幾十年來，大多數企業組織都是由外而內的逐步架構他們的數據中心：也就是說，他們往往是從數據中心的建筑設計開始著手，然后再才考慮如何定位安置和冷卻該數據中心建筑物內的服務器機架的。然而，現如今，越來越多的設計歷史陳舊的數據中心已然無法有效地應對當前不斷穩定的爬升的功率密度和數據中心的日漸提升的操作環境溫度了。
由此，當前的企業組織紛紛正在慢慢開始采用一種全新的數據中心設計方法，在這種全新的設計方法中，他們將由內而外的規劃其新的設施，首先選擇服務器機架及其冷卻技術，然后圍繞它們進行數據中心設計的結構。
在本文中，我們將與廣大讀者朋友們共同探討使得當前企業數據中心的冷卻比以往任何時候都更具挑戰性的相關因素，并還將為大家解釋為什么從服務器機架，而不是服務器機房開始著手數據中心的設計流程可以幫助企業降低能耗，增加容量，并優化數據中心占地空間的利用率。
數據中心冷卻挑戰
得益于當前企業組織對于各種新興技術的廣泛積極的采用，使得當前企業數據中心的操作運行始終保持在一個相對安全的工作溫度范圍內，而這些新興的技術就包括：
●虛擬化技術：借助虛擬化技術的部署，一款單一的物理服務器就能支持多臺虛擬機，而且每臺虛擬機都有其自己的操作系統和應用程序。這反過來，可以降低企業的硬件采購和維護成本，進而使得企業組織得以能夠將未充分利用的服務器整合到更少數量、功能更為強大的主機設備上。但是，實現了更為充分利用的服務器同時也將會是一臺散熱更多的服務器。此外，一些使用了虛擬化技術的企業組織也在同時使用管理軟件，以便能夠根據工作負載的均衡要求，將虛擬機動態的重新定位托管到新的主機服務器上。在這樣的數據中心，相關利用率最高的設施的散熱量也就最大，故而會使得數據中心的某些部分可能每天甚至每小時的都散熱需求都不同。
●刀片式服務器：刀片式服務器通常與虛擬化技術結合使用，是即插即用的處理單元，具有共享的供電電源、風扇、電纜和存儲。通過將大量的計算容量壓縮到少量空間，刀片服務器可以有助于顯著的降低數據中心的空間占地需求。但不幸的是，刀片式服務器會將每臺服務器機架的功率密度提升到15 kW以上，從而顯著提高數據中心的散熱水平。
●多核處理器：今天的多核服務器處理器比它們的單核前代產品功能要強大得多，當然，他們對于電力的需求也遠遠超過了前代產品。實際上，配備了雙核或四核處理器的服務器平均每臺機架所消耗的功率將達到12到16 kW，從而顯著提高了服務器機架的操作運行溫度。
●云計算：為了降低運營開銷，并提高效率，當前有越來越多的企業開始紛紛積極的采用云計算解決方案。根據全球知名的市場分析公司IDC的調研數據顯示，在全球范圍內，通過互聯網交付提供應用程序和基礎設施資源的公共云服務解決方案領域的支出已經從2010年的215億美元躍升至2015年的729億美元。與此同時，私有云服務基礎架構也在企業數據中心迅速發揮著重要作用。對于私有云服務基礎架構而言，其與公共云服務所采用的技術基本相同，僅僅只是在企業的防火墻之內使用。然而，這兩種類型的云服務通常都需要使用大量的商品化服務器，進而將顯著增加企業的功率和冷卻散熱需求。
此外，更為復雜的是，今天的數據中心設計人員還必須充分考慮到除了上述這些技術因素之外的非技術型因素，而這些非技術型因素包括：
●政府相關機構旨在降低數據中心耗電量和溫室氣體排放量的環境保護監管法律法規的不斷出臺，包括諸如英國的碳減排承諾立法，正在變得越來越普遍，推動企業數據中心必須盡可能的實現更高的能源效率。
