上一期文章中我们以小型数据中心(40kW)为例探讨了一种创新的空间和功率密度设定方法。本期我们将以大型数据中心(2MW)为例，进一步探讨不同的成长计划、模块化设计下如何设定功率密度。
一、大型数据中心功率设定流程
以2MW的数据中心为例，数据中心采用以下层级结构：
制定大型数据中心规格有两种基本方法：
1. 从机柜或IT区域层面开始制定规格，再上升至设施规格
2. 从设施层面开始制定规格，再分解为机房，然后是IT区域，再是机柜规格
理想情况下，应使用第一种方法。然而，大多数情况下，第一种方法并不现实，因为设施层面的限制条件起初就已经界定，比如可用的主要电源或建筑的物理尺寸。在设施功率要求已知的情况下，规格参数必须分解为机房和IT区域，然后再整合到设施层面，流程如下：
1. 确定设施的机房数量，设定机房功率
2. 确定每个机房内的IT区域数量，设定IT区域功率
3. 确定每个IT区域中的机柜数量，设定机柜功率
4. 设定设施、IT区域和机房空间使用参数
5. 确定剩余的功率密度参数
6. 整合总体规格，对照设计约束进行验证
7. 不断调整、重复计算直至设计满足要求
为简化起见，该范例假设所有机房的规格参数均相同，所有的IT区域都一样，且变化仅存在于机柜层面。这种假设对许多情况而言均是恰当的设计假设。下图所示为用于该范例2MW规格设定的工作表。
该工作表简明扼要，包含了大量的设计信息。工作表分为三个输入列：左列表示设施的机房组成方式，中列表示机房的IT区域组成方式，右列表示IT区域的机柜组成方式。工作表定义了2MW数据中心范例的各种属性，具体如下：
- 一个IT区域由12个IT机柜和4个预留机柜位置组成，旨在提供配电和行级制冷，IT区域占地面积为6m x 4m。
- 只要所有12个机柜的IT区域功率不超过50kW，则任一机柜的容许峰值功率为12.5kW。
- 如果采用IT机房层面的W/㎡常规单位表示，则该数据中心的功率密度为1,206W/㎡。
- 每个IT区域内均提供2个预留机柜位置，如果已部署的平均功率低于规定的5kW每机柜，则可充分利用IT区域供电和制冷。
- 每个机房均预留2个IT区域位置，一个是为了在不中断现有IT区域的前提下对新IT区域进行暂存，另一个是在已部署的平均功率低于5kW每机柜时充分利用机房供电和制冷。
相比于先前介绍的单一机房范例，该工作表更为复杂，因为它明确记录了为应对功率密度不确定性而预留的空间。由于已在单个机柜的IT层面预见并考虑不确定性，用户不需要进入IT区域或机房层面；这些层面都是由较低层面累加而成。然而，在设计中，用户可预留空间，以应对不同层面上的不确定性。用户可通过在IT区域中预留额外的机柜位置，或通过在机房中预留更多IT区域位置，或通过在设施中预留额外的机房空间，或通过三种方式的组合，为应对功率密度不确定性预留空间。哪种预留空间方式最受青睐通常取决于机房的几何形状或其他因素。该工作表记录了整体空间要求，使用户能够使用额外机柜、IT区域或机房的任一组合预留空间。
二、将该方法扩展至配备不同IT区域和机房的数据中心
理想情况下，设施应具备整齐划一的IT区域和机房设计。这种统一设计具有不少设计优势，包括：
然而，统一设计并非总是适合或可行，原因如下：
- 已知将要部署的是不同类型的IT设备，且要求大不相同
- 不同区域具有不同的可用性要求，这些要求将影响冗余的供电和制冷设备所占据的空间
我们为此推荐的最佳实践是，确定最小合集 的标准机柜、标准IT区域以及（在大型数据中心中）标准机房。例如，大型数据中心可以界定三个不同标准的IT区域，占地面积相同，用于低功率密度、高功率密度和存储。按照IT区域的预期组合，进行数据中心设计，但也应保持灵活性，以便在长期部署过程中调整组合情况。
上图所示的工作表使用了统计学上的一般机柜，部署在标准IT区域内，安装在标准机房里。如IT区域和机房的类型组合实际上已确定，要采用这种方法则需要完善这个工作表。
三、选择功率密度参数值
既然功率密度参数能大幅拉动成本，该章节将为数值选择提供指南。遵循此处的建议，是为任何类型设施制定功率密度规格的良好开端。这些建议值可原样照搬，或酌情调整以满足特殊要求。
单元数量
对于简单的小型机房，“单元”数量即机房内的IT机柜数量。对于大型数据中心，即为三个数值：IT区域中的IT机柜数量、机房中的IT区域数量以及设施机房数量。这三个数值在大多数情况下取决于设施约束。然而，一个关键设计值是IT区域中的机柜数量，这个值影响着设计的许多方面。这就带来了问题，即IT区域的机柜数量是否具有推荐的选用值？
