這幾年，在IT技術(shù)與趨勢的急劇變化下，數(shù)據(jù)中心也隨之面臨許多挑戰(zhàn)。高密度數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為企業(yè)必須面對的課題。當(dāng)數(shù)據(jù)中心單一機(jī)柜機(jī)架功率密度每年不斷增長已成一股趨勢，企業(yè)勢必得找到更有效的方法來面對電力、冷卻與空間的挑戰(zhàn)。

隨著人們對服務(wù)的要求愈益嚴(yán)苛，企業(yè)必須想方設(shè)法滿足消費(fèi)者7×24小時(shí)可用性的期望。服務(wù)器數(shù)量不斷增長，在此同時(shí)，更多的運(yùn)算能力與資源也被收納在愈來愈小的外殼中，從微型服務(wù)器(SmallFormFactor，SFF)、刀鋒服務(wù)器(BladeServer)到超大規(guī)模(Hyperscale)服務(wù)器以及用來實(shí)現(xiàn)更彈性框架的組合式基礎(chǔ)架構(gòu)(ComposableInfrastructure)，都是因應(yīng)此需求發(fā)展而誕生的解決方案。

更高密度的服務(wù)器意味著單臺(tái)服務(wù)器需要更高的功耗，隨著全球?qū)δ茉聪牡娜遮呹P(guān)注，企業(yè)也開始認(rèn)真看待能源效率議題以及環(huán)境責(zé)任。虛擬化技術(shù)為企業(yè)帶來解決方案，讓單臺(tái)服務(wù)器得以更多的工作負(fù)載，物盡其用。與此同時(shí)，全球云端化的浪潮也開始發(fā)酵，現(xiàn)階段，許多企業(yè)早已將云端優(yōu)先(Cloudfirst)視為戰(zhàn)略之一，愈來愈多的IT預(yù)算投入在與“云端”相關(guān)的IT基礎(chǔ)架構(gòu)以及軟件之中，部份企業(yè)組織或是IT供貨商更是以“Cloudonly”作為主要的策略。當(dāng)服務(wù)器被密集置于云端數(shù)據(jù)中心中，勢必將給數(shù)據(jù)中心帶來更高的運(yùn)維挑戰(zhàn)。

容器(Container)技術(shù)發(fā)展愈來愈成熟，未來在單一服務(wù)器中，通過這項(xiàng)被稱為輕量級(jí)虛擬化技術(shù)的協(xié)助，將可望能運(yùn)行更多的應(yīng)用程序;移動(dòng)化與社群平臺(tái)發(fā)展后，快速激增的數(shù)據(jù)需要大量的運(yùn)算力來加以分析萃取數(shù)據(jù)金礦，物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT)還在持續(xù)發(fā)展，未來通過傳感器所收集數(shù)據(jù)，最終將導(dǎo)向后端的數(shù)據(jù)中心，以便進(jìn)行巨量數(shù)據(jù)分析…。這些變化也讓數(shù)據(jù)中心趨向了高密度發(fā)展，隨著數(shù)據(jù)中心設(shè)備密度快速增長，以傳統(tǒng)思維建構(gòu)的機(jī)房卻已不敷使用。

高密度的潛在問題

根據(jù)ColocationAmerica調(diào)查，2008年數(shù)據(jù)中心單一機(jī)柜機(jī)架功率密度約莫在6kW左右，到了2016年已然達(dá)到了12kW，預(yù)估到了2020年，數(shù)據(jù)中心單一機(jī)柜機(jī)架功率密度將有可能達(dá)到16.5kW。事實(shí)上，在某些改造案例中，例如Intel將兩座芯片廠改造成節(jié)能高密度數(shù)據(jù)中心，單一機(jī)柜機(jī)架功率密度更是高達(dá)43kW。

圖一單一機(jī)柜機(jī)架功率密度發(fā)展趨勢

來源:ColocationAmerica,2014

當(dāng)數(shù)據(jù)中心單一機(jī)柜機(jī)架功率密度每年不斷增長已成一股趨勢，企業(yè)勢必得找到更有效的方法來面對各式各樣迎面而來的挑戰(zhàn)。舉例而言，高密度實(shí)現(xiàn)了更小空間的使用密度，但相對的，系統(tǒng)故障的反應(yīng)時(shí)間將大幅地被縮短，一旦遇到電源故障，大量由設(shè)備制造的“熱”將無法被帶走，將導(dǎo)致服務(wù)器中止運(yùn)轉(zhuǎn)。

