各种数据中心密度规范的制定方法

以往，制定数据中心功率密度规范的传统方法不仅含糊不清，而且容易误导用户。使用 W/ft2   或 W/m2 来描述数据中心的功率密度不足以确定数据中心的供电或制冷能力是否满足高密度计算负载（例如，刀片式服务器）的要求。在以前，没有一种明确而标准的方法可用来指定数据中心在高密度负载条件下实现可预期的行为。一个适当的数据中心功率密度规范应该能够确保数据中心符合预期的高密度负载的要求，能够为设计、安装供电和制冷设备提供明确的指示，能够防止过度规划，并能够使用电效率最大化。本文就制定数据中心供电和制冷基础设施规范的改进方法在科研领域和实际生产中的应用进行了说明。

各种密度规范的制定方法
 
由于功率密度在文献中没有统一的定义，这导致在用户群中产生了很大的混乱。为了更好地理解这些定义，请以下面假设的 500 kW 数据中心为例：

表 1 列出了五种常见的功率密度定义，以及将定义应用到上述数据中心时得到数值。

表 1 中列出的所有密度定义在已发表的文献和规范中都有使用。如果没有对面积和功率所涵盖范围的明确解释，就使得这四种采用 W/ft2  或 W/m2  指标的定义存在明显的差别。但是，已公布的密度值通常遗漏了这些信息。这在业内引起了很大的混乱，并导致 IT 人员和设施的设计、规划人员之间常常出现误解。表 1 中的数据清晰地显示出由于采用了不同的密度定义，同一设施的密度规范变化了几乎 8 倍。

最清晰的密度定义是“每机架”功耗。该定义为机架的供电和制冷要求（对 IT 设备来说，以瓦特表示的机架 功耗等同于以瓦特表示的制冷要求）提供了明确的指导。本白皮书还指出了“每机架”功耗定义在制定数据中 心密度规范时的另一个主要优点，也就是它是制定数据中心中密度变化规范的最有效方法。

在实际的数据中心中，功率密度并不完全一致。有些机架消耗较多的电力，因此会比其他机架产生更多的热量。配线板机架可能不消耗任何电力。刀片式服务器可能消耗 20 kW 或更多的电力。由于 IT 设备总是在不断更新，这意味着特定机架的功耗有可能随时发生变化，这使问题变得更加复杂。传统的密度规范并没有完全考虑到这些功率变化，因此随着时间的推移这些规范会渐渐失效。

传统密度规范方法的限制

下面的两个示例说明了传统密度规范的一些严重限制：

在第一个示例中，假定数据中心的密度规范为 50 W / ft2   (538 W /m2)。如果采用“总 IT 负载 / 总 IT 机架面积+ 四周间隙面积”的密度定义，该值相当于每机架 1400 W（50 W / ft2  × 28 ft2  / 机架数）。数据中心设计为 可提供每机架 1400 W 的最大供电能力和 1400 W 的制冷能力，即可满足此要求。有很多种 IT 设备（如，刀 片式服务器）的功率密度超过了每机箱（排） 1400 W。这些种类的设备都不能部署在具有每机架 1400 W 严 格限制的数据中心中。这会导致数据中心与很多种 IT 设备不兼容。此外，由于所有机架都有 1400 W 的供电 和制冷限制，如果机架中安放的是配线板等低功率负载，其中未使用的电力也不能被其他机架中的设备所利用。最终的结果是产生了一个低效率的数据中心 — 不仅与很多 IT 设备不兼容，而且无法有效地利用可用的机架空间、供电或和冷能力。

在第二个示例中，数据中心的功率密度规范因机架而异。对于每个机架位置，都会规定具体的功率和制冷指标。可以实施设计方案以满足此规范，并且数据中心的各项指标可提前预知。这是一个理想的解决方案，但是几乎没有任何一个实际的数据中心可以提前提供准确的机架级功率规范。在实际的数据中心中，机架级负载在安装阶段无法预知。如果实际 IT 部署密度与原始机架级规范不一致，就会产生严重后果，其中包括由于所有机架都有供电和制冷限制，当部署了低于机架功率规范的 IT 负载时，该负载未使用的电力也不能被其他机架中的设备所使用。最终的结果是产生了一个低效率的数据中心 — 它要求提供有关未来 IT 部署的信息，而此 类信息通常无法获得。

