微模塊數據中心的優(yōu)勢淺談

丘煥新

【摘 要】為了解決傳統(tǒng)數據中心的建設周期長、擴展性差等問題，滿足數據中心快速部署的需求，提出了微模塊數據中心的建設模式。通過介紹微模塊數據中心，并與傳統(tǒng)數據中心的技術特點進行對比以及案例分析，證明了模塊化是未來數據中心的發(fā)展方向。

【關鍵詞】數據中心 微模塊 行級空調 密閉通道 TCO

1 引言

隨著物聯網、大數據和云計算的不斷發(fā)展，國內數據中心進入了快速建設搶占市場的階段，面對如此巨大的市場，作為基礎設施的數據中心面臨著巨大的機遇和調整。由于傳統(tǒng)數據中心部署緩慢、密度低、擴展性差等弊端逐漸顯現，因此為了應對快速發(fā)展的市場需要，誕生了新的數據中心建設模式——微模塊數據中心。微模塊數據中心的出現可以很好地解決數據中心目前所面臨的各種問題，具有很大的發(fā)展前景。

2 微模塊數據中心介紹

為了應對云計算、虛擬化、集中化、高密化等服務器的變化，提高數據中心的運營效率并降低能耗，實現快速擴容且互不影響的需求，才推出了微模塊數據中心[1]。

微模塊數據中心是一套完整的數據中心解決方案，它集成了制冷系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、機柜系統(tǒng)、密閉通道、監(jiān)控系統(tǒng)、綜合布線、消防等系統(tǒng)于一體[2]，采用模塊化的部件和統(tǒng)一的接口標準，實現了供電、制冷和管理組件的無縫集成。各功能組件均實現工廠預制、現場積木式拼裝，部署快速簡單，并且擴容方便。

微模塊數據中心示意圖如圖1所示：

2.1 制冷系統(tǒng)

根據研究顯示，在整個數據中心的能耗中，制冷的能耗約占一半，所以數據中心的能效水平在很大程度上是由制冷技術的優(yōu)劣來決定的[3]。微模塊數據中心的制冷技術采用行級制冷技術。

在微模塊數據中心內，行級空調同設備機柜一起，共同組成密閉冷（熱）通道，實現冷熱空氣隔離。微模塊數據中心采用的空調為水平送風方式，氣流路徑為后進前出，將服務器排出的熱風吸入冷卻后吹出，冷空氣再被服務器吸入、排出，如此反復。

水平送風空調靠近熱源，送風距離大大縮短，僅為2～6 m，不受限于風道及開孔地板，從而減少了氣流沿程壓力損失和冷空氣的泄露量，提高了冷量的利用效率，解決了局部熱點問題。

空調系統(tǒng)可以采用風冷或冷凍水兩種制冷方案，靈活適配客戶需求。

2.2 配電系統(tǒng)

電氣工程是整個機房的基礎系統(tǒng)工程，其供配電系統(tǒng)的可靠性要求極高。供配電系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護性和在線擴展性是數據機房的重點。

微模塊數據中心的配電系統(tǒng)包括UPS（Uninterru-ptible Power System/Uninterruptable Power Supply，不間斷電源）系統(tǒng)、一體化配電柜和PDU（Power Distribution Unit，電源分配單元）。

UPS系統(tǒng)采用模塊化UPS或機架式UPS。支持單機20 kVA～320 kVA多種容量的UPS，按需部署，柔性擴容。

配電柜采用一體化配電柜，集成IT配電單元、空調配電單元、UPS配電單元，真正實現一體化集成配電，大幅節(jié)省空間，并帶上智能電量測試儀，可測量輸入電源電壓、電流、功率因數和每一路的輸出電流，實現7×24小時不間斷監(jiān)控。

2.3 機柜系統(tǒng)

微模塊數據中心配置的尺寸統(tǒng)一的機柜符合IEC 60297-1標準化機柜，完全兼容第三方IT設備。

機柜采用前進風、后出風機柜，冷空調從機柜的前門被IT設備吸入，熱空調從機柜的后門排出。其中，前門的通風率不小于60%，后門的通風率不小于50%。

2.4 密閉通道

密閉通道主要是由天窗、端門與機柜連接組合而成，將冷熱氣流隔離，工廠預制結構件，實現快速部署。

密閉天窗主要用于模塊通道的密封，分為控制天窗、旋轉天窗和平頂天窗三種。旋轉天窗采用偏心結構，當觸發(fā)裝置動作后，天窗在重力作用下打開翻轉。旋轉天窗的驅動方式是通過電磁鎖觸發(fā)裝置翻轉。如果將消防系統(tǒng)引入模塊內，則選用不旋轉天窗；如果模塊與機房共用消防系統(tǒng)，則選用旋轉天窗。