日漸提升的功率密度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大部分舊型設(shè)施的處理能力。早些年，數(shù)據(jù)中心可見到每機(jī)柜6kW的設(shè)計(jì)，但是面對15kW以上的高密度機(jī)柜，顯然不符所需。而企業(yè)使用云端運(yùn)算或巨量數(shù)據(jù)分析這類需要大量資源的技術(shù)時(shí)，也會(huì)面臨可用與所需容量的差距擴(kuò)大問題，因?yàn)橐酝谠O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心的冷卻空調(diào)時(shí)，會(huì)以假設(shè)IT的工作負(fù)載是平均且分散的情況，但實(shí)際的運(yùn)行的環(huán)境卻不是如此，尤其在某些高密度機(jī)柜中，企業(yè)將發(fā)現(xiàn)制冷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

數(shù)據(jù)中心原先所設(shè)計(jì)的備援機(jī)制也可能因此而消失，原本以N+1設(shè)計(jì)的不間斷電源系統(tǒng)(UPS)與冷卻空調(diào)，因?yàn)槿萘坎蛔愣黄热鎲⒂眠\(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而喪失了備援的功能。此外，部署虛擬化方案后，IT人員可以動(dòng)態(tài)地遷移虛擬機(jī)，但是數(shù)據(jù)中心的負(fù)載也因此而跟著轉(zhuǎn)變，熱點(diǎn)位置變得難以捉摸，電力需求也會(huì)跟著變動(dòng)，而導(dǎo)致不必要的停機(jī)。

模塊化興起提供更高靈活性

顯然地，高密度數(shù)據(jù)中心仍存有許多潛在問題。數(shù)據(jù)中心管理人員將面臨更大的壓力，除了維護(hù)日益密集的運(yùn)算環(huán)境，并且改善可用性之外，同時(shí)還得降低成本，提高效率。所幸，業(yè)界專家們正在將模塊化的概念融入到他們?yōu)閿?shù)據(jù)中心所設(shè)計(jì)的設(shè)備與產(chǎn)品中，以便為數(shù)據(jù)中心帶來更靈活的彈性，并且為未來的各種工作負(fù)載做好準(zhǔn)備。

現(xiàn)階段，主要的模塊化概念會(huì)應(yīng)用在空間與設(shè)施的設(shè)計(jì)之中?？臻g模塊化指的是從IT基礎(chǔ)設(shè)備、機(jī)柜以及提供IT設(shè)備運(yùn)行的設(shè)施，都是由模塊構(gòu)成，彼此之間具有相依與關(guān)聯(lián)性。在實(shí)務(wù)上，多半還是會(huì)依照企業(yè)既有的數(shù)據(jù)中心空間，在評(píng)估現(xiàn)有服務(wù)對容量的需求以及未來的擴(kuò)充考慮后，進(jìn)而區(qū)隔出小空間，并且將其視為模塊。而設(shè)施的模塊化，指的是在基礎(chǔ)設(shè)施，包含電力系統(tǒng)(不間斷電源系統(tǒng)UPS、配電柜)、機(jī)柜式空調(diào)、冷卻器、機(jī)架、冷熱信道密閉系統(tǒng)等等，實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)。

“IT技術(shù)發(fā)展日新月異，基礎(chǔ)架構(gòu)正在朝向微服務(wù)(Microservice)架構(gòu)發(fā)展。簡單來看，微服務(wù)架構(gòu)就是利用模塊化的方式組合出復(fù)雜的大型應(yīng)用程序，事實(shí)上，在多年前，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施早就已經(jīng)運(yùn)用模塊化的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)出模塊化方案，以提供更高的靈活性與擴(kuò)充彈性，協(xié)助企業(yè)因應(yīng)擴(kuò)充需求，并且克服電力、冷卻空調(diào)不足以及空間上的挑戰(zhàn)。”臺(tái)達(dá)關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)事業(yè)部(MCIS)總經(jīng)理蔡文蔭如此說。