这两个示例都采用了制定数据中心密度规范的常用方法。无论是房间级的总规范还是因机架而异的准确规范， 在实际实施过程中都存在严重的限制，因此无法达到客户的预期要求。制定规范的改进方法必须能够保持灵活 性和与 IT 负载的兼容性，与此同时能够确保供电效率最大化并充分利用所提供的供电能力、制冷能力和空间。

密度规范要求

在前面的论述中，对密度规范的改进方法提出了几点要求，其中包括：

可预知性：密度规范必须能够为任何计划安装或实际安装的 IT 设备确定任何机架位置上的供电和制冷能力。

能够接受部分指定的未来要求：密度规范不能要求必须预知每个机架位置的准确功率需求。实际上，IT设备的使用周期远远小于数据中心的使用寿命，并且它们经常被新的、不同的设备所取代。

能够支持供电和制冷能力的借用：特定机架的可用功率和制冷能力的未利用部分，应该能够被其他机架 所利用。

尽量减少浪费：应当能够尽量减少无效耗电量。充分利用可用的供电、制冷能力和空间。尽量减少投资和运 行成本。

支持分阶段部署：密度规范必须能够支持分阶段部署，包括不同阶段有不同的密度的情况，以及在早期部 署时对未来部署阶段的数据无法获知的情况。

尽管上述的某些要求有相互冲突的地方，它们仍可作为建立数据中心功率密度规范的改进方法的基础。

实际约束条件和其他选择方案 任何制定功率密度规范的切实可行的方法必须考虑数据中心设计中所包含的实际约束条件和其他选择方案。下面对其中一些约束条件和其他选择方案以及其对密度规范的影响进行了论述：

配电增加：配电的成本和复杂性并不与功率线性相关。例如，18kW 三相电源的成本并不一定是 6kW 单相 电源成本的三倍。通过将电路断路器与插座相匹配以及通过电路断路器的故障协调功能，AC 配电获得了很多功率优化能力。欲了解这些问题以及有关优化的配电电路方面的问题，请登陆www.apc.com/下载 APC 第29 号白皮书“Rack Powering Options for High Density”。

空气分配限制：数据中心中的空气分配是限制机架功率密度的主要因素。IT 设备要求空气流量在每 kW 100到 160 cfm (47.2 - 75.5 L / s) 之间。很多数据中心因为本来就有高架地板或者因为天花板高度的缘故使高架地板的高度受到限制。如果高架地板是空气分配系统的一部分，那么可按照预期要求在地板之下通过的空气量会受到实际限制，进而限制了可达到的平均及峰值机架功率密度。对于许多现有的设施，实际平均功率密度会 限制在每机架 5 kW 左右。要超出此密度限制，就必须安装额外的补充空调和/或分配设备。由此得出的结论 是成本增加的速度可能高于关键功率密度增加的速度。适当的密度规范应该能够预见到此问题并在问题实际发 生之前加以解决。

重量：有些设施，特别是原来就安装了高架地板的设施，具有地板承载限制。具有极高功率密度的 IT 设备通 常也会产生较大的机架重量。某些时候，这是对高密度部署能力的非常实际的限制。由此得出的结论是在制定 密度规范时应该考虑是否会超出相应的设施地板承载限制，以避免所指定的功率密度毫无意义。

预留的地板空间：很多数据中心为功率密度以外的其他目的预留了一些地板区域。例如，磁带存储区、操 作员工作区或特殊访问区。由此得出的结论是在密度规范的模型中必须保留这些区域，不能将其用作与实施高 功率密度供电或制冷有关的目的。

具有分散负载的能力：由于光缆的广泛应用，对大多数 IT 设备而言，在数据中心中分散 IT 设备实体是一 个切实可行的选择。在很多情况下，不需要也没有必要以可达到的最高密度来部署设备。诸如刀片式服务器和IU 服务器等高密度设备可以很容易地分散到多个机架，以降低密度。尽管在机架中填满刀片式服务器或 1U服务器似乎是优化了空间利用率，但在很多情况下这只是一种错觉。此外，为使机架达到高密度供电和制冷要 求而付出的成本通常远远大于使用额外的机架所花费的成本。其结论是建立密度模型时不应该盲目地根据设备 能力来指定密度值，而是应该考虑分散负载的可能性，以便优化整个系统的成本和可用性。

