Wskazówki dotyczące określania gęstości mocy w centrum danych (cz. 1.)

Konwencjonalne metody określania gęstości w centrum danych są niejednoznaczne i wprowadzają w błąd. Opisywanie gęstości w centrum danych przy użyciu W/m2 nie jest wystarczające, aby określić zgodność zasilania lub chłodzenia z urządzeniami obliczeniowymi o wysokiej gęstości, takimi jak serwery kasetowe, czyli blade. Praktycznie nigdy nie istniała przejrzysta, standardowa metoda określania parametrów centrów danych zapewniających ich przewidywalne zachowanie z urządzeniami o wysokiej gęstości. Właściwa specyfikacja gęstości w centrum danych powinna zapewniać przejrzyste instrukcje dotyczące projektowania i instalacji urządzeń zasilających i chłodzących, zapobiegać nadmiernej wielkości instalacji, a także maksymalizować sprawność energetyczną. W tym artykule przedstawiono podstawy teoretyczne i zastosowanie praktyczne ulepszonej metody określania specyfikacji infrastruktury zasilania i chłodzenia dla centrów danych.

Specyfikacja gęstości mocy roboczej dla centrów danych i serwerowni stanowi rosnące wyzwanie dla specjalistów z branży IT. Zaplanowanie dla centrum danych tradycyjnej gęstości 430 – 861 W/m2 uniemożliwi niezawodną instalację najnowszej generacji urządzeń komputerowych. Z kolei zaplanowanie gęstości mocy roboczej rzędu 6458 – 10764 W/m2 odpowiadającej najnowszej generacji sprzętu IT o wysokiej gęstości spowoduje osiągnięcie ograniczeń technologicznych systemów zasilania i chłodzenia w centrum danych, czego skutkami będą nadzwyczajne koszty inwestycyjne oraz niska robocza sprawność energetyczna.
Problem planowania gęstości staje się jeszcze poważniejszy ze względu na konieczność zaprojektowania centrum danych w taki sposób, aby mogło ono działać przez wiele cykli odnawiania zasobów informatycznych, choć nie jest znany charakter sprzętu IT instalowanego w przyszłości.
Tradycyjna metoda określania gęstości dla centrum danych w W/m2 jest niezbyt pomocna przy próbie uzyskania odpowiedzi na kluczowe pytania, przed którymi stają obecnie operatorzy centrów danych. Przede wszystkim ta tradycyjna metoda nie daje odpowiedzi na bardzo istotne pytanie: „Co się stanie w przypadku zainstalowania szafy przekraczającej dopuszczalną gęstość?” Jest to bardzo praktyczne pytanie, ponieważ typowe centrum danych dysponuje obecnie gęstością wynoszącą 1,5 kW na szafę, podczas gdy najnowszy sprzęt komputerowy charakteryzuje się wyższą gęstością mocy rzędu od 3 do 20 kW na szafę.

Potrzebna jest nowa, bardziej szczegółowa metoda określania gęstości mocy dla centrum danych. Pozwoli ona spełnić następujące wymagania:
• zapewnienie zgodności z urządzeniami komputerowymi o wysokiej gęstości;
• zapobieganie marnotrawieniu elektryczności, powierzchni lub nakładów inwestycyjnych; zapewnien
W tym artykule skupimy się na ulepszonej metodzie określania gęstości mocy.

Różne metody określania gęstości
Spotykane w literaturze definicje gęstości mocy są niespójne, czego wynikiem jest poważne zamieszanie w społecznościach użytkowników. Aby lepiej zrozumieć te definicje, rozważmy następujące hipotetyczne centrum danych o mocy 500 kW:

System metryczny

Tabela 1 przedstawia pięć różnych, często stosowanych definicji gęstości mocy oraz wartości będące wynikiem zastosowania tych definicji do powyższego centrum danych.

Tabela 1 — Różne definicje gęstości mocy powodują uzyskanie odmiennych wartości
przy zastosowaniu do tego samego centrum danych