UPS高效模塊化自我診斷機(jī)制減少斷電風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)一項(xiàng)調(diào)查，造成數(shù)據(jù)中心停電的原因，有近五成的受訪者認(rèn)為主因是UPS設(shè)備故障所引起，足以顯見UPS在維系數(shù)據(jù)中心的重要性。尤其數(shù)據(jù)中心高密度化后，更換老舊的UPS系統(tǒng)也是一項(xiàng)必要的工作，效率是其中的考慮原因之一。十年前所設(shè)計(jì)的UPS系統(tǒng)，在以40%利用率運(yùn)作及服務(wù)雙電源輸入服務(wù)器時(shí)，通常效率在85%以下，現(xiàn)今的UPS系統(tǒng)運(yùn)作效率更為優(yōu)異。以臺(tái)達(dá)的解決方案為例，在20%的負(fù)載情況下，DPH500kVA系列UPS的AC-AC可以達(dá)到95%左右，最高效率可以達(dá)到96.5%，節(jié)省了明顯的能源成本。

另一項(xiàng)考慮則是空間的有效運(yùn)用率。一般而言，數(shù)據(jù)中心都會(huì)規(guī)劃電力室以設(shè)置與電力相關(guān)之設(shè)施，但是電力室的土地面積也有其極限，當(dāng)數(shù)據(jù)中心朝向高密度發(fā)展，備援電力也需要跟著增加，但電力室空間有限，這時(shí)企業(yè)就可以置換單機(jī)高容量的UPS系統(tǒng)，例如臺(tái)達(dá)針對大型數(shù)據(jù)中心推出的ModulonDPH500kVA模塊化UPS，僅占用19英寸機(jī)柜的空間，提供目前業(yè)界最高的功率密度，并行擴(kuò)展也可以配置多達(dá)8個(gè)單元，提供4MVA的最大功率容量。

由于具有自我診斷與老化偵測機(jī)制，能偵測電池、風(fēng)扇、IGBT模塊、DC電容與AC電容，預(yù)防性維護(hù)減少故障斷電的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)客戶的設(shè)備投資。

對于企業(yè)而言，模塊化UPS的另一項(xiàng)優(yōu)勢，便在于電源模塊采用即插即用設(shè)計(jì)，只須要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間投入適量的投資成本，就能進(jìn)行單一系統(tǒng)的垂直整合和水平并機(jī)整合的容量擴(kuò)充，企業(yè)可依據(jù)初期容量需求及未來營運(yùn)拓展性，彈性采購UPS，進(jìn)而降低投資成本，讓效益優(yōu)化。

機(jī)柜式空調(diào)臨近熱點(diǎn)降低耗損

隨著服務(wù)器與IT相關(guān)設(shè)備的密度愈來愈高，對設(shè)施的要求也愈來愈嚴(yán)苛。除了更高供電密度之外，散熱也成為一項(xiàng)難題，眾所周知，數(shù)據(jù)中心的冷卻設(shè)計(jì)均假設(shè)IT的工作負(fù)載是平均且分散的情況，但在真實(shí)的企業(yè)環(huán)境中，卻可能因?yàn)樘摂M機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移或是IT設(shè)備部署不當(dāng)，而產(chǎn)生熱源分布不均勻的現(xiàn)象。

顯然地，制冷量不足是高密度數(shù)據(jù)中心普遍會(huì)面臨的挑戰(zhàn)，機(jī)柜式精密空調(diào)的優(yōu)勢便在于臨近高密度機(jī)柜，不同于房間級(jí)精密空調(diào)送出的冷氣，在高架地板輸送的過程中產(chǎn)生耗損，機(jī)柜式精密空調(diào)可就近提供足夠的制冷力，以消除熱點(diǎn)，加上配有高節(jié)能EC風(fēng)扇以及變頻流量控制，更可達(dá)到節(jié)能目的。

機(jī)柜式空調(diào)同樣也有模塊化設(shè)計(jì)，以機(jī)柜式精密空調(diào)系列冰水型29kW/43kW為例，除了內(nèi)置雙電源供應(yīng)器，大幅提升系統(tǒng)的電力可靠度與保護(hù);可支持熱插入的電源供應(yīng)器與風(fēng)扇，大幅縮短維修所需時(shí)間;多段變速風(fēng)扇設(shè)計(jì)，可依據(jù)實(shí)際工作負(fù)載調(diào)整轉(zhuǎn)速，減少離峰期間的電力損耗之外，也將模塊化概念運(yùn)用在冷卻裝置上，機(jī)柜式精密空調(diào)系列冰水型29kW/43kW可隨需求增加冷卻裝置，并將信號(hào)集中管理。

