Wskazówki dotyczące określania gęstości mocy w centrum danych (cz. 2.)

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.

Wymagania dotyczące specyfikacji gęstości

We wcześniejszych rozważaniach podano kilka sugestii dotyczących wymagań wobec ulepszonej metody określania gęstości. Są to następujące wymagania:

Przewidywalność: Specyfikacja gęstości musi zapewniać możliwość ustalenia dostępnej mocy zasilania i chłodzenia we wszystkich lokalizacjach szaf dla każdej planowanej lub istniejącej instalacji sprzętu IT.

Dopuszczenie częściowo określonych przyszłych wymagań: Specyfikacja gęstości nie może wymagać znajomości z wyprzedzeniem dokładnej mocy dla każdej lokalizacji szafy. W rzeczywistości dane urządzenia komputerowe są wykorzystywane tylko przez pewien ułamek okresu eksploatacji centrum danych i podlegają zazwyczaj wymianie na nowy lub inny sprzęt.

Możliwość „pożyczania” mocy zasilania i chłodzenia: Niewykorzystana przez określoną szafę moc zasilania i chłodzenia powinna być dostępna dla innych szaf.

Minimalizacja strat: Należy zminimalizować marnotrawstwo energii na skutek niskiej sprawności elektrycznej. Konieczne jest wykorzystanie dostępnej mocy zasilania i chłodzenia oraz dostępnego miejsca. Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne powinny zostać zminimalizowane.

Możliwość wdrażania etapowego: Specyfikacja gęstości musi umożliwiać wdrażanie etapowe, włącznie z przypadkami, gdy poszczególne etapy cechują się różnymi wartościami gęstości, a także gdy dane dotyczące przyszłych etapów instalacji nie są znane w momencie wcześniejszych wdrożeń.

Choć niektóre z powyższych wymagań są sprzeczne, mogą posłużyć za podstawę dla ulepszonej metody określania gęstości mocy.

Praktyczne ograniczenia i opcje

Każda praktyczna metoda określania gęstości mocy musi uwzględniać istniejące ograniczenia praktyczne i opcje występujące przy projektowaniu centrum danych. Poniżej opisano niektóre z tych ograniczeń i opcji wraz z ich wpływem na specyfikację gęstości:
Przyrosty systemu dystrybucji zasilania: Koszt i złożoność systemu dystrybucji zasilania jest nieliniową funkcją mocy. Przykładowo koszt jednofazowego systemu zasilania o mocy 6 kW nie jest trzykrotnie niższy od kosztu trójfazowego systemu zasilania o mocy 18 kW. Istnieje kilka optymalnych wartości dostępnej mocy dla systemu zasilania prądem zmiennym, co wynika z dopasowania wyłączników i gniazd oraz koordynacji wyłączników w przypadku awarii. Te zagadnienia oraz optymalne obwody dystrybucji zasilania omówiono w dokumencie White Paper 29 firmy APC, „Rack Powering Options for High Density”. Specyfikacje dotyczące dystrybucji zasilania powinny być opracowywane z uwzględnieniem tych optymalnych wielkości obwodów, które zależą od położenia geograficznego.

Ograniczenia dystrybucji powietrza: Dystrybucja powietrza w centrum danych to podstawowy czynnik ograniczający gęstość mocy szafy. Sprzęt IT wymaga przepływu powietrza o wielkości od 47,2 do 75,5 l/s na 1 kW. W wielu centrach danych istnieje już podłoga podniesiona lub występują ograniczenia co do wysokości sufitu, które powodują ograniczenie wysokości podłogi podniesionej. W przypadku, gdy podłoga podniesiona stanowi część systemu dystrybucji powietrza, występują praktyczne ograniczenia ilości powietrza, które może przepływać pod podłogą w sposób przewidywalny, co ogranicza możliwą do osiągnięcia przeciętną i szczytową gęstość mocy w szafach. Z tego powodu praktyczna przeciętna gęstość mocy w przypadku wielu już istniejących instalacji wynosi około 5 kW na szafę. Do przekroczenia tego poziomu konieczna jest instalacja uzupełniających urządzeń chłodzących oraz (lub) zasilających. Konsekwencją tego może być znaczny wzrost kosztów po przekroczeniu krytycznego poziomu gęstości mocy. Odpowiednia specyfikacja gęstości powinna uwzględniać tę kwestię i zapewniać jej rozwiązanie zanim stanie się problemem.

Waga: W niektórych obiektach istnieją ograniczenia obciążenia podłogi. Dotyczy to przede wszystkim istniejących instalacji z podłogą podniesioną. Urządzenia komputerowe osiągające bardzo wysoką gęstość mocy zazwyczaj powodują także duży ciężar szafy. W niektórych przypadkach stanowi to bardzo poważną barierę, która uniemożliwia wdrożenie wysokiej gęstości. Wynika z tego, że specyfikacja gęstości nie powinna niepotrzebnie określać wartości gęstości mocy przekraczających ograniczenia obciążenia podłogi w danym obiekcie.

Zarezerwowana powierzchnia: W wielu centrach danych istnieje powierzchnia zarezerwowana dla funkcji, które nie składają się na gęstość mocy. Do takich funkcji należy przechowywanie taśm, przestrzeń dla operatorów lub obszary specjalnego dostępu. Konsekwencją tego jest konieczność zarezerwowania tych obszarów w modelu specyfikacji gęstości, który nie może zakładać, że będą one spełniać jakąkolwiek funkcję związaną z wdrożeniem zasilania lub chłodzenia sprzętu o wysokiej gęstości.

