淺談數(shù)據(jù)中心工藝要求的演進

沈 巍，丁 聰（上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，上海200092）

0 引言

數(shù)據(jù)中心是當前最熱門的工程建設(shè)項目，《工業(yè)和信息化部關(guān)于貫徹落實〈國務(wù)院關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見〉的行動計劃（2015—2018年）》中指出：“加快信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和應(yīng)用”；“引導云計算數(shù)據(jù)中心優(yōu)化布局，推動數(shù)據(jù)中心向規(guī)模化、集約化、綠色化發(fā)展”；“以云計算創(chuàng)新試點城市為重點，開展面向行業(yè)、區(qū)域的‘云計算+大數(shù)據(jù)’智能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)示范工程，建設(shè)智能制造公共云服務(wù)平臺，加強制造資源和能力的共建共享，提升智能制造公共服務(wù)水平”。

云計算、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)已成為國民經(jīng)濟的重要支柱。信息化的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)中心，可以說，沒有數(shù)據(jù)中心就沒有信息化的發(fā)展。

數(shù)據(jù)中心工藝要求是確定數(shù)據(jù)中心工程和配套方案的基礎(chǔ)，與數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模、產(chǎn)品方案互為條件，也是數(shù)據(jù)中心投資估算和經(jīng)濟分析的重要基礎(chǔ)，是影響數(shù)據(jù)中心環(huán)境、節(jié)能、安全以及經(jīng)濟合理性的重要因素。

數(shù)據(jù)中心行業(yè)目前正處于高速增長的階段，各新理念、新技術(shù)、新設(shè)備層出不窮。尤其數(shù)據(jù)中心的工藝要求也在經(jīng)歷較大的轉(zhuǎn)變，這對數(shù)據(jù)中心整體架構(gòu)、建設(shè)形式和實現(xiàn)方式都提出了新的挑戰(zhàn)，因此需要對過去幾年數(shù)據(jù)中心工藝要求的演進做一個分析和總結(jié)，并對未來數(shù)據(jù)中心的演進做一些探討。

1 數(shù)據(jù)中心工藝要求的內(nèi)涵和要點

首先需要明確數(shù)據(jù)中心設(shè)計中“工藝”“設(shè)備”“工藝設(shè)備”和“工藝設(shè)計”的含義和工作范圍。

馬克思在《資本論》中指出：“工藝學會揭示出人對自然的能動關(guān)系，人的生活的直接生產(chǎn)過程，以及人的社會生活條件和由此產(chǎn)生的精神觀念的直接生產(chǎn)過程。”

“工藝”是勞動者利用生產(chǎn)工具對各種原材料、半成品進行增值加工或處理，最終使之成為制成品的方法與過程。“設(shè)備”是可供企業(yè)在生產(chǎn)中長期使用，并在反復使用中基本保持原有實物形態(tài)和功能的勞動資料和物質(zhì)資料的總稱。“工藝設(shè)備”是企業(yè)用來生產(chǎn)產(chǎn)品的主要機器設(shè)備，能反映企業(yè)的生產(chǎn)能力及生產(chǎn)水平的高低。

將這些概念融入到數(shù)據(jù)中心中，可以直觀地理解為，“工藝設(shè)備”是用來發(fā)揮功能作用，產(chǎn)生價值和效益，可直觀地反映為收入的主要設(shè)備。結(jié)合數(shù)據(jù)中心的全生命周期，從狹義上可以將“工藝設(shè)備”理解為數(shù)據(jù)中心內(nèi)的主要設(shè)備，即主機房內(nèi)部的IT設(shè)備、配套機房內(nèi)為IT設(shè)備服務(wù)并使IT設(shè)備運行產(chǎn)生效益的配套設(shè)備。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)的各類主要設(shè)備包括服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機柜（架）、供配電設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備、消防設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等。

“工藝設(shè)計”是為數(shù)據(jù)中心內(nèi)的主要設(shè)備服務(wù)，為不同的設(shè)備及設(shè)備組合提供安裝空間和發(fā)揮功能效益而做的總體布局規(guī)劃、功能單元分區(qū)規(guī)劃、機房平面布局規(guī)劃、主要設(shè)備布局規(guī)劃、管線配套設(shè)施布局規(guī)劃等。