案例研究：中密度和高密度區(qū)共存于數(shù)據(jù)中心

根據(jù)AFCOM的數(shù)據(jù)中心密度分類，數(shù)據(jù)中心經(jīng)理人協(xié)會(huì)認(rèn)為，每個(gè)機(jī)柜在4kW以下，中密度為5kW-8kW，高密度為9kW-15kW，超高密度為16kW以上。不同的數(shù)據(jù)中心可能面臨不同的機(jī)柜功率密度挑戰(zhàn)。在一些數(shù)據(jù)中心，甚至可能會(huì)有不同密度的機(jī)柜組合，但使用相同的電源和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念。臺(tái)灣一家領(lǐng)先的IC設(shè)計(jì)公司計(jì)劃在其總部建立一個(gè)新的數(shù)據(jù)中心，因?yàn)樗麄冃枰犀F(xiàn)有的IT設(shè)備以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)和操作環(huán)境。根據(jù)現(xiàn)場檢查，該企業(yè)數(shù)據(jù)中心擁有多達(dá)80個(gè)中密度和超高密度機(jī)柜，超高密度機(jī)柜達(dá)25kW。

臺(tái)達(dá)建議，當(dāng)企業(yè)需要低密度和高密度/超高密度機(jī)柜設(shè)計(jì)滿足不同的應(yīng)用需求時(shí)，應(yīng)該將數(shù)據(jù)中心空間劃分為高密度機(jī)柜區(qū)域和超高密度機(jī)柜區(qū)域以優(yōu)化其設(shè)計(jì)。設(shè)施規(guī)劃不僅應(yīng)包括整體電力和冷卻需求，還應(yīng)包括部署IT系統(tǒng)的空間使用情況。冷卻解決方案的使用有多種選擇。例如，4kW以下的機(jī)柜可能只需要房間級(jí)精密空調(diào)進(jìn)行有效的散熱，而將機(jī)柜式精密空調(diào)設(shè)備配置為更高密度的機(jī)柜(從9kW到15kW)則可以獲得最佳散熱效果。

在這種情況下，臺(tái)達(dá)采用模塊化設(shè)計(jì)理念為客戶規(guī)劃超高密度區(qū)域，并將所有超高密度機(jī)柜放置在一個(gè)區(qū)域內(nèi)。對于其高密度應(yīng)用，客戶選擇臺(tái)達(dá)的RowCool95kW，在600mm寬的機(jī)柜內(nèi)具有業(yè)界最大的散熱能力。臺(tái)達(dá)還建議使用熱通道密封技術(shù)來防止冷熱空氣混合，并確保最佳的冷卻效率。

總結(jié)

科技發(fā)展日新月異，由第三平臺(tái)引領(lǐng)的技術(shù)轉(zhuǎn)型在未來還會(huì)持續(xù)發(fā)酵，新興的物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、AR/VR，也融入云端、移動(dòng)、社交媒體和巨量數(shù)據(jù)等技術(shù)，對于企業(yè)而言，數(shù)據(jù)中心的挑戰(zhàn)日益艱巨，高密度的發(fā)展勢必將會(huì)持續(xù)，而基礎(chǔ)設(shè)施也就成為企業(yè)推展創(chuàng)新應(yīng)用服務(wù)的重要后盾。

對于數(shù)據(jù)中心管理人員而言，高密度數(shù)據(jù)中心的發(fā)展勢必將帶來更多維護(hù)與管理難題，在此同時(shí)數(shù)據(jù)中心的可用性也會(huì)受到挑戰(zhàn)，還得同時(shí)降低成本，提高效率。運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)與相關(guān)的設(shè)施，包含空間模塊化、熱通道封閉技術(shù)、冰水型機(jī)柜式空調(diào)以及更高效的UPS系統(tǒng)，將能為數(shù)據(jù)中心帶來高可靠度架構(gòu)以及更靈活的部署彈性。