不斷發(fā)展的技術已經(jīng)發(fā)展出了為創(chuàng)建安全、可靠、高可用性和適應性強的數(shù)據(jù)中心空間的最佳實踐方案。
對于當前數(shù)據(jù)中心業(yè)界的工程咨詢顧問人員們而言，設計越來越高效和可靠的數(shù)據(jù)中心仍然是一大高度優(yōu)先級事項。從保持業(yè)務的連續(xù)性和管理運營到最新的云服務和外包服務的急速增長，以及對互聯(lián)網(wǎng)服務需求的不斷增長給數(shù)據(jù)中心的設計、能源消耗和這些設施的運行不斷帶來巨大的壓力。而在設計使用最先進的系統(tǒng)和設備時，我們也不能忘記數(shù)據(jù)中心操作人員和基礎設施工作人員的功能需求。
設計效率
日益增長的互聯(lián)網(wǎng)需求使數(shù)據(jù)中心的服務器和存儲容量變得異常緊張。即使在2008年產(chǎn)生了服務器虛擬化革命之后，所需的服務器數(shù)量仍將呈指數(shù)級增長。為了滿足由此帶來的對于基礎設施的需求，新的數(shù)據(jù)中心電源和冷卻設計在其設計的每個部分都需要具備提供可擴展的容量和提高的效率的能力。這在很大程度上是由于能源生命周期成本的經(jīng)濟性和數(shù)據(jù)中心需要消耗大量的電力資源的大環(huán)境所推動的，由此也就激發(fā)了電氣和信息技術(IT)設備領域的各種創(chuàng)新靈感。
效率一直是集成整合設計的一項要求。其可以被概括為平衡架構和工程，以便響應設施共享的環(huán)境的一個迭代過程。相關設施的地理位置、方向和暴露在數(shù)據(jù)中心操作環(huán)境中的具體情況會在數(shù)據(jù)中心的熱交換中發(fā)揮相當關鍵的作用。這為數(shù)據(jù)中心設計工程師們提供了關于采用這些暴露的材料以有效地平衡機械和電氣設計的信息。高效、非破壞性的規(guī)模化縮放是關鍵。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的基礎設施和系統(tǒng)必須考慮容量規(guī)劃，以便有效地為初始數(shù)據(jù)中心IT空間服務。必須注意在最初的低需求水平下創(chuàng)建有效的運營，以及具備以最少的資本在超大規(guī)模，且不會在未來發(fā)生中斷的情況下，擴展到未來更高的需求的能力。
能源效率是非常重要的，但其并不是數(shù)據(jù)中心設計的全部。相關的基礎設施也必須能夠引起操作運營人員的反應。對美感、比例和風格的感知也是至關重要的。數(shù)據(jù)中心設計不僅僅關乎到能效和性能。集成整合設計在做得很好的情況下，能夠促使在其中工作的操作運營人員產(chǎn)生情緒反應。當我們在看到一輛設計時尚的汽車時就會體驗到這一點。形式和功能的平衡，加上設施在環(huán)境中的共享，說明了集成整合設計的重要性。效率只是這其中的一部分，但這是設備在其使用壽命期間內(nèi)保持運行有效性和能量成本控制的關鍵，正如對于一輛設計時尚的汽車而言，其發(fā)動機性能和燃氣里程數(shù)至關重要一樣。而在數(shù)據(jù)中心的設計中，工程師們的設計可能會對支持數(shù)據(jù)中心業(yè)務的經(jīng)濟性和環(huán)境問題產(chǎn)生巨大影響。
第一個數(shù)據(jù)中心的能源效率指標是由綠色網(wǎng)格組織所正式推出的。該組織成立于2007年，是由一些數(shù)據(jù)中心IT設備制造商所共同成立的，綠色網(wǎng)格組織總結了計算數(shù)據(jù)中心電力使用效率(PUE)的一個方程公式。而到了今天，其仍然是一個簡單的能夠顯示數(shù)據(jù)中心如何有效地使用了機械和電氣基礎設施能源的一個比率公式。
PUE =總設施能量消耗/ IT設備的能量消耗