數(shù)據(jù)中心的建設(shè)涵蓋了機房工藝、網(wǎng)絡(luò)通信、建筑結(jié)構(gòu)、電源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、綜合布線、監(jiān)控系統(tǒng)、傳輸管線等各個方面。

圍繞著工藝設(shè)計，與數(shù)據(jù)中心設(shè)計相關(guān)的專業(yè)還包括結(jié)構(gòu)、建筑、規(guī)劃、裝飾、供配電、照明、監(jiān)控、通信、消防、給排水、動力、空調(diào)等多個專業(yè)。數(shù)據(jù)中心的工藝設(shè)計和配套設(shè)計需要從技術(shù)經(jīng)濟、空間管理等2個維度相互配合，形成全專業(yè)的數(shù)據(jù)中心設(shè)計。

從用戶角度和規(guī)劃角度來說，數(shù)據(jù)中心的工藝要求可以分為用戶類型、規(guī)模要求、可靠性的要求和對環(huán)境的要求4個方面。

下面分別予以論述。

1.1 數(shù)據(jù)中心用戶類型

數(shù)據(jù)中心講究“按需定制”，其工藝要求的第1個要點是明確目標用戶。

不同用戶對數(shù)據(jù)中心的可靠性和可用性的要求不同，比如金融行業(yè)對可靠性要求很高，數(shù)據(jù)中心一旦出現(xiàn)故障，將造成嚴重的數(shù)據(jù)丟失，企業(yè)和個人都將承受重大的經(jīng)濟損失，甚至公共場所秩序也會受到影響，因此金融行業(yè)應(yīng)按照高可靠性的要求建設(shè)數(shù)據(jù)中心。但當用戶不需要很高的可靠性，數(shù)據(jù)中心故障造成的損失可承擔時，如果依然按照金融行業(yè)的要求建設(shè)數(shù)據(jù)中心，將造成資金和資源的嚴重浪費。

數(shù)據(jù)中心用戶分類有以下幾種：

a）按用戶歸屬分類：EDC（用戶主要是內(nèi)部用戶）、IDC（用戶主要是外部用戶）。

b）按用戶行業(yè)分類：政府、金融、科研、公共服務(wù)、企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)、運營商。

c）按單機柜容量分類：超算、高密度、中密度、低密度。

d）按運營方式分類：自用性、外包型。

e）按交付模式分類：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心、云計算數(shù)據(jù)中心。

不同行業(yè)單機柜常用功率密度如下：政府、金融、公共服務(wù)2～5 kW，企業(yè)、運營商3～6 kW，互聯(lián)網(wǎng)5～12 kW（參照《天蝎整機柜服務(wù)器技術(shù)規(guī)范V2.0》），科研、云計算5～10 kW，超算30～100 kW（參照曙光全浸沒式液冷服務(wù)器機柜最大功耗）。

1.2 數(shù)據(jù)中心規(guī)模要求

數(shù)據(jù)中心講究“量體裁衣”，其工藝要求的第2個要點是確定建設(shè)規(guī)模。

數(shù)據(jù)中心的規(guī)模要求，通?？梢杂蓴M投入的服務(wù)器類型與數(shù)量、擬建建筑面積與機房面積、擬建機柜數(shù)量及密度、總體電力容量等量化指標來綜合確定。

數(shù)據(jù)中心近期的建設(shè)規(guī)模，要滿足當前用戶的運行要求，考慮到設(shè)備和工程的壽命，IT系統(tǒng)設(shè)備的更新周期一般為5～10年，配套設(shè)備的更新周期一般為10～15年，其他機房基礎(chǔ)設(shè)施的更新周期一般為30～50年；數(shù)據(jù)中心遠期的發(fā)展規(guī)劃應(yīng)考慮整個生命周期里的擴建、改建、拆除等因素的影響，可考慮通過模塊化的布局，實現(xiàn)生命周期內(nèi)的靈活更新，保證相對獨立布局互不影響。

1.3 數(shù)據(jù)中心可靠性的要求

數(shù)據(jù)中心講究“銅墻鐵壁”，其工藝要求的第3個要點是確定可靠性要求。

《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB 50174-2017）第3.1條從數(shù)據(jù)中心的使用性質(zhì)和數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷在經(jīng)濟或社會上造成的損失或影響程度，將數(shù)據(jù)中心劃分為A、B、C三級，A級為“容錯”系統(tǒng)，可靠性和可用性等級最高；B級為“冗余”系統(tǒng)，可靠性和可用性等級居中；C級為滿足基本需要，可靠性和可用性等級最低。

