新基建環(huán)境下模塊化數(shù)據(jù)中心設(shè)計

文/從明 李琳駿 史艷博 劉帥（中電萊斯信息系統(tǒng)有限公司）

一、引言

2020年3月，中共中央政治局常務(wù)委員會議上提出，加速以5G基站、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)據(jù)中心等代表的七項新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)度。“新基建”概念的再次提出，能夠為經(jīng)濟(jì)社會的創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享發(fā)展提供具有乘數(shù)效應(yīng)的底層支撐[1]。

作為信息交換、計算、存儲的能力基座，數(shù)據(jù)中心是“新基建”政策高速推行和高質(zhì)落實的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，也是行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必然要求。依托虛擬化、大數(shù)據(jù)、人工智能的先進(jìn)成熟技術(shù)，數(shù)據(jù)中心服務(wù)逐步實現(xiàn)云化部署，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲資源池，提高資源利用率，增強(qiáng)系統(tǒng)可用性，實現(xiàn)彈性擴(kuò)容和負(fù)載均衡等[2]。目前，我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)入大規(guī)模實施階段，數(shù)據(jù)中心數(shù)量減體量增，中大型數(shù)據(jù)中心占比逐年增長[3]。在國家“新基建”政策的加持下，我國數(shù)據(jù)中心建設(shè)必將迎來一輪新高潮，對工程建設(shè)周期和質(zhì)量均提出了新的要求。尤其是對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)環(huán)境，既要縮短數(shù)據(jù)中心建設(shè)交付周期，保障IT設(shè)備安全可靠運行，延長設(shè)備使用壽命，又要為運維人員提供舒適的操作環(huán)境，能夠?qū)囟取穸?、安全防護(hù)、電源配電和防雷接地等進(jìn)行一體設(shè)計[4]。模塊化數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)表明了建設(shè)模式的發(fā)展趨勢，現(xiàn)已成為數(shù)據(jù)中心設(shè)施新建和升級改造的研究熱點。

二、必要性分析

針對現(xiàn)有的老舊數(shù)據(jù)中心，常存在建設(shè)周期長、系統(tǒng)擴(kuò)展性差、能源利用率低、機(jī)柜尺寸規(guī)格不一致、布線和外觀不協(xié)調(diào)等問題，已不能滿足未來業(yè)務(wù)發(fā)展需要。相較于傳統(tǒng)建設(shè)模式，模塊化數(shù)據(jù)中心的能力優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：（1）一次規(guī)劃，分期投資。實現(xiàn)土建和信息系統(tǒng)建設(shè)的有效解耦，建筑主體及基礎(chǔ)水電一次性建設(shè)完成。微模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化組件并預(yù)留接口，可快速生產(chǎn)發(fā)貨、高效現(xiàn)場組裝，提高投資回報率，資本性支出降低10%以上。（2）快速部署，靈活擴(kuò)展。數(shù)據(jù)中心從統(tǒng)籌統(tǒng)建變?yōu)榉制跀U(kuò)容，微模塊的快速部署能力極大縮短工程交付周期。由于IT設(shè)備生命周期一般為3-5年，數(shù)據(jù)中心使用年限大多為10-15年，當(dāng)服務(wù)器升級改造或集中換新，微模塊能夠靈活調(diào)整內(nèi)部供配電方式和制冷參數(shù)，大大提高微模塊的高可用性。（3）綠色節(jié)能，空間高效。微模塊采用密封通道設(shè)計理念，實現(xiàn)冷熱氣流隔離，行間空調(diào)近距離制冷，消除局部熱點，顯著提高制冷效率，年均PUE可優(yōu)化至1.5。同時，IT設(shè)備安裝密度增大，空間利用率顯著提升，單機(jī)柜功率密度可提升至10kW以上。（4）智能管理，安全可靠。依托監(jiān)控平臺軟件，提供數(shù)據(jù)可視化、管理一體化、排障智能化等功能，支持各類傳感器按需接入，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心動力監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、安防監(jiān)控等。通過對運維數(shù)據(jù)的聚合和分析，最大程度提高數(shù)據(jù)中心的運維效率與運行可靠性[5]。

三、模塊化數(shù)據(jù)中心設(shè)計

針對機(jī)柜、供配電、制冷和動環(huán)監(jiān)控等系統(tǒng)，模塊化數(shù)據(jù)中心采用一體化集成設(shè)計思路，實現(xiàn)高度模塊化，高可靠性和高可用性，具備快速靈活部署，節(jié)能高效使用，智能運維監(jiān)控等優(yōu)點。

（一）設(shè)計原則

加強(qiáng)機(jī)房一體化設(shè)計，提升數(shù)據(jù)中心對上層業(yè)務(wù)支撐能力及自身運維能力，在系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、安全性、智能化、可視化等方面取得突破。

（1）設(shè)計一體、體制一統(tǒng)。堅持一體化設(shè)計，統(tǒng)籌資源、集約部署，確保整體性能最優(yōu)、收益最大；采用統(tǒng)一的技術(shù)體制，確保系統(tǒng)兼容性、擴(kuò)容性，支撐上層業(yè)務(wù)互通。（2）安全可控、開放創(chuàng)新。采用冗余備份、受控引接等方式，實現(xiàn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠；運用虛擬化、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)成熟技術(shù)，支撐數(shù)據(jù)共享、經(jīng)濟(jì)綠色、平滑擴(kuò)容等，體現(xiàn)科技感[6]。（3）智能運維、簡化操作。構(gòu)建安全可靠、規(guī)范高效的管控平臺，實現(xiàn)運維可視化、自動化、智能化，簡化操作流程，支撐遠(yuǎn)程值守、自動告警等應(yīng)用需求。