特定场所的实际空间限制：特定场所的实际物理空间限制极大地影响了高密度的总体价值。对于许多具有 低密度设计的现有设施，高密度部署的确缓解了空间紧张的压力。但是，压缩 IT 空间所带来的好处并不是很 大。另一方面，有些设施由于地板面积极其昂贵或根本无法获得，因此在物理面积方面受到很大约束。由此得到的结论是在制定密度规范时必须考虑到地价和所有空间方面的硬性限制。

供电和制冷基础设施导致的空间损失

供电和制冷基础设施占用了原本可被 IT 设备所利用的空间。有些时候，会将供电和制冷设备从 IT 设备所在的 区域中移出并安放到邻近的房间。但是，无论如何这些设备还是占用了空间，因此必须算在可实现密度的有效 损失中。供电和制冷基础设施占用的空间可以用等同的机架数量来表示，并且此空间会随着供电和制冷能力需求的增加而增加。图 1 显示了这种影响的效果。

此图中的曲线是通过附件中的公式计算得到的

此图清晰地显示了 IT 设备可使用的空间随着所指定的 IT 设备每机架平均功率（功率密度）的增加而减少。水 平轴是所指定的室内每机架的平均功率。垂直轴显示了可用机架位置占室内面积的百分比，室内面积由于供电 和制冷基础设施（包括 UPS、配电单元和机房空调）而受到损失。图 1 下部的曲线适用于具有双路 (2N) 电源 和冗余 (N+1) 机房空调的系统。这是高密度应用的典型设计方案。注意，对于目前使用中的每机架 1.5 kW 的 典型数据中心，大约损失了 15% 的地板面积。但是，随着指定密度的增加，空间损失也大幅度增加。当指定 的每机架平均功率超过 7kW 时，50% 以上的空间被供电和制冷设备所占用，而无法用于安放 IT 机架。如果 实际密度远低于指定密度，则这种空间损失无关紧要。尽管如此，供电和制冷设施还是占用了空间。由此可以得出高密度设计方案的一项指导原则：为数据中心指定高于实际需要的高密度将会不必要地减少 IT 设备的可用空间。除了导致成本和运行费用增加之外，这是另一个严重的问题。因此，有效地规划密度并且只在需要 时才部署高密度供电和制冷系统这两点是至关重要的。

将空间细分为不同密度区域 前文所述的要求明确提出了为数据中心不同区域指定不同的功率密度的能力要求。这样才能实现允许各阶段有不同密度的分阶段部署。另一种方法是按照可预期的未来最大负载来制定整个数据中心的规范。这种方法是不切合实际的，因为它可能会导致投资成本和运行成本不必要地增加 3 到 8 倍，并且严重降低用电效率。

即使只有单一阶段的部署，将数据中心划分为不同的密度区域也有很多好处。例如，刀片式服务器和存储器之 间有很大的密度差异，将它们分别安置到具有不同密度规范的规划区域，尽管数据中心的总功率负载并没有改 变，但仍可以带来很大好处。如果服务器和存储器的机架位置是随机且不可预知的，则在规划供电和制冷分配 系统时必须确保能够在任何位置提供最大密度。但是，如果事先为存储系统确定了较低密度区域，那么在该区 域就可以降低供电和制冷分配系统的容量。从而降低了投资和运行成本并同时提高了用电效率。

可以通过在平面规划图上将机架分配到不同区域来定义数据中心中的不同密度区域。但是，建议您最好不要 随意划分区域，而总是以行为单位进行划分，每一行由一组不同规格并排安放的机架组成。选择行作为定义 功率密度区域时的首选单位有以下几点原因：

 •   很多机架配电架构都是以行为基础的
 •   很多机架制冷架构都是以行为基础的

这表明，在定义功率密度要求和所需的部署递增量时，行将是首选的、最经济的划分级别。

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