幾十年來(lái)，大多數(shù)企業(yè)組織都是由外而內(nèi)的逐步架構(gòu)他們的數(shù)據(jù)中心：也就是說(shuō)，他們往往是從數(shù)據(jù)中心的建筑設(shè)計(jì)開(kāi)始著手，然后再才考慮如何定位安置和冷卻該數(shù)據(jù)中心建筑物內(nèi)的服務(wù)器機(jī)架的。然而，現(xiàn)如今，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)歷史陳舊的數(shù)據(jù)中心已然無(wú)法有效地應(yīng)對(duì)當(dāng)前不斷穩(wěn)定的爬升的功率密度和數(shù)據(jù)中心的日漸提升的操作環(huán)境溫度了。

由此，當(dāng)前的企業(yè)組織紛紛正在慢慢開(kāi)始采用一種全新的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)方法，在這種全新的設(shè)計(jì)方法中，他們將由內(nèi)而外的規(guī)劃其新的設(shè)施，首先選擇服務(wù)器機(jī)架及其冷卻技術(shù)，然后圍繞它們進(jìn)行數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

在本文中，我們將與廣大讀者朋友們共同探討使得當(dāng)前企業(yè)數(shù)據(jù)中心的冷卻比以往任何時(shí)候都更具挑戰(zhàn)性的相關(guān)因素，并還將為大家解釋為什么從服務(wù)器機(jī)架，而不是服務(wù)器機(jī)房開(kāi)始著手?jǐn)?shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)流程可以幫助企業(yè)降低能耗，增加容量，并優(yōu)化數(shù)據(jù)中心占地空間的利用率。

數(shù)據(jù)中心冷卻挑戰(zhàn)

得益于當(dāng)前企業(yè)組織對(duì)于各種新興技術(shù)的廣泛積極的采用，使得當(dāng)前企業(yè)數(shù)據(jù)中心的操作運(yùn)行始終保持在一個(gè)相對(duì)安全的工作溫度范圍內(nèi)，而這些新興的技術(shù)就包括：

l 虛擬化技術(shù)：借助虛擬化技術(shù)的部署，一款單一的物理服務(wù)器就能支持多臺(tái)虛擬機(jī)，而且每臺(tái)虛擬機(jī)都有其自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。這反過(guò)來(lái)，可以降低企業(yè)的硬件采購(gòu)和維護(hù)成本，進(jìn)而使得企業(yè)組織得以能夠?qū)⑽闯浞掷玫姆?wù)器整合到更少數(shù)量、功能更為強(qiáng)大的主機(jī)設(shè)備上。但是，實(shí)現(xiàn)了更為充分利用的服務(wù)器同時(shí)也將會(huì)是一臺(tái)散熱更多的服務(wù)器。此外，一些使用了虛擬化技術(shù)的企業(yè)組織也在同時(shí)使用管理軟件，以便能夠根據(jù)工作負(fù)載的均衡要求，將虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)的重新定位托管到新的主機(jī)服務(wù)器上。在這樣的數(shù)據(jù)中心，相關(guān)利用率最高的設(shè)施的散熱量也就最大，故而會(huì)使得數(shù)據(jù)中心的某些部分可能每天甚至每小時(shí)的都散熱需求都不同。

l 刀片式服務(wù)器：刀片式服務(wù)器通常與虛擬化技術(shù)結(jié)合使用，是即插即用的處理單元，具有共享的供電電源、風(fēng)扇、電纜和存儲(chǔ)。通過(guò)將大量的計(jì)算容量壓縮到少量空間，刀片服務(wù)器可以有助于顯著的降低數(shù)據(jù)中心的空間占地需求。但不幸的是，刀片式服務(wù)器會(huì)將每臺(tái)服務(wù)器機(jī)架的功率密度提升到15 kW以上，從而顯著提高數(shù)據(jù)中心的散熱水平。

l 多核處理器：今天的多核服務(wù)器處理器比它們的單核前代產(chǎn)品功能要強(qiáng)大得多，當(dāng)然，他們對(duì)于電力的需求也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了前代產(chǎn)品。實(shí)際上，配備了雙核或四核處理器的服務(wù)器平均每臺(tái)機(jī)架所消耗的功率將達(dá)到12到16 kW，從而顯著提高了服務(wù)器機(jī)架的操作運(yùn)行溫度。