Wszystkie definicje gęstości z tabeli 1 są stosowane w opublikowanej literaturze i specyfikacjach. Cztery definicje, które korzystają z wartości wyrażonych w W/stopę2 lub W/m2 są niejednoznaczne, jeśli nie dołączy się do nich jednoznacznego wyjaśnienia, jakie elementy składają się na powierzchnię, a jakie na moc. Informacje te są jednak notorycznie pomijane w publikowanych wartościach gęstości. Przyczyniło się to do powstania ogromnego zamieszania w branży oraz wielu nieporozumień między personelem działu IT a projektantami i planistami obiektów. Dane znajdujące się w tabeli 1 jednoznacznie pokazują, że specyfikacje gęstości dla tego samego obiektu mogą różnić się ośmiokrotnie zależnie od przyjętej definicji gęstości.
Najbardziej jednoznacznym określeniem gęstości jest pobór mocy „na szafę”. Jest to jednoznaczna wskazówka co do wymagań dotyczących zasilania i chłodzenia szafy (w przypadku sprzętu IT wyrażony w watach pobór mocy elektrycznej danej szafy jest równy wymaganej mocy chłodzenia w watach). Artykuł ten wykaże, że określanie gęstości mocy dla centrum danych w postaci poboru mocy na szafę posiada jeszcze jedną zaletę — jest to najskuteczniejszy sposób wyrażania wahań gęstości w centrum danych.
W rzeczywistych centrach danych rozkład gęstości mocy nie jest równomierny. Niektóre szafy pobierają więcej mocy, w związku z czym generują więcej ciepła niż inne. Szafy z patch panelami mogą wcale nie pobierać żadnej mocy. Z kolei szafy z serwerami kasetowymi mogą pobierać moc rzędu 20 kW, a nawet więcej. Problem ten komplikuje dodatkowo fakt, że sprzęt IT podlega stałemu odświeżaniu, co oznacza, że pobór mocy przez określone szafy zmienia się z biegiem czasu. Konwencjonalne metody określania gęstości nie w pełni uwzględniają te wahania mocy, przez co ich wyniki wraz z upływem czasu stają się coraz mniej przydatne.

Ograniczenia konwencjonalnych metod określania gęstości
Poniższe dwa przykłady stanowią ilustrację poważnych ograniczeń konwencjonalnych metod specyfikacji gęstości:
W pierwszym przykładzie rozważymy przypadek centrum danych przewidzianego na gęstość mocy równą 538 W/m2 (50 W/stopę2). Przy zastosowaniu definicji gęstości o postaci „całkowita moc pobierana przez sprzęt IT/powierzchnia szaf IT wraz z odstępami" odpowiada to wartości 1400 W na szafę (538 W/m2 x 2,60 m2/szafę). Wymaganie to spełnia centrum danych skonstruowane tak, aby dla każdej szafy zapewniać maksymalną moc zasilania 1400 W oraz maksymalną moc chłodzenia 1400 W. Istnieje jednak wiele typów urządzeń IT, takich jak serwery kasetowe, których pobór mocy przekracza poziom 1400 W na obudowę. Żadnego z tych typów urządzeń nie będzie można zainstalować w centrum danych o ścisłym ograniczeniu mocy do 1400 W na szafę. Oznacza to, że takie centrum danych będzie niezgodne z urządzeniami komputerowymi wielu typów. Co więcej, jeżeli w szafie zostaną umieszczone urządzenia o niskim poborze mocy (na przykład patch panele), niewykorzystana moc nie stanie się dostępna w innych szafach, ponieważ dla wszystkich szaf obowiązuje ograniczenie do 1400 W mocy zasilania i chłodzenia. Wynikiem tego jest nieefektywne centrum danych, które jest niezgodne z wieloma typami urządzeń IT, a ponadto nie umożliwia ekonomicznego wykorzystania dostępnego miejsca w szafach i dostępnej mocy zasilania lub chłodzenia.
W drugim przykładzie gęstość centrum danych jest określana oddzielnie dla poszczególnych szaf. Dla każdej lokalizacji szafy dokładnie określono wartości mocy zasilania i chłodzenia. Dzięki temu istnieje możliwość realizacji projektu spełniającego tę specyfikację, a centrum danych zostaje całkowicie scharakteryzowane z wyprzedzeniem. Jest to idealna sytuacja, lecz niestety w prawie żadnym centrum danych nie można określić z wyprzedzeniem dokładnych specyfikacji zasilania na poziomie szafy. W rzeczywistych centrach danych nie można przewidzieć obciążenia szaf w całym okresie eksploatacji instalacji. Rozbieżność pomiędzy rzeczywistą gęstością wdrożonego sprzętu IT a pierwotną specyfikacją na poziomie szaf rodzi poważne konsekwencje. Dotyczy to na przykład wdrożenia urządzeń IT, których pobór mocy znajduje się poniżej poziomu określonego w specyfikacji zasilania szafy. W takim przypadku niewykorzystana moc nie będzie dostępna w innych szafach, ponieważ dla każdej szafy określono ograniczenie mocy zasilania i chłodzenia. Wynikiem tego jest nieefektywne centrum danych, które wymaga informacji dotyczących przyszłych instalacji sprzętu IT, aczkolwiek informacje tego typu nie są zwykle dostępne.
Obydwa przedstawione tu przykłady stanowią ilustrację powszechnie stosowanych metod określania gęstości w centrach danych. Zarówno ogólna specyfikacja na poziomie pomieszczenia, jak i dokładna specyfikacja dla poszczególnych szaf, wykazują poważne ograniczenia praktyczne, czego wynikiem są instalacje niespełniające oczekiwań klienta. Ulepszone podejście do kwestii specyfikacji powinno zachować elastyczność i zgodność w zakresie sprzętu IT, maksymalizując jednocześnie sprawność energetyczną oraz wykorzystanie mocy zasilania i chłodzenia, a także dostępnego miejsca.