微模塊智能數據中心設計與探討

◆陳 玲 陳 澤 劉 坤

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 江蘇 210007）

快速發展的云計算、大數據技術使數據中心成為各類數據匯聚中心、數據集中處理中心以及數據挖掘中心[1]。2012 年9 月美國國防部發布的《核心數據中心參考體系結構1.0 版本》指出達到最終目標狀態（到2017/2018 年）的核心數據中心將大量采用云技術和大數據技術。結合物聯網技術的廣泛應用，傳統的數據中心也將逐步被智能化的新型數據中心取代，智能化新型數據中心的發展建設將處于高速時期。

數據中心為信息服務設備、存儲設備、網絡通信設備等電子信息設備提供安全可靠的運行環境，其設計與施工的優劣，直接關系到數據中心內部各類電子信息設備能否穩定可靠地運行[2]。智能化數據中心通過持續收集數據中心資源信息以及各類設備的運行狀態，分析、處理和提煉有效數據，進而協助數據中心運維人員更有效地管理數據中心，并提升數據中心的性能。

本文推出了一種微模塊智能新型數據中心，具備節能高效、智能管控和高可擴展性等特性。

1 傳統數據中心特點

傳統數據中心設計、部署與土建及基礎設施之間的耦合較多，導致建設周期比較長。一旦規劃發生變化，變更設計非常困難，需要考慮很多因素，占地空間、供配電、制冷都需要重新部署，因此部署的靈活性很差。若是在開始規劃時就考慮之后5～10 的體量，預留空間、制冷和供配電，則又會造成資源浪費，進一步增加系統能耗。研究顯示，電力成本在數據中心TCO（Total Cost of Ownership，總擁有成本）中占比很大，我國傳統數據中心由于建設水平較低，導致能耗較高，PUE 值在2.2～3 之間[3]。傳統數據中心智能化程度低，人力運維成本高，可維性和可用性不高。

2 微模塊智能數據中心設計

模塊化數據中心經過多代發展，逐步形成了微模塊數據中心的概念，對比傳統的數據中心，微模塊數據中心的優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）高擴展性

微模塊數據中心將供配電、制冷、機柜、動環監控、照明和綜合布線統一集成，具有統一的輸入輸出接口，通過多個獨立功能的微模塊組合形成不同規模的數據中心，實現數據中心靈活擴展[3]。

（2）節能高效

微模塊數據中心生產預安裝與基建過程耦合度較低，可同步并行實施，建設周期不到傳統數據中心的一半時間[3]。

（3）先進性

微模塊數據中心采用了“三化兩層”的第四代數據中心建設理念，優化了能耗指標PUE，對比傳統的數據中心，節約能耗可達20%～30%，節省空間30%～40%。

2.1 需求分析

設計一個中小型的數據中心，能滿足用戶3-5 年發展使用需求的模塊化數據中心，需要占用20 套設備機柜，具有獨立電源供電能力和恒溫恒濕功能，提供可視化界面，具有配電監控，空調監控，視頻監控，溫濕度檢測，漏水、煙霧狀態檢測及實時告警功能。

2.2 微模塊智能數據中心的布局設計

微模塊機柜為雙排模塊化結構，兩排中間為1.2 米的密封通道，具體如下：

（1）2 套一體化UPS 及供配電系統，含30 分鐘后備電池，UPS 主機、后備電池和供配電均為1+1 熱備冗余。

（2）4 臺恒溫恒濕精密空調，3+1 臺冗余配置。

（3）18 套IT 機柜和2 套網絡通信柜，主要部署計算設備、存儲設備和網絡通信設備。

微模塊智能數據中心布局圖如圖1 所示。

圖1 微模塊智能數據中心布局圖

2.3 微模塊智能數據中心子系統設計

微模塊智能數據中心統一集成了模塊化UPS 系統、智能溫控系統、機柜及通道系統、動環監控系統和綜合布線系統。

（1）模塊化UPS 系統

為降低數據中心能耗，提高系統功率因數，優化供電效率，本文選用模塊化UPS 系統，降低了設備成本，模塊化UPS 采用并聯冗余設計，任一模塊發生故障，不會對負載供電造成影響，更換方便，具有高可靠性和高擴展性。

本文設計的微模塊機柜內IT設備安裝密度按10 臺/機柜設計，目前市面上2U 機架式服務器平均功耗約400W/臺，因此本機房內機柜功率密度按5kW/柜設計（單柜最大支持7kW），同 時系數取0.9（等效4.5kW/柜）。為滿足數據中心未來5 年的發展使用需求，機柜規模上配置不少于20 臺IT 機柜。