該方程提供了一個簡單的方法來將理想數(shù)據(jù)中心PUE值：1.0來與數(shù)據(jù)中心實際所需的電氣和機械系統(tǒng)相關的百分比進行比較。總的設施能量消耗必須包含支持數(shù)據(jù)中心環(huán)境和數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有IT設備所需的全部電源消耗。由此產(chǎn)生了每年平均的PUE值反映了非IT設備所需的百分比在1.0以上。例如，1.5的PUE值表明，除了操作服務器、網(wǎng)絡、存儲器等所需的直接能量消耗之外，數(shù)據(jù)中心還需要多余的50%的能耗用于支持這些設備。
PUE的計算使得在類似氣候條件下的不同數(shù)據(jù)中心設計之間得以進行比較和競爭，并有助于在類似的氣候區(qū)域建立最佳實踐設計方案。例如，冰島地區(qū)氣候條件的數(shù)據(jù)中心與位于南佛羅里達的相同設計的數(shù)據(jù)中心相比較差。機械冷卻能量傳入和傳出數(shù)據(jù)中心受到數(shù)據(jù)中心共享的環(huán)境和部署的系統(tǒng)的強烈影響。
雖然PUE值未能捕獲IT硬件部署的效率(即：虛擬化的百分比、使用百分比等)，但其會對結果標準化，以揭示電氣和大部分機械工程在響應數(shù)據(jù)中心環(huán)境維護方面的良好程度，同時降低其對自然環(huán)境的影響。
PUE只是一種測量方法。在過去10年中，已經(jīng)出現(xiàn)了許多專門針對數(shù)據(jù)中心的規(guī)范和標準。 ASHRAE開發(fā)出了一套全面的實用工程響應，專門針對數(shù)據(jù)中心環(huán)境的獨特性。高效的數(shù)據(jù)中心并支持空間工程實踐，戰(zhàn)術和相關要求被整合到了ASHRAE的TC9.9，Datacom系列指南，以及最新更新的ASHRAE 90.1：除低層住宅建筑之外的建筑能源標準。
電氣效率
電氣系統(tǒng)效率致力于最小化電壓和電流轉換的損耗。變壓器的阻抗、不間斷電源(UPS)、電源、照明、機械設備和布線廠——與控制相結合——影響了電氣效率機會。更高的電壓到機架，UPS旁路或交互式模式，以及交換開關模式電源形成了電能的核心進步。在較低負載(30%及以上)使用變壓器優(yōu)化以實現(xiàn)高效低損耗性能已經(jīng)成為主流。這些變壓器越來越多地向機架提供更高的電壓(240 Vac)，從而降低IT設備交換開關電源的能量損耗。也許UPS系統(tǒng)已經(jīng)成為最受關注的轉換技術改進，甚至在線互動操作模式也已經(jīng)引起了最大的關注。而在過去，在線交互模式會被認為是有風險的。
隨著設備從變壓器和電機所獲得得繞線效率的提高，工程師必須特別注意可用的故障電流或可用的中斷電流(AIC)管理。更高的效率會導致更大的可用故障電流，因此，如果不經(jīng)妥善管理，則會增加高架電弧閃光危險。 故而《NFPA 70E：工作場所電氣安全標準》和承包商風險代理將安全的重要性放在了保持業(yè)務連續(xù)性之上。因此，在配電單元最小化AIC能耗對于數(shù)據(jù)中心空間內(nèi)的風險管理是相當重要的。應考慮UPS配電中的限流斷路器，以降低故障能耗，并在整個電源鏈中進行選擇性協(xié)調(diào)。這些方面的努力都是為了盡量實現(xiàn)業(yè)務節(jié)約并加強安全的一部分。
為了解決最常見且通常是最具物理破壞性的故障條件，接地故障，并同時保持最高可用性，數(shù)據(jù)中心工程設計師必須考慮將接地故障中斷進一步推入配電。通過使用接地故障檢測和對隔離的單個主配電段的中斷，可以在不同的故障條件下接合主斷路器。避免主斷路器接地故障中斷應該是一個優(yōu)先事項。配有光電故障檢測和電流減少電路(相對較新的選擇性協(xié)調(diào))的主開關設備可將故障隔離到開關柜。不要忽略工程師可以采用高電阻接地設計，允許接地故障在較低的能量消耗情況下持續(xù)，直到可以識別確定位置。每種方法都有其各自的優(yōu)缺點，故而工程師們必須根據(jù)所采用的配電策略進行評估。