l 云計(jì)算：為了降低運(yùn)營(yíng)開(kāi)銷，并提高效率，當(dāng)前有越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始紛紛積極的采用云計(jì)算解決方案。根據(jù)全球知名的市場(chǎng)分析公司IDC的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在全球范圍內(nèi)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)交付提供應(yīng)用程序和基礎(chǔ)設(shè)施資源的公共云服務(wù)解決方案領(lǐng)域的支出已經(jīng)從2010年的215億美元躍升至2015年的729億美元。與此同時(shí)，私有云服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)也在企業(yè)數(shù)據(jù)中心迅速發(fā)揮著重要作用。對(duì)于私有云服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)而言，其與公共云服務(wù)所采用的技術(shù)基本相同，僅僅只是在企業(yè)的防火墻之內(nèi)使用。然而，這兩種類型的云服務(wù)通常都需要使用大量的商品化服務(wù)器，進(jìn)而將顯著增加企業(yè)的功率和冷卻散熱需求。

此外，更為復(fù)雜的是，今天的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員還必須充分考慮到除了上述這些技術(shù)因素之外的非技術(shù)型因素，而這些非技術(shù)型因素包括：

l 政府相關(guān)機(jī)構(gòu)旨在降低數(shù)據(jù)中心耗電量和溫室氣體排放量的環(huán)境保護(hù)監(jiān)管法律法規(guī)的不斷出臺(tái)，包括諸如英國(guó)的碳減排承諾立法，正在變得越來(lái)越普遍，推動(dòng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心必須盡可能的實(shí)現(xiàn)更高的能源效率。

l 由于當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心業(yè)界對(duì)于諸如風(fēng)能和太陽(yáng)能，老化電力傳輸系統(tǒng)和公用電力服務(wù)事業(yè)放松管制計(jì)劃等環(huán)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(jìn)一步促進(jìn)了業(yè)界對(duì)于更高能源效率的需求。

l 諸如美國(guó)環(huán)境保護(hù)局等監(jiān)管機(jī)構(gòu)以及眾多的公用電力服務(wù)公司正在向數(shù)據(jù)中心企業(yè)提供節(jié)能獎(jiǎng)勵(lì)回扣，以推動(dòng)實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果。

l 構(gòu)建和運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)中心的高額成本代價(jià)使得當(dāng)前的企業(yè)紛紛都在積極的在不影響對(duì)于其業(yè)務(wù)需求滿足的前提下，尋求縮小其計(jì)算設(shè)施的物理占地空間的方法。

數(shù)據(jù)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(dòng)下，近年來(lái)，企業(yè)數(shù)據(jù)中心的冷卻散熱管理策略也發(fā)生了重大變化。

1、混沌空氣分配策略

直到最近，大多數(shù)數(shù)據(jù)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(wù)器機(jī)房周邊的計(jì)算機(jī)房空調(diào)(CRAC)單元提供大量的冷空氣，而這些冷空氣即用于冷卻IT設(shè)備，同時(shí)還用于幫助將服務(wù)器所排出的熱的廢氣推向設(shè)施的回風(fēng)管道。

然而，這種混亂的空氣分布通常會(huì)導(dǎo)致各種顯著的降低效率方面的問(wèn)題，包括：

l 再循環(huán)：熱廢氣很可能回到服務(wù)器進(jìn)氣口，進(jìn)而將IT設(shè)備加熱到潛在的危險(xiǎn)操作溫度。

l 空氣分層：基于不同溫度層中的空氣質(zhì)量的自然趨勢(shì)可能會(huì)迫使精密冷卻設(shè)備的設(shè)定點(diǎn)需要低于推薦值。

l 旁路空氣：冷卻的供氣可以在通過(guò)服務(wù)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(shù)據(jù)中心操作環(huán)境溫度的穩(wěn)步攀升保持同步，一些企業(yè)很快轉(zhuǎn)向開(kāi)始采用服務(wù)器機(jī)架的熱通道/冷通道分隔定位安排機(jī)架的方法，該方法將相鄰既定服務(wù)器機(jī)架行的熱空氣排氣口在熱通道彼此面對(duì)面，而冷空氣進(jìn)氣口則在冷通道彼此面對(duì)面。這種配置方法有助于產(chǎn)生氣流的對(duì)流，進(jìn)而產(chǎn)生連續(xù)的冷卻氣流。