IT 設備負載=20 柜×5 kW/柜×0.9=90kW。

據GB 50174《數據中心設計規范》，UPS 冗余系數為1.2。

數據中心機房所需要的UPS 容量為：1.2×90=108kVA。

根據計算結果，數據中心機房配置125kVA 模塊化UPS 機框2 臺（入列擺放），組成物理隔離的1+1 冗余供電系統。

數據中心UPS 后備時間按約30 分鐘配置，共配置12V100AH電池2 組（共80 只），每機框連接1 組電池。

（2）智能溫控系統

研究表明，制冷在整個數據中心能耗中占比高達一半，因此制冷水平很大程度上影響了數據中心的能效水平[3]。本方案智能溫控系統通過風冷行級精密空調和定制機柜共同組成密封通道，實現精密送風和冷熱空氣隔離，如圖2 所示。行級空調就近制冷，氣流通路短，減少了距離導致的氣流壓力損失，且系統冷熱通道隔離，避免因冷熱氣流混合導致的冷空氣泄漏損失，從而有效提高了空調制冷效率，降低數據中心能耗。

數據中心機柜所需制冷量

=1.2×IT 設備總功率

=1.2×機柜數×單柜功率×同時系數

=1.2×20 柜×5kW/柜×0.9

=108kW

據GB 50174《數據中心設計規范》，A 級數據中心專用空調應N+X 冗余（X=1～N），主機房中每個區域冗余X 臺。B 級數據中心宜采用N+1 冗余。

本方案微模塊數據中心選用不低于40kW 制冷量的恒溫恒濕空調，需要108kW/40kW=2.7 臺，采用N+1 冗余配置，實際應配置不低于40kW 制冷量恒溫恒濕空調4 臺，實現模塊內行間精密空調3+1 的冗余配置。

圖2 密封通道制冷系統示意圖

（3）機柜及通道系統

本方案采用雙排機柜密封通道系統，包括IT 柜、一體化UPS柜、空調、天窗、門、走線槽等部件。

微模塊數據中心結構采用雙排機柜密封通道系統，選用寬1.2 米的冷通道，IT 機柜單柜安裝高度42U，深度1.2 米。每個設備機柜敷設兩條電力電纜，部署兩個PDU，為設備機柜內的雙電源IT 設備提供雙路供電。

在密封通道的兩端安裝端門，增加門禁設備，使得整個微模塊形成一個獨立的整體，提升設備的工作效率的同時，增加系統運行安全性。

門框及通道的燈槽內安裝燈帶，接入動環監控平臺，與系統告警功能關聯，顯示不同顏色代表不同的告警級別。

（4）動環監控系統

動環監控系統需要對各類動力環境子系統和設備進行一體化監控管理，具備全網拓撲管理功能、故障管理功能、多類設備開放集成能力和體系化分析處置能力[4]。動環監控系統由各類智能傳感器、信息采集設備、網絡設備、服務存儲設備、監控管理軟件等組成，可實現對微模塊內環境狀況、設備實時狀況、告警信息和配置信息的可視化管理。主要監控的設備如下：

動力設備：智能溫控設備、不間斷電源（UPS）、配電柜等。 環境設備：水浸傳感器、感煙探測器、溫濕度報警器等。 視頻設備：攝像頭、視頻監控系統等。

門禁設備：門禁機、出門按鈕、電磁鎖等。

動環監控系統通過對微模塊內智能空調、UPS、供配電、溫濕度、煙霧、漏水檢測、視頻、門禁等設備的不間斷監控，可實現環境及設備異常及時告警功能、視頻實時監控、錄像備份回放、門禁權限管理功能、及時發現部件故障或參數異常，第一時間采取燈光顏色、E-mail 和聲音告警等多種報警方式，同時記錄歷史數據和報警事件。動環監控系統架構圖如圖3 所示。

圖3 動環監控架構圖

（5）綜合布線系統

微模塊智能數據中心的綜合布線為星型拓撲結構，分為主配線區、水平配線區和設備配線區。微模塊機柜內部設備網絡配線柜，用于匯聚來自同一微模塊內其他IT 柜的網絡電纜和光纜，而通信機房的總配線柜則用于匯聚來自不同微模塊內網絡配線柜的光纜。數據中心網絡結構圖如圖4 所示。

圖4 數據中心網絡結構圖

微模塊數據中心采用上走線的布線方式，在機柜頂部安裝網格橋架和走線槽，實現線纜的有序管理。綜合布線時要注意強電走線槽和弱電走線槽分離，并做好標識。

數據中心綜合布線涉及的線纜類型如下：

電源線：包括UPS 電源線、電池柜電源線、空調電源線、PDU 電源線等。

保護接地線：包括PDU 接地線、電池柜接地線、IT 柜接地線等。

信號線纜：包括空調、UPS、各種傳感器、視頻和門禁告警等監控線纜，以及微模塊機柜中的各類弱電信號線纜。

3 結束語

綜上，基于傳統數據中心所面臨的能耗高、擴展靈活性差、管理不智能等現狀，微模塊智能數據中心一體化集成了供配電系統、智能溫控系統、機柜及通道系統、動環監控系統和綜合布線系統，可實現快速擴容功能，不僅縮短了建設周期、提升了靈活性，同時還降低了能耗、增強了自動化運維能力，是未來數據中心發展的趨勢。