當重要的電力導線位于地下或板下時，電氣工程師還必須密切注意該地點的土壤電導率。連續(xù)高負載系數(shù)的能量損失需要仔細分析，以精確地確定這些地下饋線的規(guī)模，以獲得數(shù)據(jù)中心連續(xù)負載特有的加熱效應。在分析負載系數(shù)，混凝土封裝，導線規(guī)模和擴展管道庫之后，預計可以減少數(shù)據(jù)中心負載特性產(chǎn)生的加熱效應。此外，土壤報告有助于進行精確的接地計算，并確定識別水位深度。到達地下水位的導線部署是非常有益的，因為它們具有低阻抗。
新的基于云服務的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)迫使數(shù)據(jù)中心運營商們必須采用更高的功率密度和負載系數(shù)，這為效率創(chuàng)造了強大的支撐。為了實現(xiàn)每臺機架的負載達到10到30 kW(或更多)，設計過程中可能需要向機架添加冷卻液，緊耦合冗余冷卻和熱存儲系統(tǒng)。在設計靠近水和其他冷卻液體的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)時，工程師必須平衡PUE和用電效率與可用性。創(chuàng)建一套始終可用且可維護的設計，確認故障潛力的獨特需求，甚至是響應機架水泄漏的設備，都是非常關鍵的。操作運營人員如何在不發(fā)生中斷的情況下為每項處理事件提供服務是每個設計響應中的重要組成部分。
機械效率
為數(shù)據(jù)中心設計的機械系統(tǒng)負責管理機器效率、熱傳遞、控制和空氣/水流量的損失，以實現(xiàn)更高的效率。今天的最佳實踐策略必須關注于氣流管理和節(jié)能器操作。這些措施包括密封遏制和可變氣流，空氣/水側的節(jié)能和絕熱加濕，以實現(xiàn)最大的節(jié)能和最低的PUE。控制在管理設備和冗余方面仍然至關重要，但也應用于調(diào)整冷通道中的溫度和濕度條件。
在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，架構師和工程師必須共同處理獨特的熱環(huán)境。許多數(shù)據(jù)中心操作環(huán)境空間中的溫度和濕度條件需要特別注意，以便管理與周圍環(huán)境空間的能量交換。墻體結構類型，絕緣水平和蒸汽阻擋層是必須考慮的幾個因素。空氣，水，電氣和電信基礎設施的滲透在這些邊界需要特別注意。建筑架構師和工程師必須管理由內(nèi)部環(huán)境所創(chuàng)建的熱能交換。內(nèi)部空間溫度和濕度條件應由設計說明。密封遏制解決方案提供緊密的氣流管理，但應適當考慮穿過和通過密封結構及其鄰近的增量。
IT設備制造商和數(shù)據(jù)中心運營人員在能源管理中發(fā)揮了關鍵作用。這種類型的設備消耗了最多的能量。降低IT能耗有利于降低電氣和機械系統(tǒng)的能源使用和損失。專注于服務器虛擬化，整合和停用以及高效電源選擇的運營商將極大地提高數(shù)據(jù)中心性能。所有這些措施結合在一起，形成了有效的數(shù)據(jù)中心IT操作的完整視圖。
在數(shù)據(jù)中心的整個生命周期中可能會經(jīng)歷10到30代不同的IT設備。憑借對技術歷史的掌握和未來技術的愿景，我們創(chuàng)造了高效的、適應性強的環(huán)境，能夠持續(xù)到未來。
特定數(shù)據(jù)中心站點空間的考慮因素
接近充足的電力供應、電信運營商和水利水電設施是數(shù)據(jù)中心選址的一個主要優(yōu)先事項。但是，其他一些考慮因素也起到了關鍵性作用。數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃必須評估和解決各種具體的場地和空間需求(見上圖1)。評估場址5英里內(nèi)的區(qū)域潛在威脅，例如危險材料操作，是至關重要的。而且即使附近地點發(fā)生事故也不應影響到數(shù)據(jù)中心關鍵任務的操作。
概念數(shù)據(jù)中心計劃