按照定义，IT区域通常包括配电和制冷系统，因此，部署低于20 kW（取决于具体功率密度，相当于2至6个机柜）的IT区域通常不切实际。IT区域通常视作相邻机柜的组合，而且IT区域周围按照法规要求应设置人员通道，因此，机柜最大数量应约为24，即相当于75至500 kW（取决于具体功率密度）。确定IT区域尺寸的一个最佳实践是，按该IT区域进行不断的IT区域翻新和更换（而不是按机柜进行翻新）。较小的IT区域尺寸允许较小规模的翻新。一个500 kW的IT区域大致相当于1000台服务器，只适合大型云服务提供商使用。对于多数客户，介于50-100 kW范围的IT区域，相当于100至200个服务器，更加实际。
IT区域中IT机柜推荐数量为8至24个。具体而言，大型数据中心和低功率密度建议配备较多IT机柜，而小型数据中心和高功率密度建议配备较少IT机柜。
每单元设计目标平均功率
每机柜设计目标平均功率的选择令人困惑，且饱受争议。这对数据中心设计和成本有着非常大的影响，而且一直以来有关这方面的建议并未达成一致。首先，重要的是要注意，一直以来的大多数讨论没有正确区分不确定性和峰值这两个概念，而这两个概念对功率密度规格的制定至关重要。
回想一下，设计目标平均值是所有机柜平均得出的目标平均（额定）机柜功率。如果规定了5 kW的设计目标平均机柜功率，只要峰值功率参数容许，仍然可以使用20 kW的机柜。数据中心一般倾向于设定较大的每机柜设计目标平均功率，以容纳未来的IT设备（普遍认为未来IT设备有着更高的功率需求）或提供充足的安全余量。因此，选择较高数值似乎是谨慎稳妥。然而，正如专题（一）所讨论的，情况并非如此。事实上，若设定的规格比实际最终部署更大，将导致极度浪费和低效。不少设定较高设计目标平均机柜功率值的数据中心运营商都深陷这一困境，而他们原以为自己设计的数据中心能满足未来需求。更好的方式是，为数据中心选择一个总功率 （kW），然后再选择一个预期机柜功率的最佳估算值。要应对不同于设计值的未来功率密度需求，可采用下面所介绍的基于不确定性和峰值参数的方法。
现今，实际数据中心的每机柜功率密度范围在每机柜2 kW至30 kW之间。然而，平均值超过12 kW的非常稀少，且主要存在于高性能计算（HPC）或高功率密度云计算应用中。企业单位内绝大多数混合用途的数据中心，其平均值在每机柜4 kW至8 kW范围内。然而，一般而言，数据中心的现有平均值并不能准确预测其未来值。整合、标准化、新服务器技术和虚拟化正在推高每机柜功率密度。一般来说，专为混合IT用途而设计的新数据中心，其设计目标平均机柜功率应至少比企业单位现在运行的功率高50%。
单元功率不确定性
行之有效的功率密度规格通常都设置了应对单元功率不稳定性的非零值。唯一例外可能存在于HTP应用中，在HTP应用中，存在明确的标准IT部署，IT设备的功率要求也是已知的，因而可基于这些已知信息构建设施。
务必谨记，不确定值是用来描述已部署的所有机柜平均功率密度如何偏离设计目标平均值，以合理应对突发需求。该值不是用来处理独立单元之间（机柜、机房之间等）的差异情况。
例如，如果提前知道IT负载的组成为：4 kW机柜占80%，20 kW机柜占20%，那么我们就能确切地知道设计目标平均功率为7.2 kW/机柜（加权平均数）。即使本例中混合使用了功率范围为4 kW至20 kW的机柜，这组机柜的单元功率不确定性仍为零。如果4 kW机柜的比例不是确切的80%，而是70%至90%之间，且其余机柜的功率均为20 kW，那么单元功率不确定性则变为+/-1.6 kW，即22%。
为确定单元功率不确定性，假设数据中心已被设备占满，分别取得导致每机柜最低平均功率和每机柜最高平均功率的IT部署假设数据，然后取两者差值的中间数。因为设计不确定性将产生成本，不推荐采用极高或极低的功率密度值这种最坏情况下的绝对假设，而是应考虑可建立80%信心值的功率密度范围假设。
每单元峰值功率
几乎每个数据中心的机柜之间都有功率变化。机柜的运行功率在50瓦特（带接线板的网络交换机）至30 kW（全负载高性能刀片式服务器）再寻常不过，这实际上表示60:1的能耗比。