端門分為推拉門和雙開門兩種。在密閉通道的兩端安裝端門，使得整個模塊形成一個獨立的整體，在提升設備工作效率的同時保證工作人員或設備進出。

2.5 綜合布線

微模塊數據中心在頂部安裝走線槽，以實現線纜的有序管理。走線槽分為信號線走線槽和電源線走線槽，分別用于信號線和電源線走線。具體如圖3所示：

在每個機柜頂部中間有走線孔，從而方便線纜連接至機柜中。走線槽可實現長度方向的擴容，且在相交時分上下兩個通道走線，實現電源線和信號線的分層管理。

在天窗的結合部有線纜綁扎孔，從而方便線纜的綁扎。

3 微模塊數據中心與傳統(tǒng)數據中心技術

特點對比

3.1 傳統(tǒng)數據中心建設模式面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)數據中心建設模式面臨的主要問題如下：

（1）選址困難，場地利用率低

傳統(tǒng)數據中心要求滿足各個專業(yè)機房的所有環(huán)境條件，對樓層高度、樓板承重等指標要求嚴格，造成選址困難。

每個功能板塊都要求有獨立的區(qū)間，過多區(qū)間劃分必然會造成空間的浪費[2]。

（2）建設周期長

建設周期就是機房基礎設施系統(tǒng)從規(guī)劃、設計、安裝到付諸運營的時間。從以往經驗來看，建設周期大概在400天左右。

期間還會因為各種未知的因素影響工期，比如：按照專業(yè)設計、建設，各專業(yè)交叉施工，相互影響且工程復雜；設備發(fā)貨零散，產生額外倉儲及二次搬運費用；廠商過多，設備無庫存?zhèn)湄洠浧陔y以統(tǒng)一協調等。

（3）擴展性差

擴展能力對于適應性十分重要。由于只能準確分析目前的業(yè)務需求，無法預見未來的業(yè)務需求，因此容易造成過度建設或容量不足。

若前期投入費用按目前需求建設，則后期擴容投入存在二次工程，設備掉電，部分設備需購新，產生額外工程、設備費用，并存在較長的機房使用空檔期。

若直接按最終需求建設，則存在投入過大、設備使用率低導致無用功損耗嚴重的情況。

（4）低密度

傳統(tǒng)數據中心空調是送風方式，從上送風改為地板下送風，單機架的功率密度從2 kW～3 kW上升到3 kW～5 kW。

隨著通信設備集成度的日益提高，機房內設備的功率密度越來越高，耗電量平均大于6 kW/機架的情況變得越來越常見，設備的發(fā)熱量相應也越來越大，機房局部過熱成為設備安全運行的最大風險。

（5）PUE值高

數據中心都是能耗大戶，傳統(tǒng)建設采用常規(guī)意義下的可靠性較高的配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)往往可靠性越高效率就越低，沒有很好地考慮制冷方案、氣流組織的問題，很多數據中心的PUE（Power Usage Effectiveness，電源使用效率）偏高。

傳統(tǒng)數據中心的PUE都在2.0以上甚至更高，這意味著數據中心所使用的電能只有一半消耗在IT負載上，而另一半消耗在基礎設施上[4]。

（6）運行維護成本高

IT運維正面臨著諸多問題，比如：粗放式運維，資源臺賬不清；缺乏統(tǒng)一的服務接口人，故障響應和故障處理跟蹤出現混亂；系統(tǒng)運維優(yōu)化需要IT人員積累大量的數據和報表進而得出結論，而日常的IT運維管理難以有效統(tǒng)計這些數據[5-6]。

3.2 微模塊數據中心的優(yōu)勢

數據中心傳統(tǒng)建設方案的劣勢正好是微模塊數據中心建設方案的優(yōu)勢，具體如下：

（1）快速部署

微模塊數據中心將很多傳統(tǒng)數據中心的工作界面轉移到工廠預制，比如：原來需要現場敷設的橋架可部分在工廠就預裝在微模塊頂部，現場無需再做這部分工程；防靜電地板也由工廠預制的底座所取代；強弱電布線、接地、照明等都在工廠預制了標準的安裝位和規(guī)格，節(jié)省了現場定位、勘察和施工等。