在評估和建立適當?shù)臄?shù)據(jù)中心安全級別時，數(shù)據(jù)中心選址站點與鄰近物業(yè)和道路的關系起著重要的作用。數(shù)據(jù)中心物理結構的規(guī)劃以避免其受到諸如停車場和訪問入口和裝卸碼頭等人為威脅的影響。內(nèi)部空間規(guī)劃則側重于邏輯的空間關系和所需的大小(見下圖2)。由人員配置和安全狀態(tài)所決定的要求，將影響到數(shù)據(jù)中心的安全和結構。一些數(shù)據(jù)中心空間，如郵件處理，越來越多的采用外包或物理分離，以控制風險。
隨著數(shù)據(jù)中心站點的建立，其操作空間可以提供外部和內(nèi)部的電氣，機械和能量存儲系統(tǒng)。在這些空間內(nèi)，需要巨大的功率來保持技術的運行以及需要保持24/7全天侯的冷卻設備。因此，能源的管理和高可用性的創(chuàng)造是商業(yè)必需品。
業(yè)務運營和連續(xù)性
即使采用冗余設計，設計人員也可以通過識別和減少導致停機的風險，來持續(xù)的提高服務的連續(xù)性。這些原因的歷史表明設計師們可以幫助改善運營的連續(xù)性并降低運營成本。Ponemon Institute的研究顯示，隨著市場對于數(shù)據(jù)中心處理信息需求依賴性的增加，停機中斷的成本指數(shù)也在不斷增長(2010年為5,000美元/分鐘，2016年為9,800美元/分鐘)。
通過為數(shù)據(jù)中心設施管理人員提供操作和測試其基礎設施所需的工具和信息圖形，設計人員可以幫助創(chuàng)造更大的業(yè)務連續(xù)性。當操作人員必須對瞬間發(fā)出的通知在第一時間作出響應時，更直觀，更快響應和可管理的系統(tǒng)有助于改善他們的知識和判斷。
任務關鍵的可靠性/可用性，操作人員和直覺
推動數(shù)據(jù)中心和關鍵任務設施的設計和運營的根本重要問題保持相對不變。高度可用，高效，耐用的設施，平衡客戶的資本和運營成本要求是目標。這些操作空間是為未來的IT系統(tǒng)及其操作人員而設計的。這是因為對這些設施生成的信息及其存儲的數(shù)據(jù)的需求不斷增長。現(xiàn)如今的市場對于數(shù)據(jù)中心服務的依賴性超過了歷史上的任何時候，并且其依賴性還將繼續(xù)加速。因此，這需要專業(yè)人員巧妙地將IT設備與可以操作這些設備的人員(在不發(fā)生停機中斷的情況下)結合在一起(見上圖3)。
在所有基礎設施元素中可靠的設計是關鍵。提供最簡單，最可靠的交付路徑系列，以服務負載冗余。路徑應該彼此隔離，并且設計為允許操作人員為該路徑中的每個元素服務而不會使數(shù)據(jù)中心發(fā)生中斷。可以通過在盡可能接近負載點處設計路徑互連(例如，用靜態(tài)交換開關電力)來實現(xiàn)額外的增強效果。交付路徑的進一步物理分離也是有益的，因為這可以防止一個因果事件使兩個服務都被中斷。
計算的可靠性是具有挑戰(zhàn)性的。許多設計者可能會質(zhì)疑用于計算可靠性的數(shù)據(jù)的完整性。此外，計算的可靠性對操作人員的要求很少，只有設備的零部件。在發(fā)生中斷后，運營商的響應和恢復操作的時間不會對可靠性有任何影響。但是，可用性可以通過捕獲時間來恢復操作。運營商操作員的平均修復時間(MTTR)捕捉到了這個關鍵的時間來評估、診斷、組裝零件、維修、檢查，并將系統(tǒng)返回服務。這是一個關鍵點。平均故障間隔時間(MTBF)是元件可靠性的關鍵因素，更不用提運營商所面臨的關鍵挑戰(zhàn)了。
AI = MTBF / MTBF + MTTR
在上述公式中：平均故障間隔時間(MTBF)=正常運行時間/系統(tǒng)故障數(shù)
MTTR =校正維護停機時間/系統(tǒng)故障數(shù)
查看計算的可用性，其看起來應該相當類似于PUE——一個所有設計師都應該熟悉的數(shù)字。與PUE一樣，但是卻是其倒數(shù)，即通過盡可能將分母(MTTR)減小到接近零修復時間，以實現(xiàn)最佳可用性。
無論設計電信，電力，冷卻，水，安全或是物理空間，這種框架的彈性對于基礎管理和防止出現(xiàn)停機中斷的原則都是至關重要的。即使是最好的設計和操作也可能會發(fā)生失敗。那么應該如何幫助運營商來響應和恢復服務呢?