如果要求数据中心能应对机柜之间的功率变化，那么配电和气流分配系统必须能支持单个机柜的峰值功率值。因此，配电和气流分配系统必须大于设计目标平均机柜功率预期可提供的性能。设计目标平均机柜功率决定了大容量电力和制冷装置的额定值，但峰值机柜功率则要求更高性能的配电和气流分配系统。配电和气流分配系统的过度规划可导致成本浪费，但却能应对机柜间的功率变化问题。峰值机柜功率和设计目标平均机柜功率的比值为3X或更多时，通过减小该比值来管理成本不失为可取的方法。优化峰值与设计目标平均功率比值的两个技巧介绍如下：
1. 将功率相似的机柜组合到一个IT区域内，并为IT区域定义不同功率密度。IT区域之间的每机柜设计目标平均功率将会不同，但单个IT区域峰值与设计目标平均值的比值将会下降。
2. 通过策略控制每机柜最大功率。比如，在一定的机柜功率密度之上进行IT部署时，要拆分机柜间设备。通过限制峰值功率，可不必配备极端供电或气流分配设备。这点在数据中心有一小部分刀片式服务器机柜时非常有效。
管理功率比
得益于现代IT系统的功率管理功能，随时间推移消耗的平均功率往往低于全计算负荷下的数值。出于容量考虑，供电和制冷系统的设计必须面向全计算负荷下的IT功率。然而，要确定电能效率，平均功率是更重要的数字，因为平均功率决定供电和制冷系统的平均预期运行功率水平。
功率比越小，就越需要供电和制冷系统在轻负荷条件下运行，而轻负荷条件下一般会降低能效。现今，典型数据中心的管理功率比约为95%，但未来几年内，不少应用的管理功率会降至40%和80%之间。
请注意，管理功率比不会具体改变数据中心面积，或大容量电力和制冷系统的额定值，或配电和气流分配系统的性能。然而，管理功率比会对效率或数据中心的PUE产生影响，从而对系统架构的选择造成影响。较低的管理功率比建议数据中心应采用模块化、可扩展的设计，或即使在轻负载下能效也出色，最终可帮助节约生命周期的能源成本。在没有考虑管理功率比的情况下建模或计算的预期数据中心能源效率，将会导致对结果过度乐观，其计算结果本身也值得怀疑。
四、IT 功率密度策略
在许多情况下，数据中心运营人员对机柜功率密度掌握定夺权。例如，当部署机架式服务器时，仅需在机柜中留出空白区，即可限制机柜功率密度。此外，运营人员也可自行决定单个设备的部署，还可以在机柜内组合搭配高低功率密度设备，从而控制每机柜的功率。这些决策取决于数据中心运营人员，或由用户或其他方左右。
每个数据中心应该制定相应的功率密度策略。峰值机柜功率不应该通过对最糟情况下未来IT设备最大功率的揣测进行设定，而是应该设计合理的限制，并强制将部署维持在该限制内。机柜运行功率范围宽广的数据中心受益于以下举措：由IT区域设定机柜功率限制，针对高低功率密度设定特定的IT区域，以及根据IT区域类型制定策略。
许多现有数据中心存在的一个通病是，部分或大多数IT部署处于平均或峰值功率密度时，超出了数据中心容量。这种情况会由于配电或供冷能力紧张而导致过载和过热，最终耗尽设施的供电容量或制冷容量。这种问题显而易见。然而，正如我们先前所指出，低容量部署也是一个问题，因为随着数据中心逐渐由单元占据，低容量部署可能会导致供电和制冷容量搁浅。机柜中U空间利用不佳本可避免，也是导致低容量的普遍因素。因此，应该监测最小和最大机柜部署功率，且根据策略进行部署。
五、结论
当数据中心的功率密度由单一数据确定时，如W/㎡，许多重要的性能特点未能说明。 这样一来，为规格制定、设计和调试过程带来大量困惑，也限制了运营人员对数据中心容量的全面理解。
制定数据中心规格的方式，应该考虑到关键的设计制约因素，同时还要为设计具体细节的工程师和承包商提供明确指导。规格应该明确提供必要的信息，帮助数据中心运营人员制定运行策略和流程，使他们对数据中心可预测的性能抱有信心。
即便数据中心的信息不完整，计划不确定，也可以使用本专题介绍的方法。为帮助尝试自行制定功率密度规格的用户，我们提供了典型的设计值供参考选用。标准化、预定制、模块化的IT区域、机房和设施也可使用本专题介绍的方法制定功率密度规格，从而简化数据中心设计。
专题（一）至专题（三）介绍了一种简单快速、符合逻辑的方法，帮助记录数据中心空间和功率密度需求，为确保性能可预测和避免偶然事故提供了充足的细节信息。采用该方法为数据中心制定规格，相比于历史方法而言，能对数据中心具体化设计提供更加全面清晰的指导。那么数据中心功率密度的真实变化趋势到底是怎么样呢？敬请关注下一期：施耐德数据中心论坛 | 功率密度专题（四）数据中心功率密度的真实变化趋势。
文章摘自施耐德电气信息技术
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