值得一提的是，高的可靠性意味著高的投資支出和配套空間，超出需求能力的可靠性要求往往會造成浪費，并使數(shù)據(jù)中心的生產(chǎn)能力不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的效益。數(shù)據(jù)中心工藝要求需要講求可靠性、投資、總成本的平衡，應(yīng)避免過分強調(diào)安全或過分強調(diào)低價。最合適的、最貼近實際需求的配置才是最合理的工藝要求。

1.4 數(shù)據(jù)中心環(huán)境要求

數(shù)據(jù)中心講究“恒溫恒濕”“一塵不染”，其工藝要求的第4個要點是確定環(huán)境要求。

從數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部環(huán)境的角度來看，環(huán)境要求主要包括機房溫濕度、機房空氣質(zhì)量、空氣含塵量、環(huán)境噪聲、電磁干擾場強、環(huán)境振動加速度、環(huán)境絕緣體靜電電壓等方面。

從數(shù)據(jù)中心外部環(huán)境的角度來看，環(huán)境要求可以和選址要求相結(jié)合來確定，例如周邊交通條件、電力條件、供水條件、自然條件等，這部分環(huán)境要求的內(nèi)容比較多，本論文不做更多的展開介紹。

2 數(shù)據(jù)中心工藝要求的演進

2.1 數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模的演進

隨著信息化需求的爆發(fā)式增長，就建設(shè)規(guī)模而言，數(shù)據(jù)中心的演進在向超大型數(shù)據(jù)中心和邊緣型的中小型數(shù)據(jù)中心2個方向發(fā)展。

超大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)猶如“勞動競賽”，不斷打破原有記錄。以上海地區(qū)某運營商的新數(shù)據(jù)中心園區(qū)為例，其建設(shè)規(guī)模是其競爭對手十多年建設(shè)的總體量。數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模的增大，雖然是所有行業(yè)觀察者最容易發(fā)現(xiàn)的事實，但是，數(shù)據(jù)中心規(guī)模的量變產(chǎn)生的架構(gòu)的質(zhì)變，卻是需要進一步研究分析的。眾所周知，數(shù)據(jù)中心是資源消耗大戶，俗稱電老虎，大型數(shù)據(jù)中心往往還是吃水怪獸。當數(shù)據(jù)中心的規(guī)模大到一定程度，如果還要硬搬現(xiàn)有的針對單體的建筑的數(shù)據(jù)中心建設(shè)標準，往往會得出比較夸張的方案來，例如普通的數(shù)據(jù)中心往往采用柴油發(fā)電機組作為后備電源，A級數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機還需要N+1的配置。但如果試著計算某個2萬機柜的數(shù)據(jù)中心油機配置要求，將需要近百臺油機。其儲油量和冷卻水補水量又是多少。這種級別的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)不宜作為某個單一項目來論證評估了，更應(yīng)該將其放入城市規(guī)劃或者區(qū)域規(guī)劃來考慮，考慮將其放在最適合的空間，選擇最合理的實現(xiàn)方式。

邊緣型的中小數(shù)據(jù)中心也在迅速增長。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司的統(tǒng)計和預測，到2020年將有超過500億的終端與設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，未來超過50%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與儲存，邊緣計算所面對的市場規(guī)模非常大。2016年，亞馬遜、微軟、華為、英特爾、ARM等公司已公開宣布進入邊緣計算領(lǐng)域。

2.2 數(shù)據(jù)中心環(huán)境要求的演進

近年來的數(shù)據(jù)中心的行業(yè)實踐發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的IT設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并沒有想象中的嬌貴，因此，對于數(shù)據(jù)中心環(huán)境要求而言，其演進變化的方向主要是根據(jù)設(shè)備的實際耐受程度和行業(yè)綠色節(jié)能的要求，逐步放松其控制范圍。具體而言，數(shù)據(jù)中心機房溫度的工藝要求變化體現(xiàn)在近年來規(guī)范更新上，如表1所示。

表1 國內(nèi)規(guī)范的溫度要求變化（單位：℃）

數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫濕度要求ASHRAE2004版和2011版規(guī)范分別如表2和表3所示。