盡管如此，雖然該方法優(yōu)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?yàn)楫?dāng)前日益密集的數(shù)據(jù)中心提供足夠的冷卻能力。這主要是因?yàn)檫@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(gè)數(shù)據(jù)中心操作環(huán)境空間內(nèi)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(dǎo)致了密封遏制冷卻策略的采用。該方案主要是被設(shè)計(jì)用于組織和控制氣流，這種解決方案將服務(wù)器機(jī)架封裝在密封結(jié)構(gòu)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(wù)器設(shè)備的進(jìn)氣口。最終，該方案為企業(yè)數(shù)據(jù)中心的管理帶來(lái)了一系列重大的益處：

l 提高冷卻效率：通過(guò)防止供應(yīng)的冷空氣和返回的熱氣流的混合，精心設(shè)計(jì)的密封解決方案可消除再循環(huán)，空氣分層和旁路氣流所導(dǎo)致的冷卻氣流的浪費(fèi)，從而提升冷卻效率。

l 提高可靠性：消除了再循環(huán)備用服務(wù)器免于暴露于暖空氣之中的潛在危險(xiǎn)，而暖空氣可能導(dǎo)致熱關(guān)機(jī)，進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)中心的可靠性。

l 降低能源消耗：為了抵消再循環(huán)熱廢氣的影響，傳統(tǒng)的冷卻方案通常將回風(fēng)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(tǒng)完全隔離了回風(fēng)，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(jìn)而降低能源消耗。

l 更好的數(shù)據(jù)中心操作環(huán)境空間的布局靈活性：為了使熱通道/冷通道策略產(chǎn)生有效的冷卻氣流的對(duì)流，企業(yè)數(shù)據(jù)中心必須將其服務(wù)器機(jī)架放置在對(duì)齊的，均勻排列的機(jī)架行中。但是，密封遏制策略并不依賴于氣流的對(duì)流，因此該策略使得數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)人員們能夠?qū)⒎?wù)器機(jī)架定位在最適合其需求的任何配置中。

下一步：圍繞服務(wù)器機(jī)架設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心

盡管采取密封遏制的策略對(duì)數(shù)據(jù)中心的冷卻帶來(lái)了革命性的影響，但大多數(shù)企業(yè)組織的數(shù)據(jù)中心仍然以與以往差不多的方式繼續(xù)規(guī)劃其新的計(jì)算設(shè)施。首先，他們?cè)O(shè)計(jì)一座建筑，并將其中的一部分規(guī)劃用于數(shù)據(jù)處理大廳或白空間。然后，他們將采用盡可能多的服務(wù)器機(jī)架填充空白區(qū)域。

但是，以傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中心可能會(huì)產(chǎn)生各種各樣的問(wèn)題。例如，規(guī)格過(guò)小或過(guò)大的電力和冷卻基礎(chǔ)設(shè)施可能會(huì)引發(fā)對(duì)于運(yùn)營(yíng)能力的不必要額限制或增加資本支出。不方便定位的結(jié)構(gòu)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(wù)器機(jī)房的過(guò)道過(guò)窄或不夠長(zhǎng)會(huì)使服務(wù)器機(jī)架放置復(fù)雜化，并導(dǎo)致地面空間的浪費(fèi)。

因此，越來(lái)越多的企業(yè)組織開(kāi)始認(rèn)識(shí)到數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)是充滿了智慧的，不是先建造起了數(shù)據(jù)中心建筑大樓然后安置進(jìn)入服務(wù)器機(jī)架即可，而是需要圍繞著服務(wù)器機(jī)架來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)中心建筑大樓的設(shè)計(jì)建造。由此，他們不再是先建造其數(shù)據(jù)中心建筑，然后簡(jiǎn)單的用服務(wù)器機(jī)架填充服務(wù)器機(jī)房了，而是根據(jù)他們實(shí)際業(yè)務(wù)的需求來(lái)選擇好理想的機(jī)架，并圍繞這些機(jī)架來(lái)進(jìn)行服務(wù)器機(jī)房的設(shè)計(jì)。他們正在為他們將要使用的精確硬件和機(jī)箱陣列安裝最佳的基礎(chǔ)設(shè)施，而不是低估或過(guò)度配置新設(shè)施的電力和冷卻資源。他們不是選擇當(dāng)結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致解決效率的低下問(wèn)題發(fā)生時(shí)立即應(yīng)對(duì)，而是選擇了從開(kāi)始設(shè)計(jì)之初就防止這些缺陷的發(fā)生。最終結(jié)果是不僅使得數(shù)據(jù)中心的冷卻和維護(hù)成本更低，而且更可靠，更適合業(yè)務(wù)需求。