●由于當前的數據中心業界對于諸如風能和太陽能，老化電力傳輸系統和公用電力服務事業放松管制計劃等環境友好，但成本昂貴的電源的采用日益增多，使得能源成本不斷上升，進一步促進了業界對于更高能源效率的需求。
●諸如美國環境保護局等監管機構以及眾多的公用電力服務公司正在向數據中心企業提供節能獎勵回扣，以推動實現顯著的節能效果。
●構建和運營數據中心的高額成本代價使得當前的企業紛紛都在積極的在不影響對于其業務需求滿足的前提下，尋求縮小其計算設施的物理占地空間的方法。
數據中心冷卻策略的演變
在功率密度和散熱需求水平不斷提高的推動下，近年來，企業數據中心的冷卻散熱管理策略也發生了重大變化。
1、混沌空氣分配策略
直到最近，大多數數據中心的冷卻方案都依賴于所謂的“混沌”空氣分配方法。在該方法中，圍繞著服務器機房周邊的計算機房空調(CRAC)單元提供大量的冷空氣，而這些冷空氣即用于冷卻IT設備，同時還用于幫助將服務器所排出的熱的廢氣推向設施的回風管道。
然而，這種混亂的空氣分布通常會導致各種顯著的降低效率方面的問題，包括：
●再循環：熱廢氣很可能回到服務器進氣口，進而將IT設備加熱到潛在的危險操作溫度。
●空氣分層：基于不同溫度層中的空氣質量的自然趨勢可能會迫使精密冷卻設備的設定點需要低于推薦值。
●旁路空氣：冷卻的供氣可以在通過服務器之前加入回流氣流，從而降低冷卻效率。
2、熱通道/冷通道策略
為了提高冷卻效率，并與數據中心操作環境溫度的穩步攀升保持同步，一些企業很快轉向開始采用服務器機架的熱通道/冷通道分隔定位安排機架的方法，該方法將相鄰既定服務器機架行的熱空氣排氣口在熱通道彼此面對面，而冷空氣進氣口則在冷通道彼此面對面。這種配置方法有助于產生氣流的對流，進而產生連續的冷卻氣流。
盡管如此，雖然該方法優于混沌空氣分配策略，但熱通道/冷通道隔離的策略已被證明僅僅只能夠為當前日益密集的數據中心提供足夠的冷卻能力。這主要是因為這兩種方法最終都具有一大共同的致命缺陷：這兩種方法都允許空氣在整個數據中心操作環境空間內自由的流通。
3、密封遏制策略
上述管理策略方案的共同缺陷最終導致了密封遏制冷卻策略的采用。該方案主要是被設計用于組織和控制氣流，這種解決方案將服務器機架封裝在密封結構中，捕獲熱廢氣，并將這些熱廢氣排放到CRAC單元，然后將冷空氣直接輸送到服務器設備的進氣口。最終，該方案為企業數據中心的管理帶來了一系列重大的益處：
●提高冷卻效率：通過防止供應的冷空氣和返回的熱氣流的混合，精心設計的密封解決方案可消除再循環，空氣分層和旁路氣流所導致的冷卻氣流的浪費，從而提升冷卻效率。
●提高可靠性：消除了再循環備用服務器免于暴露于暖空氣之中的潛在危險，而暖空氣可能導致熱關機，進而提高了數據中心的可靠性。
●降低能源消耗：為了抵消再循環熱廢氣的影響，傳統的冷卻方案通常將回風冷卻至55華氏度/ 12.78攝氏度。但是，基于密封遏制的冷卻系統完全隔離了回風，因此可以安全地輸送65華氏度/ 18.34攝氏度的供氣。因此，密封遏制冷卻策略通常可將CRAC單元的功耗平均降低16%，進而降低能源消耗。
●更好的數據中心操作環境空間的布局靈活性：為了使熱通道/冷通道策略產生有效的冷卻氣流的對流，企業數據中心必須將其服務器機架放置在對齊的，均勻排列的機架行中。但是，密封遏制策略并不依賴于氣流的對流，因此該策略使得數據中心的設計人員們能夠將服務器機架定位在最適合其需求的任何配置中。
圍繞服務器機架設計數據中心
