高密度刀片式服務(wù)器）之間變化。這種變化對有效的密度規(guī)范的特性產(chǎn)生了巨大影響。

由不同功率的機(jī)架組成的特定機(jī)架行或區(qū)域中，平均機(jī)架功率將低于最高機(jī)架功率值。因此，行內(nèi)的機(jī)架功率峰值/均值比實(shí)際上往往比一大或等于一。非常有益的做法是考慮多種替換方法來指定機(jī)架行的功率密度設(shè)計(jì)，以便在行內(nèi)支持具有不同機(jī)架功耗的一組機(jī)架。

將行內(nèi)所有機(jī)架的功率都設(shè)計(jì)為峰值。指定行密度的一個方法為，指定行中的任何機(jī)架或所有機(jī)架的功率和制冷密度容量為機(jī)架功率的最大預(yù)期峰值。在這種情況下，總制冷容量和功率容量必須按照所有機(jī)架都可以達(dá)到最大功耗的假設(shè)情況來確定其規(guī)范。這必然會導(dǎo)致實(shí)際功率和制冷容量規(guī)模過大，因而導(dǎo)致資金和操作成本 的增加，同時降低了電氣效率。如果每機(jī)架功耗的峰值/均值比等于一，則上述這些不利之處都可以避免；但是，如果行內(nèi)的每機(jī)架功耗峰值/均值比為 1.5 或更高，則上述問題都會出現(xiàn)，另外，這個規(guī)范最糟糕的情況 就是沒有考慮到可降低每機(jī)架功耗的峰值/均值比的情況，即最大值功率機(jī)架產(chǎn)生的負(fù)載可能呈分散分布。一般來說，在機(jī)架峰值功率最差的情況下指定整體行密度并不是最優(yōu)選擇，除非每個機(jī)架的功率峰值/均值比非 常接近1，但是在一般安裝中，出現(xiàn)這種情況的幾率非常低。

將行內(nèi)所有機(jī)架的功率設(shè)計(jì)為平均值。指定行密度的另一個方法為，指定所有機(jī)架的功率為平均功率密度。和前一個方法一樣，這個簡單的方法并不令人滿意，但導(dǎo)致不滿的原因卻不盡相同。這個方法要求在任何機(jī)架負(fù)載可能超過均值時，減少設(shè)備直到機(jī)架的負(fù)載等于或小于均值。此外，這個方法還存在實(shí)施上的限制，實(shí)際密度低于指定設(shè)計(jì)密度的機(jī)架所產(chǎn)生的未使用的功率和制冷容量并不能給其他機(jī)架產(chǎn)生額外的功率和制冷容量。這是因?yàn)樾械脑O(shè)計(jì)僅僅是為了讓每個機(jī)架的功率和制冷最大能達(dá)到平均值。考慮下列情況：某個 IT 操作 人員想要在設(shè)計(jì)容量為每機(jī)架 2 kW 的行中部署一個 4 kW 的刀片式機(jī)箱。有人可能會認(rèn)為從未使用的機(jī)架中 引接一個 2 kW 的電源插座（如果可行）至刀片式機(jī)箱是一個可行的辦法。但是，為這 4 kW 的負(fù)載制冷卻成 為一個問題，因?yàn)橹评湎到y(tǒng)的設(shè)計(jì)容量在 2 kW 以下。另外，由于其中一個機(jī)架的電源被其他機(jī)架占用，因此這個機(jī)架也不再可用。

比較上述兩種情況的要求，我們可以得知，有效密度規(guī)范的一個重要因素為應(yīng)當(dāng)指定行內(nèi)的機(jī)架功率峰值/均 值比，并且該比值應(yīng)當(dāng)大于 1。如何選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)架功率峰值/均值比取決于實(shí)際機(jī)架的預(yù)期變化。圖 1 中顯 示了典型數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的限制和假設(shè)這二者的關(guān)系：