運營商的操作運營人員經(jīng)常也會面臨相當復雜和難以管理的設計問題，甚至在面臨壓力的緊急情況時更是如此。通常，物理分散在整個數(shù)據(jù)中心設施中的各種組件也增加了這種復雜性，使得操作人員難以物理監(jiān)視正在發(fā)生的狀況。因此，工程師應確保他們的數(shù)據(jù)中心設計既能夠通過在計劃或非計劃事件后協(xié)助恢復，同時還可以增加操作員管理系統(tǒng)和提升可用性的信心。
工程設計師必須通過創(chuàng)建精心設計的程序方法來滿足運營商操作人員的需求，支持在數(shù)據(jù)中心設施的整個生命周期內(nèi)對于關鍵基礎設施組件的重復測試。時間的流逝不應該在數(shù)據(jù)中心初始調(diào)試后影響到運營商的思維理念。設計人員可以支持將來所需要的禁用，旁路，隔離，測試和響應故障，同時減少客戶對停機中斷的恐懼。過度夸張的模擬總線，文本和指令所創(chuàng)建的直觀的理解有助于幫助操作人員面臨的停機中斷的極端壓力。聽取運營商操作人員的關注問題應該成為工程設計師主要的目標之一。基于這個驅(qū)動原則，運營商的操作人員才能夠在未來管理他們的系統(tǒng)時保持信心。
創(chuàng)建工具集以操作運營數(shù)據(jù)中心是很重要的，但直觀的可視化也是相當關鍵的。數(shù)據(jù)中心基礎設施管理(DCIM)軟件就是這方面工具的一個例子。 DCIM工具已經(jīng)獲得了重新的普及，并提供了許多功能，可以幫助運營商的操作人員成功的操作運營。運營商還需要查看滯留容量，計劃下一次的IT部署，并確定當前運營能力的弱點。
其它額外的工具。對于遠程電氣和機械系統(tǒng)的狀態(tài)和控制可以集成，從而可以通過一個儀表板就能夠讓操作人員得以即時了解整個設施的運行狀態(tài)。這個概念可以擴展到具備大型簡化模擬總線，流/狀態(tài)指示器和遠程操作員處理的中央控制室，這可以簡化理解和操作設施的任務(參見下圖4)。在控制室中，操作人員可以將他們的注意力從每個項目的復雜性轉移并集中于工作負載的狀態(tài)方面。這不是一個新的方法;發(fā)電廠已經(jīng)采用這種方法50多年了。在控制室內(nèi)，設計師可以幫助操作人員舒適地觀察他們的設施，建立直觀的視圖，并通過團隊合作在風險壓力升高時相互支持。
數(shù)據(jù)中心特性和未來
任何數(shù)據(jù)中心的特性均包含了如下三個因素：
1 用于提供服務的IT組合和比例
2 支持該技術組合的地方和基礎設施
3 支持上述兩者的人員的愿景
數(shù)據(jù)中心基礎設施設計一直試圖能夠智能地預測和適應未來必須支持的IT設備。預期未來將會發(fā)生快速，持續(xù)的變化。最近，家庭和企業(yè)所出現(xiàn)的足夠低成本的帶寬為服務客戶創(chuàng)造了更多的機會。
云計算和內(nèi)容驅(qū)動的數(shù)據(jù)中心的興起已經(jīng)開始與傳統(tǒng)的企業(yè)IT服務和設備分離。外包數(shù)據(jù)中心，如Unisys，IBM，Infocrossing和其他公司，幾十年來一直使用標準設備提供服務。然而，云服務和內(nèi)容提供商正在創(chuàng)建定制化的IT設備集，如具有集成電池的服務器，這些服務器正在改變業(yè)務結構。這些新設備將對托管、外包和企業(yè)數(shù)據(jù)中心所產(chǎn)生的影響尚不清楚。然而，隨著下一代IT設備的推出，他們創(chuàng)建的服務器和存儲趨勢將是非常重要的。
半導體制造商們不斷設計新一代的、具有越來越高的性能、更低的成本和尺寸規(guī)模更小的芯片。這種尺寸規(guī)模的減小和功耗的增加在過去幾十年中是對設計影響的響應。其還暴露了一些設施的設計弱點，必須升級其基礎設施或面臨未使用的空白空間。在過去20年中，無法預測的技術不斷興起，這使得在20世紀90年代中期根本不可能預測2000年早期的數(shù)據(jù)中心負載會超過200 W / sq-ft。今天，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心還沒有超過100 W / sq-ft。未來還將不斷誕生更多已知和未知的技術，并將找到其各自的方式來為我們服務。諸如量子光學處理器和直接接觸式液體冷卻等技術有可能為300多萬美國的數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)有庫存注入新的活力。有一點是肯定的：數(shù)據(jù)中心的特性預計還將不斷發(fā)展。
數(shù)據(jù)中心設計的歷史和趨勢可追溯到1960年及以前。不斷發(fā)展的技術管理已經(jīng)發(fā)展成為最佳實踐，以創(chuàng)建安全，可靠和高可用空間，并必須適應不斷發(fā)展的未來的需求。歷史表明，市場對于數(shù)據(jù)中心處理需求的依賴和對這些設施所服務的信息的越來越多的依賴不會很快減慢。隨著時間的推移，能效和連接性仍然是數(shù)據(jù)中心設計的核心。此外，在所有這些希望和想象中，我們必須永遠不要忘記增強靈感，并支持操作這些高度復雜的機器的操作運營人員的需要。
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