盡管采取密封遏制的策略對數據中心的冷卻帶來了革命性的影響，但大多數企業組織的數據中心仍然以與以往差不多的方式繼續規劃其新的計算設施。首先，他們設計一座建筑，并將其中的一部分規劃用于數據處理大廳或白空間。然后，他們將采用盡可能多的服務器機架填充空白區域。
但是，以傳統方式設計的數據中心可能會產生各種各樣的問題。例如，規格過小或過大的電力和冷卻基礎設施可能會引發對于運營能力的不必要額限制或增加資本支出。不方便定位的結構元件可以迫使密封遏制管道以降低其效率的方式彎曲和繞行。服務器機房的過道過窄或不夠長會使服務器機架放置復雜化，并導致地面空間的浪費。
因此，越來越多的企業組織開始認識到數據中心的設計是充滿了智慧的，不是先建造起了數據中心建筑大樓然后安置進入服務器機架即可，而是需要圍繞著服務器機架來進行數據中心建筑大樓的設計建造。由此，他們不再是先建造其數據中心建筑，然后簡單的用服務器機架填充服務器機房了，而是根據他們實際業務的需求來選擇好理想的機架，并圍繞這些機架來進行服務器機房的設計。他們正在為他們將要使用的精確硬件和機箱陣列安裝最佳的基礎設施，而不是低估或過度配置新設施的電力和冷卻資源。他們不是選擇當結構缺陷導致解決效率的低下問題發生時立即應對，而是選擇了從開始設計之初就防止這些缺陷的發生。最終結果是不僅使得數據中心的冷卻和維護成本更低，而且更可靠，更適合業務需求。
圍繞數據中心服務器機架實施規劃的關鍵步驟
從服務器機架出發，來進行數據中心的規劃與傳統設計方法是背道而馳的，但卻能夠始終如一地帶來更好的結果。以下是圍繞數據中心服務器機架實施規劃的基本措施：
1、需求收集
圍繞服務器機架設計數據中心的核心優勢在于，該方案允許企業數據中心能夠根據相關確切的技術和業務需求定制設施。那么，確定這些需求就應該成為數據中心規劃過程首當其沖的第一步。 特別是，請務必評估您企業數據中心在以下重要領域的要求：
功率密度：對于該需求的估算是最為重要的，因為其在設計過程的后期將會推動好幾項重要決策的制定。同時還請務必注意，您數據中心的功率密度評估不僅僅應考慮近期的業務需求，還應充分考慮到未來長期的需求。
資金預算：對新數據中心可用資金和運營資金的實際理解預算將幫助您企業適當平衡效率和成本。
數據中心的選址：構建數據中心的地理選址也可能是關鍵性的設計決策影響因素。例如，除最熱氣候地帶之外的所有企業組織都可能希望在其新的數據中心設施中安置空氣側的節能器。空氣側節能器使企業數據中心能夠通過用從室外泵入的自然冷空氣替換熱廢氣的方法來減少對耗電的CRAC裝置的依賴。有相關的研究表明，即使在溫和或溫帶的氣候條件下，空氣側的節能器至少也是部分季節時間段的較為實用的選擇方案。
2、確定選擇行級還是機架級的冷卻方案
在最高級別，大多數基于密封遏制的冷卻方案分為兩類：行級和機架級。在行級系統中，服務器機架的整行或通道位于共享機箱內，共享機柜和CRAC單元或建筑物范圍的冷卻系統支持。在機架級系統中，每臺單獨的機架都有自己的機箱，壓力通風系統和冷卻設備。雖然任一選項都能夠處理高功率的密度，但機架級設計往往功能更強大，成本也更高。這通常使他們成為預測極高功率密度的企業數據中心的更好選擇，只要他們能夠承擔得起更高額的前期投資成本。
3、決定選擇被動還是主動的密封遏制方案
大多數密封遏制冷卻策略主要依賴于被動的排氣系統，其中服務器硬件內置的排氣扇完成大部分的散熱工作，即將供氣吸入并驅動返回空氣。然而，有時候，一種稱為回流或背壓的現象會抑制氣流，導致服務器風扇無法保持返回和供氣流的正常流通。在這種情況下，必須使用配備有更強大風扇的主動排氣系統。