圖 1 顯示已安裝的 IT 設(shè)備中，在三種不同的實(shí)際機(jī)架功率變化的情況下，機(jī)架密度規(guī)范的峰值/均值比是如何 影響電源和制冷基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)總擁有成本 (TCO) 支出的1。數(shù)據(jù)顯示，在所有機(jī)架具有相同功耗的情況下， 機(jī)架密度峰值/均值比等于一時，TCO 為最佳（最低）。這種效應(yīng)的解釋可歸因于指定額外的峰值功率密度容 量會增加功率和制冷分配的支出，但在所有機(jī)架都具有相同功耗時不會導(dǎo)致總擁有成本增加。但是，如果實(shí)際 安裝的機(jī)架功率不同，峰值/均值比沒有增加時，則會增加總擁有成本。這是因?yàn)榇嬖跓o法使用的功率和制冷容量，同時，指定的 IT 設(shè)備需要增加地板空間，二者共同產(chǎn)生了這種效應(yīng)。結(jié)果是，機(jī)架密度的峰值/均值比大于 1，在實(shí)際安裝中可獲得最佳的 TCO。

這就引出了有效制定數(shù)據(jù)中心密度規(guī)范的另一個重要因素：在典型的設(shè)計(jì)中，行內(nèi)的機(jī)架功率密度峰值/均值 比應(yīng)當(dāng)大約為 2，如果行內(nèi)的預(yù)期實(shí)際機(jī)架功率密度峰值/均值比大于 2，建議在機(jī)架間分散最大密度的 IT 負(fù) 載來限制峰值/均值比，或?qū)o關(guān)的負(fù)載重新分配到其他行。

基于規(guī)則的密度規(guī)范

如果某行或某區(qū)域中的均值和峰值機(jī)架功率密度設(shè)計(jì)已經(jīng)指定為經(jīng)預(yù)見可實(shí)施的規(guī)范，則該規(guī)范可行。如果峰值機(jī)架功率接近平均值，則可直接實(shí)施。但是，如果行內(nèi)的機(jī)架峰值/均值比接近 1.5 或更大，則實(shí)施該設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)和成本都將增加。確保只要不超過平均功率值，任何機(jī)架都可以在峰值功率的水平上操作，在使用高架地板送風(fēng)系統(tǒng)的安裝中，這樣造成的問題可能會成為非常嚴(yán)重的限制。如果在密度規(guī)范中允許使用基于規(guī)則的 密度部署，可獲得的整體均值和峰值功率密度都可以提高。

要理解基于規(guī)則的規(guī)范所解決的問題，請考慮將機(jī)架功率密度的峰值/均值比設(shè)定為建議的 2 時，在現(xiàn)有高架 地板制冷系統(tǒng)中安裝機(jī)架的情況。從電源系統(tǒng)這方面來看，在最大機(jī)架密度下，每個機(jī)架都必須擁有一定的功 率配額，而機(jī)架則通過 PDU 或 UPS 來供電，其額定值為平均機(jī)架密度乘以 IT 機(jī)架的個數(shù)。這個方案實(shí)施起 來非常簡單。但是，從冷卻角度看，每個機(jī)架并不具有定義良好的空氣分配系統(tǒng)，其額定值為平均機(jī)架密度的 兩倍。要在密度超過均值時操作機(jī)架，必須從鄰接的低于均值密度的機(jī)架中借用未使用的容量。在使用具有有 限通風(fēng)容量的高架地板時，這就意味著在行內(nèi)分散高密度機(jī)架會顯著降低制冷系統(tǒng)上的局部超負(fù)荷。如果規(guī)范 具備建立行內(nèi)高密度機(jī)架位置規(guī)則的能力，則可以在系統(tǒng)限制范圍內(nèi)獲得較高的峰值和平均值密度。

具有簡單規(guī)則的示例為，機(jī)架僅可以超過均值額定功率的量為相鄰機(jī)架平均功耗低于均值的量。更復(fù)雜的規(guī)則 可以用來最大化已知安裝中可預(yù)見的功率密度，并且這些規(guī)則可以在功率和制冷管理系統(tǒng)中實(shí)施2。

針對未來的增長指定密度選擇

很多數(shù)據(jù)中心并不是一次完全建成，而是隨著時間的推移不斷擴(kuò)