設計模塊化數據中心
模塊化數據中心提供了快速的周轉和明確的項目成本。與傳統數據中心一樣，它們需要精心設計的電氣和冷卻系統。
當數據中心業界的人們聽到“模塊化數據中心”(MDC)這個術語時，其實每個人對于MDC的真正感覺印象都是不同的。MDC的采用已經呈現出上升趨勢：根據IDC的調研報告顯示，表示在過去18個月中，已經對其數據中心進行了重大改造的74%的受訪者，約有87%的受訪者表示，他們所在的數據中心部署了模塊化，預制或容器集裝箱式的數據中心組件。但這一現狀并沒有減輕數據中心行業的大多數人(無論其是關注于IT還是基礎設施)對于不同類型的模塊化數據中心缺乏一致性的理解。
而相關作者們則更傾向于使用“靈活的基礎設施”這一術語，因為并不是所有的設施都是真正模塊化的，盡管起仍然提供了模塊化的許多優勢。這些數據中心設施的形式有容器集裝箱式(位于室內和室外)，工業化或預制的以及實體建筑。的確，如果其設計采用了與預制或容器集裝箱式數據中心相同的可擴展性和靈活性的概念，那么，實體建筑數據中心可以被視為一處靈活的設施。而在本文中，我們將關注三種主要類型的靈活設施：容器集裝箱式解決方案、工業化或預制數據中心、以及企業實體數據中心。
流行術語的解讀：明確的模塊化、可擴展性和靈活性
關于MDC的采用，整個數據中心業界有著許多廣泛使用的流行術語，而這些流行術語都具有廣泛的定義。諸如模塊化、可擴展性、垂直整合、靈活性、敏捷性、預制、可重復的質量和快速部署營銷手冊、行業出版物等等術語。我們先不提這些術語的使用其實是不準確的，這些術語必須要附加到現實世界的產品和方法上，它們要如何能夠改進數據中心的操作運營，并最終對企業的業務績效產生積極影響。作為如何實現這一點的一個示例，請參考以下來自IDC的數據，相信有助于您理解MDC的采用日益激增的原因了：
- 從合同簽署到實際運行的快速周轉，使企業客戶能夠在需要時快速擴展計算解決方案。
- 更清楚地說明項目成本，使企業客戶們能夠更好地控制預算，并對相關投資回報進行估計
- 能夠在世界上的任何地方快速部署該解決方案，無論企業客戶是需要在其現有的數據中心建筑還是在遠程的位置添加額外的數據中心容量。例如，支持冗余或衛星定位。
- 在這些情況下，模塊化、可擴展性和靈活性的理念變得更加具體。
靈活設施的基礎
當容器集裝箱式數據中心開始獲得更大的可視化，并開始在更多主流業務應用中使用時，設計和工程的進步使得IT和設施的緊密集成(包括物理位置和操作方法)成為了可能。不必使用為企業數據中心創建的組件，并將其安裝到更小的空間中，今天的靈活設施使用工廠組裝和測試IT，電源和專為該類型的機箱設計的冷卻組件，具有不同的設計。
關于靈活的數據中心設施，有一個重要的基礎性信念：設施圍繞著IT建造vs.IT圍繞著設施設計，后者是數據中心行業的典型模型。動態IT操作需要一套能夠響應和適應不斷變化的需求，而同時又不會對成本和停機中斷帶來顯著影響的設施(見上圖1)。此外，其所具備的動態縱向擴展和縮短上市時間的能力為IT操作提供了重要的優勢。這種縱向擴展(或橫向擴展)不僅通過設施的模塊化得以實現，而且更重要的是，實現了IT設備安裝和設施設計的緊密集成。
關于靈活的數據中心設施的其他重要的，但卻并非廣為人知的方面與制造和現場施工工作流有關。通過重新分配現場勞動力，并將這些勞動力集中于機械和電氣模塊的預制來獲得效率增益。在這個模型中，供應鏈管理成為確保準時交付和安裝的主要活動之一。
什么是靈活的數據中心設施
在短時間內以顯著更低的成本實現數據中心，并且該數據中心永遠都不會過時的概念看起來像是一個幻想，但靈活的設施仍然是設施，必須遵循傳統的流程 ，遵守數據中心選址當地的建筑法規的監管。那種認為靈活的設施能夠被簡單地放置、插入，然后就可以讓IT操作人員馬上開始操作運營的信念是根本不可能的。當然，在數據中心現場正在準備的同時，制造相關的設施(或設施的部分)，滿足數據中心選址當地的管轄機構相關監管要求，并在與當地電力公司合作的情況下，將有助于節省原本計劃中的相當多的時間。
但是電力資源和水資源都將以相同的方式消耗，而不管數據中心是何種類型，靈活的設施或傳統的實體企業數據中心。此外，除非新的靈活設施能夠緊密連接到現有設施，否則必須安裝大量地下管道和冷卻水管道。最有可能需要的是站點訪問、道路、停車場、保留水池、下水道和其他元素。當然，每個項目都有其不同的要求，但該想法理念是，除了靈活的設施本身之外，還需要更多。由于許多這些數據中心都部署在遠程位置，因此必須有本地運營和維護團隊來提供定期實施維護，并快速響應故障呼叫是必不可少的。