根據施耐德電氣公司的研究顯示，模塊化的建設方式要比傳統(tǒng)方式縮短一半以上的時間[7]。具體如圖4所示。

（2）方便擴展，按需建設，彈性投入，節(jié)約機房空間

采用微模塊的架構，數據中心可以根據業(yè)務需求逐步增加，因此可從1個微模塊到幾十個微模塊根據需求分期建設。

傳統(tǒng)數據中心由于制冷系統(tǒng)設計的限制，使單機架的散熱能力受到很大局限。一般來講，單機架的功耗在3 kW左右，再高散熱就會成為瓶頸。

微模塊數據中心的單機架功率可做到9 kW以上，相比傳統(tǒng)機房提高了3倍以上。相同功率的設備原來需要3個機架放置，而在微模塊中只需要1個機架。

（3）節(jié)能減排

微模塊數據中心采用多種設計和技術來提高數據中心的能效水平，節(jié)能效果明顯。比如：冷熱通道的封閉和隔離使空調系統(tǒng)的冷量集中在較小空間，全部供熱源利用，大大減少了冷量的損失；空調回風溫度很容易得到提高，大大提高了制冷系統(tǒng)的效率；行間空調、模塊化UPS、密閉通道、高集成配電柜的聯合應用，使PUE降至1.5以下。

（4）一體化的數據中心管控系統(tǒng)簡化了管理界面

微模塊數據中心統(tǒng)一管理系統(tǒng)集基礎設施（傳感器、智能設備）、IT設施、云計算的運維和運營管理于一身，改變了傳統(tǒng)數據中心多層級不同系統(tǒng)并存難以管理的現狀，大大減少了運維的工作量[8]。

3.3 傳統(tǒng)數據中心與微模塊數據中心全方位對比

及案例分析

（1）全方位對比分析

傳統(tǒng)數據中心（行級空調+密閉通道）與微模塊數據中心（房間級空調+密閉通道）具體對比分析如下：

機房布局

傳統(tǒng)數據中心采用房間級空調，需要單獨的空調區(qū)域，機柜與空調出風口距離不小于2 m，布置的機柜數量較少。

微模塊數據中心采用行級空調，空調安裝在列間，不需要專門劃定的空調區(qū)域，綜合起來布置的機柜數量較多。

因此，微模塊數據中心的機房空間利用率更高。

建筑要求

傳統(tǒng)數據中心機房梁下高度不小于3.6 m，跟功率密度有關，越高功率密度需要越高的地板高度。機房形狀最好是規(guī)則長方形，要避免正方形及不規(guī)則機房，因為不規(guī)則機房不利于房間級空調的送風回風。

微模塊數據中心機房梁下高度不小于3 m，無需抬高地板送風，且與功率密度高低無關，只需預留300 mm的下走空調水管，行級精確送風，每個微模塊獨立空調系統(tǒng)，對機房形狀要求低。

因此，微模塊數據中心對機房建筑要求更低，且適應性更強。

連續(xù)可用度

傳統(tǒng)數據中心機房空調N+1設計，顆粒度大、備用空調少，單臺空調故障對機房正常使用影響大。

微模塊數據中心機房空調N+X設計，顆粒度小、備用空調多，單臺空調故障對機房正常使用影響小。

因此，微模塊數據中心機房可用度更高。

功率密度

傳統(tǒng)數據中心只支持單機柜不大于5 kW，機柜功率密度過高存在散熱問題，形成局部熱點無法消除。房間級空調由于遠距離送風，房間級制冷無法支持高密。整個機房只能按需要最高的機柜功率密度標準統(tǒng)一設計，否則各種功率密度無法共存，并且功率密度不能升級。

微模塊數據中心支持單機柜不大于13 kW，不會形成局部熱點。行級空調近距離送風，精確制冷可以支持高密要求。機房內由若干微模塊組成，每個微模塊可以支持不同功率密度進行設計，各種功率密度機柜可以共存在一個機房內。功率密度可以通過添加行級空調實現，支持功率密度升級，并且不會影響已有的其他模塊。

因此，微模塊數據中心支持的機柜功率密度更高，且擴展更靈活。

機柜利用率

1臺1U雙路服務器300 W，1個42U的機柜可以安裝42臺300 W服務器，最大需求是12.6 kW，傳統(tǒng)數據中心實際只能支持5 kW、16臺300 W服務器，單IT機柜利用率只有40%。