（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)中心微模塊主要由功能模塊、空調(diào)模塊和動力模塊組成。其中，功能模塊集成部署服務(wù)器、磁盤陣列、交換機(jī)、路由器等IT設(shè)備，可根據(jù)業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求靈活調(diào)整設(shè)備安裝位置及綜合布線；空調(diào)模塊集成制冷單元及溫度傳感器，可根據(jù)IT設(shè)備功率密度靈活配置空調(diào)數(shù)量和功率；動力模塊集成UPS、電池及配電單元，可根據(jù)設(shè)備總功耗靈活選擇電池數(shù)量及供電方式。數(shù)據(jù)中心典型的微模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心典型的微模塊結(jié)構(gòu)圖

（三）功能設(shè)計

微模塊采取標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，以內(nèi)循環(huán)制冷方式為IT設(shè)備冷卻散熱，可有效解決IT設(shè)備高密部署的制冷瓶頸，降低PUE值。采用冷熱雙通道封閉設(shè)計，能夠大幅降低對數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有基礎(chǔ)環(huán)境的依賴。同時，部署各類傳感器和監(jiān)控管理模塊，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的智能化控制管理。

1.機(jī)柜系統(tǒng)

采用42U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，強(qiáng)度高、重量輕，滿足IT設(shè)備高熱密度的散熱需求。每個機(jī)柜配置定制化PDU，為機(jī)柜內(nèi)設(shè)備提供可靠供電保障。機(jī)柜頂部和底部預(yù)留走線通道，前部和背板采用網(wǎng)孔面板。微模塊內(nèi)機(jī)柜的環(huán)境整齊美觀，電源維護(hù)安全可靠。

2.供配電系統(tǒng)

包括IT設(shè)備供電（UPS）系統(tǒng)和輔助設(shè)備供電系統(tǒng)，由不同回路供電，為電子信息系統(tǒng)的可擴(kuò)展性預(yù)留容量。采用機(jī)柜式電池箱、機(jī)架式UPS、機(jī)架式配電模塊配合使用模式，由市電經(jīng)UPS供電給服務(wù)器、磁盤陣列、網(wǎng)絡(luò)等IT設(shè)備，提供指定容量的后備能源貯存，節(jié)約UPS及電池組的安裝空間。同時，市電負(fù)荷主要為精密空調(diào)、新風(fēng)、照明、暖通、UPS設(shè)備等。

3.制冷系統(tǒng)

采用機(jī)柜排封閉和行間就近制冷結(jié)合方式，達(dá)到最佳制冷效果。IT設(shè)備機(jī)柜間按需間隔部署行間空調(diào)，通過前部出風(fēng)，后部回風(fēng)方式，在機(jī)柜排前部形成冷氣流通道，后部形成熱氣流通道，實現(xiàn)冷、熱氣流通道分離，氣流在柜內(nèi)流經(jīng)IT設(shè)備完成循環(huán)換熱，實現(xiàn)“冰箱式”制冷。保證IT設(shè)備機(jī)柜不同高度進(jìn)風(fēng)溫度的均衡性，避免局部熱點，提高設(shè)備運行安全性，延長設(shè)備使用壽命。

4.動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)

包括前端傳感器和監(jiān)控平臺軟件，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程無人值守。前端傳感器包括攝像機(jī)、門禁、水浸、溫度、濕度、煙感等各類傳感器，支持微模塊內(nèi)圖像實時采集和環(huán)境參數(shù)收集；監(jiān)控平臺軟件支持對環(huán)境、電源、空調(diào)等進(jìn)行集中管控，對各類實時信號和歷史信息（含設(shè)備信息、配置數(shù)據(jù)、報警信息等），提供實時畫面預(yù)覽和歷史圖像回放功能。通過對監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析、存儲、顯示和導(dǎo)出等，實現(xiàn)運維日志保存、報警信息處理、報警事件記錄。通過客戶端顯示、手機(jī)App、電子郵件等途徑，及時將報警內(nèi)容發(fā)送給運維人員。

四、投資收益分析

以300個機(jī)柜規(guī)模的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心和模塊化數(shù)據(jù)中心為例，分析兩者的投資收益。投資成本主要包括機(jī)柜系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、UPS電源系統(tǒng)（不含前端供電配電）、建筑投入（含土建、新風(fēng)、裝修等）。運營成本主要包括水電成本（按全年8760小時75%的IT載荷計算）和運營費用（含維保經(jīng)費、人工工資等）。兩類數(shù)據(jù)中心投資收益分析如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)和模塊化數(shù)據(jù)中心投資收益對比圖

由總利潤計算出，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心投資回收期約為5.9年，模塊化數(shù)據(jù)中心投資回收期約為4.1年。模塊化數(shù)據(jù)中心投資回收期明顯小于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模增大，模塊化數(shù)據(jù)中心優(yōu)勢將更加明顯。

五、結(jié)論與展望

面對上層業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、節(jié)能性、智能性及建設(shè)周期的新要求，本文闡述模塊化數(shù)據(jù)中心設(shè)計原則、功能設(shè)計、投資收益等，指出數(shù)據(jù)中心采用微模塊部署的優(yōu)勢。通過優(yōu)化設(shè)計機(jī)柜、供配電、制冷、動環(huán)監(jiān)控等系統(tǒng)，能夠有效解決IT設(shè)備高密部署（單機(jī)柜功耗較大）時產(chǎn)生的散熱、配電、監(jiān)控、布線等實際問題。微模塊建設(shè)模式具備高可靠性、高可用性、節(jié)能高效、智能管控等特點，在中大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)具有廣泛應(yīng)用前景。