***，靈活的數據中心設施中***的創新領域之一是冷卻和IT系統的集成控制和操作。根據數據中心的設計，冷卻設備將與IT設備緊密耦合，并且將對IT設備的功率狀態的變化做出更快的反應，從而降低冷卻系統的總體能量消耗。雖然此描述對于實際操作策略有些過度簡化，但它說明了當數據中心設施轉交給數據中心業主之前必須了解的一個領域：IT和冷卻系統的復雜控制策略和物理緊密耦合需要額外的偶然事件，以避免在設備故障的情況下發生熱過載。并發可維護性或容錯的故障概念在設計數據中心時肯定不是新的。但在提供高度優化(包括空間)的靈活設施領域中，則必須探索額外的故障情況。
冷卻系統的模塊化和靈活性
不同的靈活設施類型可以安裝不同類型的冷卻系統。而數據中心最終所選擇的類型則取決于許多因素，包括：設施類型、數據中心業主對設施的熟悉程度、數據中心的地理位置、***成本、持續的能量和維護成本、可靠性和可維護性。
容器集裝箱式解決方案：例如，容器集裝箱式數據中心可以使用直接蒸發(DX)冷卻、具備DX冷卻的室外空氣節約器、直接蒸發冷卻(具備或不具備DX冷卻均可)，用于水冷計算機的冷卻水等。除了任何冷卻水源之外，這些冷卻解決方案與容器本身是一體的。如果使用冷凍水的解決方案，則需要更多的外部設備。為了使設施盡可能模塊化，可以使用與數據中心相同的方法來設計、制造和安裝外部設備。因此，需要一定量的決策來確定容器集裝箱化數據中心的最終配置。根據規模和可靠性水平的不同，這些類型的設施將從400 kW到2 MW不等。
工業化或預制的數據中心：這種類型的設施在選擇冷卻系統時提供了更大的自由度。通常，這些設施將具有室外定位的空氣處理單元，其直接使用室外空氣的節約、直接蒸發或間接蒸發冷卻。在某些地理位置，不需要機械冷卻，特別是使用高架服務器的入口溫度。這種類型的設施更類似于傳統數據中心建筑，并且為不包括在容器中的房間(例如控制和指揮中心，存儲和設備裝載區)使用更多的物理空間。模塊較大，但在與容器相同的范圍內，并且可以擴展，直到占地面積和電功率耗盡。
企業實體數據中心：雖然在MDC領域通常沒有被考慮，但大型企業數據中心可以提供與其他類型的靈活設施類似的靈活性和可靠性。較之預制或集裝箱化的數據中心，選擇這種類型的設施的原因有很多，而如果經過恰當的規劃，設施可以動態地適應IT系統，并且可以在不對IT操作造成威脅的情況下完成未來的擴展。這些設施可以是任何規模尺寸，并且模塊尺寸通常對應于電力和冷卻設備的尺寸和業務需求。中央工廠設備也可以使用模塊化方法設計，以便于將來的擴展和重新配置。
一款靈活的設施如何提供效率?
這個問題可以從許多方面回答。有觀點認為，隨著IT戰略和硬件的不斷發展，數據中心空間本身可以重塑或重新定位。也有其它的觀點聲明了在采購和施工過程中，使用預制技術和原型的有效性。當然，這些原因以及許多其他原因為數據中心業主們提供了選擇和可延展性，以確保實現***的數據中心設施。
最能體現一處模塊化數據中心的系統是靈活設施的優點的便是其冷卻系統。大多數大型商用冷卻系統的固有特點是，它們通常是使用模塊化方法來設計和構建的。挑戰總是關于決定一個具有成本效益，能源效率并且可以輕松擴展的邏輯模塊或塊。這通常是說起來容易做起來難。但是這種決策過程對于數據中心更容易，因為冷卻負載(IT設備)是預先確定的，并且對于設備將如何操作，以及具體的冷卻負載將是什么是有了解的。
一般來說，用于靈活設施的冷卻系統將具有與傳統數據中心相同的結構，但是將是在與數據大廳一一對應的、清晰的分立模塊中(參見上圖2)。這一理念適用于所有類型的冷卻策略(直接蒸發、直接室外空氣、冷凍水、蒸發冷卻等)，并且在知道具體擴張計劃開始建設之前，允許更多的資本支出。
除了首要成本和可施工性的優點之外，靈活的設施由于其模塊化的性質，可以帶來獨特的能源利用效率方面的好處。為了說明這個例子，我們使用一個簡單的能量模型來確定服務于數據中心的空氣處理單元中的風扇電動機的累積能量使用情況。傳統數據中心的模型在N + 1配置中使用較大的空氣處理單元，總共三個。靈活的設施模型使用所有相同的參數，除了使用更小、更模塊化的空氣處理單元——總共五個N + 1配置。為了滿足N + 1要求，較大的空氣處理單元需要較高的風扇功率，因為 N要大于靈活的設施示例中的N。該分析模擬了4年時間段內的情況，***年為25%，第二年為50%，第三年為75%和第四年為100%。
結果表明，使用靈活設施的方法將風扇功率降低30%至50%，取決于研究所持續的時間。這種分析雖然非常簡單，但其證明了通過調整基于IT設備的設備和系統來減少能源使用，并可能改進維護和操作的可能性，減少可能的過度配置和低效率(見上圖3)。
下一步是什么?