微模塊數據中心支持高密，且支持全部服務器上架，單IT機柜利用率可達100%。

因此，微模塊數據中心單機柜利用率更高，一個微模塊的IT機柜相當于傳統(tǒng)的2～3個機柜使用。

建設周期

傳統(tǒng)數據中心先建土建，機房裝修完后才進場施工安裝機柜、UPS、電池、空調、走線架等，各種工序前后制約，串行實施。

微模塊數據中心土建和裝修機房的同時，可以找工廠生產機房微模塊，預安裝調試，機房裝修完畢后即可運往現場拼裝，大大節(jié)約了機房設備安裝的時間，并行實施。

因此，微模塊數據中心的建設周期更短。

投資造價

傳統(tǒng)數據中心以機房為單位建設，機房裝修、電源、空調設施通常一次性建設完成，初期投資較大，業(yè)務不足時存在過度投資。整體一次性部署時，投資略省。

微模塊數據中心機房裝修一次性完成，電源、空調、機柜以微模塊為單位按需、分期部署，彈性擴容，匹配業(yè)務發(fā)展建設，可節(jié)約初期投資。從整體投資費用來看，投資略高于傳統(tǒng)數據中心3%～10%。

因此，微模塊數據中心可以節(jié)約初期投資，分期投資更有優(yōu)勢，而整體投資略高于傳統(tǒng)數據中心。

綠色節(jié)能

傳統(tǒng)數據中心采用房間級空調遠端制冷，要求送風溫度、回風溫度較低，遠距離的機柜散熱才有效果，節(jié)能較差。由于送風距離長，空調風機功率大、耗能高，設計PUE值為1.7～1.8。

微模塊數據中心采用行級空調近端制冷精確送風，機柜散熱效果更好，可提高送風溫度，更利于節(jié)能。氣流路徑縮短可降低空調風機功率并提高效率，設計PUE值為1.3～1.6。

因此，微模塊數據中心更加節(jié)能。

維護簡便

傳統(tǒng)數據中心維護接口需與眾多廠商協調，多專業(yè)間獨立維護，出現故障責任界面不清晰，容易出現多專業(yè)廠商間的相互推諉，維護效率低。由于多廠商集成，因此接口不統(tǒng)一，難以集中監(jiān)控，消耗維護人力較多。

微模塊數據中心由同一廠商接口運維，一個廠商負責多專業(yè)維護，不存在多專業(yè)間的相互推諉，維護效率高。同一廠商提供不同子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的接口統(tǒng)一，可以集中監(jiān)控維護，需要維護人員少，節(jié)省了人力。此外，還可以進行單模塊監(jiān)控與集群監(jiān)控，提高運維效率。

因此，微模塊數據中心的維護更簡便。

彈性擴容

傳統(tǒng)數據中心以機房為最小單元，對單機房來說，配電、制冷需要在建設前期一次性規(guī)劃好，后期擴容難。

微模塊數據中心以微模塊為最小單元，對單機房來說，能隨時擴容，可以把配電、制冷設備一起擴容。

服務器生命周期一般為3～5年，數據中心為10～15年[9]。當未來一輪服務器配置變化時，傳統(tǒng)數據中心機房所支持功率密度低，因此在設備升級中支持設備的功耗有很大限制。

微模塊數據中心機房靈活調整內部配電和制冷的配比即可應對，可支持高功耗IT設備應用，大大提高了微模塊未來的可用性。

因此，微模塊數據中心更易擴容。

（2）案例分析

下面以河北某基地的微模塊方案與傳統(tǒng)方案進行對比為例具體分析[10]。單個標準機房模塊的平面布局對比：微模塊366、傳統(tǒng)438，具體如圖5和圖6所示。

微模塊數據中心與傳統(tǒng)數據中心的主要指標對比如表1所示。

微模塊數據中心與傳統(tǒng)數據中心的TCO（Total Cost of Ownership，總體擁有成本）對比如表2所示。

4 結束語

為了滿足數據中心快速部署的需求，本文提出了微模塊數據中心的建設模式，并與傳統(tǒng)數據中心的技術特點進行對比。從建設和維護的角度來看，微模塊數據中心機房利用率高、適應性強、建設周期短、擴容改造簡單、能源利用率高；從投資的角度來看，在分期投資方面，微模塊數據中心的投資比傳統(tǒng)數據中心要少，且成本回收時間短，而在一次性投資方面，微模塊數據中心的投資比傳統(tǒng)數據中心要稍大，但成本回收時間還是比傳統(tǒng)數據中心要短。所以，微模塊數據中心更適應目前數據中心快速發(fā)展的需要。

由于微模塊數據中心的各個部件都是在工廠生產的標準化產品，相比在現場施工有更高的質量保證。我國在數據中心這方面的標準化相對滯后，下一步將解決產品的標準化，并加大對微模塊數據中心關鍵技術的研發(fā)。

參考文獻：

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[9] 博川電氣有限公司. 模塊化數據中心的建設優(yōu)勢[EB/OL]. （2015-10-28）[2016-12-28]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_1538d81a30102w3ap.html.

[10] 華為網絡能源總工辦. 傳統(tǒng)數據中心與模塊化數據中心對比分析[R]. 華為技術有限公司， 2016.