圍繞數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)架實(shí)施規(guī)劃的關(guān)鍵步驟

從服務(wù)器機(jī)架出發(fā)，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是背道而馳的，但卻能夠始終如一地帶來(lái)更好的結(jié)果。以下是圍繞數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)架實(shí)施規(guī)劃的基本措施：

1、需求收集

圍繞服務(wù)器機(jī)架設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心的核心優(yōu)勢(shì)在于，該方案允許企業(yè)數(shù)據(jù)中心能夠根據(jù)相關(guān)確切的技術(shù)和業(yè)務(wù)需求定制設(shè)施。那么，確定這些需求就應(yīng)該成為數(shù)據(jù)中心規(guī)劃過(guò)程首當(dāng)其沖的第一步。 特別是，請(qǐng)務(wù)必評(píng)估您企業(yè)數(shù)據(jù)中心在以下重要領(lǐng)域的要求：

功率密度：對(duì)于該需求的估算是最為重要的，因?yàn)槠湓谠O(shè)計(jì)過(guò)程的后期將會(huì)推動(dòng)好幾項(xiàng)重要決策的制定。同時(shí)還請(qǐng)務(wù)必注意，您數(shù)據(jù)中心的功率密度評(píng)估不僅僅應(yīng)考慮近期的業(yè)務(wù)需求，還應(yīng)充分考慮到未來(lái)長(zhǎng)期的需求。

資金預(yù)算：對(duì)新數(shù)據(jù)中心可用資金和運(yùn)營(yíng)資金的實(shí)際理解預(yù)算將幫助您企業(yè)適當(dāng)平衡效率和成本。

數(shù)據(jù)中心的選址：構(gòu)建數(shù)據(jù)中心的地理選址也可能是關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)決策影響因素。例如，除最熱氣候地帶之外的所有企業(yè)組織都可能希望在其新的數(shù)據(jù)中心設(shè)施中安置空氣側(cè)的節(jié)能器?？諝鈧?cè)節(jié)能器使企業(yè)數(shù)據(jù)中心能夠通過(guò)用從室外泵入的自然冷空氣替換熱廢氣的方法來(lái)減少對(duì)耗電的CRAC裝置的依賴。有相關(guān)的研究表明，即使在溫和或溫帶的氣候條件下，空氣側(cè)的節(jié)能器至少也是部分季節(jié)時(shí)間段的較為實(shí)用的選擇方案。

2、確定選擇行級(jí)還是機(jī)架級(jí)的冷卻方案

在最高級(jí)別，大多數(shù)基于密封遏制的冷卻方案分為兩類：行級(jí)和機(jī)架級(jí)。在行級(jí)系統(tǒng)中，服務(wù)器機(jī)架的整行或通道位于共享機(jī)箱內(nèi)，共享機(jī)柜和CRAC單元或建筑物范圍的冷卻系統(tǒng)支持。在機(jī)架級(jí)系統(tǒng)中，每臺(tái)單獨(dú)的機(jī)架都有自己的機(jī)箱，壓力通風(fēng)系統(tǒng)和冷卻設(shè)備。雖然任一選項(xiàng)都能夠處理高功率的密度，但機(jī)架級(jí)設(shè)計(jì)往往功能更強(qiáng)大，成本也更高。這通常使他們成為預(yù)測(cè)極高功率密度的企業(yè)數(shù)據(jù)中心的更好選擇，只要他們能夠承擔(dān)得起更高額的前期投資成本。

3、決定選擇被動(dòng)還是主動(dòng)的密封遏制方案

大多數(shù)密封遏制冷卻策略主要依賴于被動(dòng)的排氣系統(tǒng)，其中服務(wù)器硬件內(nèi)置的排氣扇完成大部分的散熱工作，即將供氣吸入并驅(qū)動(dòng)返回空氣。然而，有時(shí)候，一種稱為回流或背壓的現(xiàn)象會(huì)抑制氣流，導(dǎo)致服務(wù)器風(fēng)扇無(wú)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(qiáng)大風(fēng)扇的主動(dòng)排氣系統(tǒng)。