當考慮是否使用被動或主動的密封遏制冷卻方案時，請牢記以下幾點：
●通常，大多數基于行的冷卻解決方案僅采用被動的排氣設計。
●而機架級冷卻方案中的每臺機柜都很少需要主動的密封。使用機架級冷卻的數據中心通常更好地將被動的密封封裝作為其默認選擇，然后在易于回流的特定位置選擇性地安裝主動的排氣產品。
4、確定冷通道和熱通道密封遏制之間的關系
大多數行級冷卻方案都具有冷通道或熱通道分離的密封設計，這兩種方式均采用傳統的熱通道/冷通道空氣分配方法。冷通道密封系統封閉了服務器機房的冷通道部分，允許熱廢氣在其他任何地方自由流動。熱通道密封系統隔離服務器機房的熱通道部分，允許冷空氣在其他地方自由移動。這兩種方法都可以提高CRAC裝置的效率和容量，或者通過在冷通道解決方案中專門在服務器設備上引導供氣，或者在熱通道解決方案中將廢氣直接引導到冷卻器。
雖然企業數據中心在冷通道和熱通道密封遏制方案之間進行選擇時必須權衡一些問題，但考慮以下兩大因素則可以幫助簡化某些情況下決策的制定：
●由于冷通道密封允許熱回風的自由流通，服務器機房的溫度很快就會讓數據中心的操作運營員工和訪客感到不舒服。熱通道密封裝置使用冷空氣填充服務器機房，從而改善了工作和觀察條件。因此，需要安排操作運營管理人員定期出現在服務器機房中的數據中心通常更傾向于采用熱通道密封系統。
●空氣側節約通常僅適用于利用熱通道密封遏制的數據中心，使其成為那些想要 利用空氣側節能器所帶來的節省的數據中心的行級密封遏制策略。
圖3：如此圖所示，熱通道封閉系統包圍熱通道/冷通道數據中心的熱通道部分
5、執行計算流體動力學研究
一旦企業數據中心確定了將使用哪種機架和冷卻解決方案，并圍繞該解決方案進行服務器機房的設計。那么，下一步就是進行計算流體動力學(CFD)分析。這些研究將會涉及到使用復雜的軟件來模擬潛在數據中心操作環境空間內的熱空氣流和冷空氣流的布局。借助CFD評估可以幫助您在構建開始之前消除數據中心設計中的缺陷和低效率，從而使的數據中心管理運營人員們可以更輕松，更經濟地修復這些缺陷和低效率。
圖4.：CFD研究可以幫助數據中心管理運營人員們發現和解決數據中心設計中與冷卻相關的缺陷
結論
從內到外設計數據中心建筑物有悖于幾個世紀的建筑智慧。但是，通過選擇服務器機架作為數據中心規劃流程的起點而不是終點，企業可以通過確保其電源，冷卻和IT基礎架構最適合其業務需求，進而提高可靠性，并節省資金。因此，每家企業都應該仔細分析他們當前和未來的業務需求，并嚴格評估潛在的冷卻和密封遏制策略，這是他們構建新數據中心的第一步。采用這種數據中心設計方法，將使得他們得以能夠提高關鍵任務計算設施的效率和成本效益。
關于作者
本文作者John Collins在數據中心行業擁有超過18年的經驗。他于2011年1月加入伊頓公司，專注于確保該公司的數據中心產品和解決方案產品緊緊跟隨市場需求發展的步伐。John此前曾在銷售，銷售管理和產品管理方面擔任過各種職務，負責與發電，電能質量和配電相關的各種全球化的產品。他目前參與了許多業內組織，包括The Green Grid、7x24 Exchange和AFCOM。 John在羅德島大學獲得電氣工程學士學位，并曾在美國海軍陸戰隊服役過10年。
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