鑒于對MDC需求的增加，靈活的設施將進一步發展和成熟。物聯網的興起，意味著在我們的日常生活中所使用的越來越多的事物(手表，冰箱，安全系統和其他我們甚至沒有想到的東西)都將連接到互聯網，不斷上傳和下載數據，訪問數據庫和存儲數據集，這將推動更快速、低成本的數據中心的部署。使用靈活的設施肯定會成為這一擴展戰略的一個組成部分，以便為企業組織提供必要的靈活性，進而建立強大的、基于互聯網的產品和服務。
電氣模塊化組件
與冷卻一樣，模塊化或容器集裝箱化的數據中心的電源組件可從電力角度分解成幾個可能的組件。這些組件包括數據設備、機械冷卻、主電源分配設備和備用電源。
數據容器通常由數據設備和配電板的機架組成，也可以包括本地UPS、冷卻單元、火災探測或抑制、以及照明(見上圖4)。
機械冷卻系統也可以位于其自己的模塊化容器外部或直接附接到數據容器。這可能需要對這些機械系統單獨供應電力，或者它們可以根據設計要求和層級別從相同的電源供應到容器系統。
主要的現場電力設備，如主開關柜，可以通過多種方式指定和配置，以便為模塊化的數據中心形式提供電源。一種可能的配置是一個簡單的戶外額定外殼，其可能是也可能不是一個步入式機柜(walk-in type)。這些類型的戶外設備在許多類型的項目中是常見的，從數據中心到工業園區(見上圖5)。
或者，可以在類似于數據設備的容器中提供配電設備。這種方法的好處包括單源質量控制和與其他組件的集成(見下圖6)。
備用電源可以包括備用發電機、UPS、旋轉或其他系統源。由于其嚴格的公差要求和環境條件，UPS非常適合放置在集成式冷卻的集裝箱或模塊化單元中。戶外發電機外殼通常應用于許多項目，并且可以包括步入式和非步入式外殼。與配電板一樣，發電機可以配備集裝箱式機箱，并作為單一來源供應商的模塊化數據中心解決方案的一部分進行集成。
通常，中央電力系統，包括配電板、UPS，可以提前指定，且位于預生產的實體建筑或無墻的數據中心，而數據中心容器位于外面或部分位于該實體結構內并非罕見。這種混合的方法通過使用數據容器，為維護和運營的工作人員提供了一個更傳統的中央建筑(而不是使用數據中心建筑)。
電源配置
與常規數據中心一樣，用于模塊化數據中心的電氣系統可以圍繞各種電壓電平設計，包括120 / 208、480 / 277和400V。另一種相似性是，模塊化容器可以被配置或指定為符合整體系統層級。規定層級評定的Uptime Institute為電氣基礎設施拓撲定義了四種類型的層級(層級I，II，III和IV)。這些層為專用基礎架構、冗余組件、并發可維護性和故障容差定義了性能輸出。在實際的數據模塊或容器中，這往往歸結于是否向機架提供冗余A / B供電和內部分配的決定。
在外部，數據容器的電源連接可以采取幾種形式。使用傳統的導管、電纜和斷開裝置的硬連線連接類似于封裝的空氣處理器連接。或者，模塊化容器可以使用更靈活的插塞式連接(參見上圖7)。
大多數數據模塊的主要電源差異是使用集裝箱式數據中心方法時可用的***功率。通常，單個集裝箱化數據模塊對于數據處理設備將具有大約1MW的功率限制。基于客戶的計算需求，這個1 MW的限制將推動所需的單個容器的數量。此限制不適用于其他類型的模塊化的靈活的數據中心。
接地和防雷
模塊化數據容器需要的接地要求類似于任何數據中心。每個容器將帶有內部接地系統到機架和容器內的組件。然而，工程師將需要為支持各種模塊化數據中心容器和電源系統的現場設計接地系統(見上圖8)。這通常將導致使用地下環和接地棒的接地網，所述接地棒將所有容器和系統互連到一個低阻抗的系統中。
除了這種接地系統，通常還要設計防雷系統，將空氣終端放置在數據中心現場的集裝箱、模塊化結構、發電機和其他設備的頂部。