表2 數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫濕度要求（ASHRAE，2004版）

從表2和表3可以看到，數(shù)據(jù)中心對機房環(huán)境溫度的工藝要求在逐漸放寬，溫度范圍越寬，可以實現(xiàn)自由冷卻的時間越長，數(shù)據(jù)中心的PUE也會越小。隨著IT設(shè)備廠家的新產(chǎn)品不斷研發(fā)，將會有越來越多的IT產(chǎn)品適應(yīng)更寬泛的工作環(huán)境，對于某些選址條件較好，IT設(shè)備要求不高的數(shù)據(jù)中心來說，甚至可以實現(xiàn)全年無壓縮制冷，大大改變了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)約束和制冷系統(tǒng)的建設(shè)方案。

2.3 數(shù)據(jù)中心到數(shù)據(jù)中心群的演進

以前對數(shù)據(jù)中心進行規(guī)劃設(shè)計時，往往將數(shù)據(jù)中心作為一個獨立的個體來分析和研究，數(shù)據(jù)中心運行則業(yè)務(wù)通暢，數(shù)據(jù)中心故障則業(yè)務(wù)中斷。而隨著云計算技術(shù)的發(fā)展完善，業(yè)務(wù)應(yīng)急切換能力不斷加強，以及越來越多的災備數(shù)據(jù)中心投入使用，越來越多的業(yè)務(wù)開始部署在多個數(shù)據(jù)中心上，從而形成了主備或者互備的數(shù)據(jù)中心群的概念。

表3 數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫濕度要求（ASHRAE，2011版）

《GB 50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》第3.2.3條中也對這種情況做出了規(guī)定：“當2個或2個以上地處不同區(qū)域的數(shù)據(jù)中心同時建設(shè)，互為備份，且數(shù)據(jù)實時傳輸、業(yè)務(wù)滿足連續(xù)性要求時，數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施宜按容錯系統(tǒng)配置，也可按冗余系統(tǒng)配置。”這是A級數(shù)據(jù)中心的一種情況，主要適用于云計算數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等。

從工藝要求的角度來看，數(shù)據(jù)中心群的出現(xiàn)，使單個數(shù)據(jù)中心的故障不會導致業(yè)務(wù)完全中斷，從而解放了單體數(shù)據(jù)中心苛刻的可靠性要求。所以，即使數(shù)據(jù)中心群中的單體數(shù)據(jù)中心是按B級的可靠性（冗余級）配置的，其整體仍被認可為A級（容錯級）。

根據(jù)目前的觀察，數(shù)據(jù)中心群的應(yīng)用相對而言還比較稀少，只有少數(shù)幾個國際級互聯(lián)網(wǎng)公司的業(yè)務(wù)系統(tǒng)才龐大到需要使用一個數(shù)據(jù)中心群來承載，也只有這類公司才有足夠的資金和技術(shù)能力部署數(shù)據(jù)中心級的災備切換。但可以設(shè)想，隨著行業(yè)的進一步發(fā)展，相關(guān)技術(shù)進一步成熟，以及數(shù)據(jù)中心整體資源的進一步充實，未來使用數(shù)據(jù)中心群的業(yè)務(wù)將會快速地增加，同時數(shù)據(jù)中心群的規(guī)模也會不斷增大，這會對數(shù)據(jù)中心的工藝要求以及建設(shè)形式都會產(chǎn)生顛覆性的改變。

3 結(jié)論與展望

數(shù)據(jù)中心的建設(shè)形態(tài)已經(jīng)從第1代發(fā)展到現(xiàn)在的第4代，并正在向第5代演進。而演進背后的源動力正是來自數(shù)據(jù)中心工藝要求的升級變化，如服務(wù)器的形態(tài)從大型機→小型機→PC機→刀片機→整機柜服務(wù)器的演進，配套技術(shù)從各自獨立到模塊化智能化的演進，業(yè)務(wù)從孤島式服務(wù)到云計算服務(wù)的演進等。通過觀察數(shù)據(jù)中心工藝要求的演進，可以更加清晰地把握數(shù)據(jù)中心行業(yè)進化方向，更加準確地把握數(shù)據(jù)中心規(guī)劃設(shè)計的關(guān)鍵點，從而建設(shè)出更加貼近未來需求的數(shù)據(jù)中心。