當(dāng)考慮是否使用被動(dòng)或主動(dòng)的密封遏制冷卻方案時(shí)，請(qǐng)牢記以下幾點(diǎn)：

l 通常，大多數(shù)基于行的冷卻解決方案僅采用被動(dòng)的排氣設(shè)計(jì)。

l 而機(jī)架級(jí)冷卻方案中的每臺(tái)機(jī)柜都很少需要主動(dòng)的密封。使用機(jī)架級(jí)冷卻的數(shù)據(jù)中心通常更好地將被動(dòng)的密封封裝作為其默認(rèn)選擇，然后在易于回流的特定位置選擇性地安裝主動(dòng)的排氣產(chǎn)品。

4、確定冷通道和熱通道密封遏制之間的關(guān)系

大多數(shù)行級(jí)冷卻方案都具有冷通道或熱通道分離的密封設(shè)計(jì)，這兩種方式均采用傳統(tǒng)的熱通道/冷通道空氣分配方法。冷通道密封系統(tǒng)封閉了服務(wù)器機(jī)房的冷通道部分，允許熱廢氣在其他任何地方自由流動(dòng)。熱通道密封系統(tǒng)隔離服務(wù)器機(jī)房的熱通道部分，允許冷空氣在其他地方自由移動(dòng)。這兩種方法都可以提高CRAC裝置的效率和容量，或者通過(guò)在冷通道解決方案中專門在服務(wù)器設(shè)備上引導(dǎo)供氣，或者在熱通道解決方案中將廢氣直接引導(dǎo)到冷卻器。

雖然企業(yè)數(shù)據(jù)中心在冷通道和熱通道密封遏制方案之間進(jìn)行選擇時(shí)必須權(quán)衡一些問(wèn)題，但考慮以下兩大因素則可以幫助簡(jiǎn)化某些情況下決策的制定：

l 由于冷通道密封允許熱回風(fēng)的自由流通，服務(wù)器機(jī)房的溫度很快就會(huì)讓數(shù)據(jù)中心的操作運(yùn)營(yíng)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(wù)器機(jī)房，從而改善了工作和觀察條件。因此，需要安排操作運(yùn)營(yíng)管理人員定期出現(xiàn)在服務(wù)器機(jī)房中的數(shù)據(jù)中心通常更傾向于采用熱通道密封系統(tǒng)。l 空氣側(cè)節(jié)約通常僅適用于利用熱通道密封遏制的數(shù)據(jù)中心，使其成為那些想要 利用空氣側(cè)節(jié)能器所帶來(lái)的節(jié)省的數(shù)據(jù)中心的行級(jí)密封遏制策略。

5、執(zhí)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)研究

一旦企業(yè)數(shù)據(jù)中心確定了將使用哪種機(jī)架和冷卻解決方案，并圍繞該解決方案進(jìn)行服務(wù)器機(jī)房的設(shè)計(jì)。那么，下一步就是進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析。這些研究將會(huì)涉及到使用復(fù)雜的軟件來(lái)模擬潛在數(shù)據(jù)中心操作環(huán)境空間內(nèi)的熱空氣流和冷空氣流的布局。借助CFD評(píng)估可以幫助您在構(gòu)建開(kāi)始之前消除數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中的缺陷和低效率，從而使的數(shù)據(jù)中心管理運(yùn)營(yíng)人員們可以更輕松，更經(jīng)濟(jì)地修復(fù)這些缺陷和低效率。

圖4.：CFD研究可以幫助數(shù)據(jù)中心管理運(yùn)營(yíng)人員們發(fā)現(xiàn)和解決數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中與冷卻相關(guān)的缺陷

結(jié)論

從內(nèi)到外設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心建筑物有悖于幾個(gè)世紀(jì)的建筑智慧。但是，通過(guò)選擇服務(wù)器機(jī)架作為數(shù)據(jù)中心規(guī)劃流程的起點(diǎn)而不是終點(diǎn)，企業(yè)可以通過(guò)確保其電源，冷卻和IT基礎(chǔ)架構(gòu)最適合其業(yè)務(wù)需求，進(jìn)而提高可靠性，并節(jié)省資金。因此，每家企業(yè)都應(yīng)該仔細(xì)分析他們當(dāng)前和未來(lái)的業(yè)務(wù)需求，并嚴(yán)格評(píng)估潛在的冷卻和密封遏制策略，這是他們構(gòu)建新數(shù)據(jù)中心的第一步。采用這種數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)方法，將使得他們得以能夠提高關(guān)鍵任務(wù)計(jì)算設(shè)施的效率和成本效益。