Możliwość rozłożenia obciążenia: Możliwość fizycznego rozmieszczenia sprzętu IT w centrum danych stanowi praktyczną opcję dla większości urządzeń dzięki powszechnemu stosowaniu okablowania światłowodowego. W wielu przypadkach nie jest konieczne, a nawet pożądane, instalowanie urządzeń z pełną możliwą gęstością. Przykładami takich urządzeń o wysokiej gęstości są serwery kasetowe i serwery 1U, które bezproblemowo można rozmieścić między szafami w celu obniżenia gęstości. Choć upakowanie serwerów kasetowych lub serwerów 1U wydaje się optymalizować wykorzystanie miejsca, w wielu przypadkach korzyści są pozorne, a koszty związane z zapewnieniem dla szafy zasilania i chłodzenia o wysokiej gęstości przekraczają zazwyczaj koszty użycia dodatkowych szaf. Oznacza to, że model gęstości nie powinien ślepo określać wartości gęstości na podstawie możliwości sprzętu, lecz powinien uwzględniać możliwość rozłożenia obciążenia w celu optymalizacji kosztów i dostępności całego systemu.

Istniejące ograniczenia przestrzeni w konkretnym obiekcie: Istniejące ograniczenia przestrzeni fizycznej w konkretnym obiekcie w dużym stopniu wpływają na proponowaną ogólną wartość specyfikacji o wysokiej gęstości. W przypadku wielu istniejących obiektów, które zostały zaprojektowane dla niskiej gęstości, wdrożenie rozwiązania o wysokiej gęstości oznacza powiększenie dostępnego miejsca. Jednakże korzyści wynikające ze zmniejszenia rozmiarów przestrzeni zajmowanej przez urządzenia IT nie są duże. Z drugiej strony, niektóre obiekty cechują się bardzo poważnymi ograniczeniami przestrzeni fizycznej, w przypadku których powierzchnia jest bardzo droga lub trudna do uzyskania. Oznacza to, że metodologia określania gęstości musi uwzględniać wartość przestrzeni oraz inne ograniczenia dotyczące dostępnego miejsca.

Utrata miejsca na rzecz infrastruktury zasilania i chłodzenia
Infrastruktura zasilania i chłodzenia zajmuje miejsce, które w przeciwnym razie można by wykorzystać na sprzęt IT. Niekiedy urządzenia zasilające i chłodzące przenosi się poza obszar przeznaczony na sprzęt IT i umieszcza w pobliskim pomieszczeniu. Jednak mimo wszystko pewna przestrzeń jest zajmowana i należy ją uwzględniać jako rzeczywistą stratę przy wyznaczaniu możliwej do osiągnięcia gęstości. Przestrzeń zajmowaną przez infrastrukturę zasilania i chłodzenia można wyrazić w postaci równoważnej liczby szaf. Przestrzeń ta zwiększa się wraz ze wzrostem zapotrzebowania na zapewnianą moc zasilania i chłodzenia. Efekt ten przedstawiono na rysunku 1.



Z powyższego wykresu jednoznacznie wynika, że przestrzeń dostępna do wykorzystania przez sprzęt IT zmniejsza się wraz ze wzrostem określonej przeciętnej mocy na szafę (gęstości mocy). Na osi poziomej przedstawiono określoną przeciętną moc na szafę w pomieszczeniu. Na osi pionowej przedstawiono ułamek dostępnej przestrzeni na szafy w pomieszczeniu, która zostaje utracona na rzecz infrastruktury zasilania i chłodzenia, która obejmuje zasilacze UPS, listwy zasilające i klimatyzatory do pomieszczeń komputerowych.

Dolna krzywa na rysunku 1 odpowiada systemowi z podwójnymi torami zasilania (2N) i nadmiarowymi (N+1) klimatyzatorami do pomieszczeń komputerowych. Jest to typowa konstrukcja w przypadku zastosowań o wysokiej gęstości. Należy zaznaczyć, że w przypadku większości obecnie działających centrów danych zapewniających moc 1,5 kW na szafę utrata powierzchni jest rzędu 15%. Jednak wraz ze wzrostem specyfikacji gęstości znacznie wzrasta również tracone miejsce. Jeśli określona przeciętna moc na szafę przekracza 7 kW, ponad 50% przestrzeni zostaje zajęte przez urządzenia zasilające i chłodzące, a zatem nie jest dostępne dla szaf IT. Nie ma tu znaczenia, czy rzeczywista gęstość jest znacznie niższa niż określona wartość — przestrzeń jest mimo to zajmowana przez urządzenia zasilające i chłodzące. Umożliwia to sprecyzowanie następującej zasady dla projektu wysokiej gęstości: Określenie wyższej gęstości dla centrum danych niż faktycznie wymagana spowoduje niepotrzebne ograniczenie dostępnego miejsca dla sprzętu IT. Jest to bardzo poważna strata, której towarzyszą zwiększone koszty oraz nakłady eksploatacyjne. Z tego powodu ważne jest, aby gęstość była planowana efektywnie, a jeżeli to możliwe, systemy zasilania i chłodzenia o wysokiej gęstości powinny być instalowane tylko w razie potrzeby.