谈数据中心设计

赖天剑，周铃

（1.国际商业机器（中国）有限公司,北京100101;2.中国中元国际工程有限公司，北京100089）

谈数据中心设计

赖天剑1，周铃2

（1.国际商业机器（中国）有限公司,北京100101;2.中国中元国际工程有限公司，北京100089）

对数据中心的独特功能、工艺领衔、需求繁杂、基本出发点和注重细节等各特点进行了分析，并通过定义数据中心的状态、归纳战略型数据中心的特征、改善数据中心运营效率方法等几个步骤指明了数据中心的发展趋势，进而从建筑设计的角度提出了相应处理方式，着重阐述了选址的关注侧重、布局的关键原则、系统的有机配置、新趋势的跟进等几个环节。

数据中心;监控系统;配电系统;空调系统;消防系统

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.003

1 引言

随着大数据时代的到来，数据中心日益成为不可或缺的建筑类型，有别于办公建筑、科研基地以及工业厂房，数据中心的建设极具特点，并且依然处于日新月异的迅猛发展阶段，本文希望通过对数据中心特点及发展趋势层面的探讨，为这一类型的建筑设计带来些许启发及帮助。

2 数据中心的基本特点

2.1 功能独特

数据中心是以放置大量处理数据的计算机为主要空间的建筑，空间的主要服务的对象是计算机设备，而计算机的业务处理方式与人员办公，工厂生产有极大的不同，计算机的服务方式几乎均存在于虚拟世界中，将各行各业的各类信息，如财务、通讯、图片、气象、地址等各种信息均转换成为数据，计算机对大量数据进行整理、分类、分析、存储、计算、整合等处理，各类计算机被组织成不同架构，被放置在符合运行要求的功能空间中便构成了数据中心。

2.2 工艺领先

数据中心的建设要基于对企业管理流程的理解，对IT生产管理流程模型的预搭建，与企业战略发展方向的配合；根据企业战略发展需求，分析企业基础设施建设规划需求；在分析并确定企业IT生产运行的基础设施安全等级标准的基础上，制定其它相关基础设施项目的安全等级标准；IT规划先行于建筑方案设计，涉及功能规划定位、建筑结构特殊要求、机房整合、UPS供电及柴油发电机应急系统设计需求分析、精密空调系统需求标准、综合布线及综合光纤系统架构、消防系统、安保系统设计需求标准等所有方面,IT规划为建筑设计提出指导性建议；设计师围绕综合基础设施建设标准开展建设项目的设计工作。整个规划及设计过程，均需伴随着IT技术的指导性意见并随时调整以避免实施运作方向的偏离。

2.3 需求繁杂

数据中心的建筑设计就是根据计算机系统的运行要求，从机房所处的地理位置、周边环境开始考虑，逐步确定土建需求如建筑面积，空间高度、承重能力等；再到满足机房运转的诸多需求，供电需求如市电供应、配电方式、UPS能力；空调需求如制冷方式、制冷能力；网络需求如机房对外的链路、核心网络结构与设备、带宽能力；消防需求如防火分隔、安全疏散、气体灭火等[1]；安全管理需求如门禁控制、CCTV监控、维护巡查。数据中心基础设施是为IT设备提供支持，同时倡导以人为本、满足功能需求、兼顾美观，为IT设备提供一个安全运行的的空间，为保证企业业务发展创造必要的基础保证。

2.4 三个基本出发点

2.4.1 安全可靠

即减少单点故障，降低故障对整个系统的影响，保障足够的备份能力。

2.4.2 灵活扩展

即IT设备分期部署，统一规划考虑扩充设备，确保日后方便增容。

2.4.3 维管可控

即应对复杂的系统进行管理，规划较强的集中式管理，为分布式实施调整提供清晰的管理逻辑。

2.5 注重细节

IT技术的较强逻辑性和较高精密性，决定了数据中心的品质也往往取决于细节。从可见空间的柱网尺寸与机柜尺寸的模数契合，到感知温度的冷热通道合理组织，再到磁场干扰的强弱电系统必要规避，系统汇总的工作涉及了更多更细的层面。一方面个别细节的把控缺失就可能造成重大的安全隐患，例如，进风口的防尘措施在北方地区是不容忽略的；另一方面覆盖面较广的细节对于经济性的影响往往出乎意料，如屏蔽要求不高但面积覆盖较广的屏蔽做法与土建主体围护相结合方式的合理利用。只有更大程度地提高机房空间的使用效率以及排布的灵活性，保证机房的安全可靠性，才可能获得更高品质的数据中心。

3 数据中心的发展趋势

今天的数据中心正在快速变化。许多企业正在采用新技术和解决方案以实现企业的现代化发展。其中大部分企业寻求的是一条确保适当级别的IT服务交付、兼顾成本效益、同时又与业务目标相一致的路径。同时从另一方面而言，这也可能意味提供最佳级别的可用性、灵活性和可扩展性[2]。IT业已开发出数据中心运营效率模型来评估当今数据中心的能力，他们认为数据中心与效率有关的发展可以分为4个典型阶段：基本型、整合型、可用型和战略型。

3.1 定义数据中心的状态

评估数据中心效率以及是否符合企业需求时需谨记两个关键概念。首先，从一个效率阶段迁移至另一个阶段是不能用单一的指标来衡量的。其次，数据中心的演变是一个过程，其目标可能会随着业务需求的变化而变化。

3.1.1 基本型

环境相对稳定，基于短期目标进行维护，具有独立的基础架构作为标准。各公司可获得服务器整合的优势，但是各应用程序和站点之间的可用性都不尽相同，也未通过实施工具加以改善。

3.1.2 整合型

通过服务器虚拟化和站点整合有效地精简了系统和设施的数量，从而降低了成本。服务器和存储技术得到充分利用，通过虚拟机(VM)的移动性改善可用性的目标有望实现。

3.1.3 可用型

IT基础架构被看做是一个统一的资源“池”，其中的资源可自由分配和扩展，以满足工作负载不断变化的需求，并确保运行时间和性能，同时提高利用率。重点在于评价并改善服务级别的同时，构建监管机制，以满足业务需求。

3.1.4 战略型

广泛采用基于政策的自动化工具，降低数据中心的手动复杂性，同时确保应用和数据的可用性需求和动态迁移。检测和度量始终被用于验证是否合规.

3.2 战略型数据中心的特征

3.2.1 将整合提升至更高级别的优化

通过虚拟化进行整合是通向高效数据中心之路不可或缺的第一步。大部分IT组织最初在服务器级别将整合引入数据中心，是为了通过减少物理服务器冗余来削减成本。通常紧随其后的就是存储和网络环境虚拟化，其目的也是通过整合来减少和优化物理基础架构的支出。虚拟化是数据中心能力的支柱，而事实上当数据中心达到战略阶段时，其服务器、存储和网络环境已经具有高级别虚拟化，并且在软件和自动化工具的使用上也已经十分先进。

3.2.2 灵活性设计满足不断变化的业务需求

加速变革给基础架构带来了巨大的压力，迫使其跟上变革的步伐。拥有旨在灵活响应不断变化的业务和技术需求的计划至关重要。灵活性还意味着拥有适当级别的可用性和冗余，以确保满足服务级别协议。

3.2.3 采用自动化工具以改善服务级别和可用性

自动化通常是数据中心发展过程的下一个步骤。引入更高级别的自动化可以实现更高级别的灵活性，并帮助支持更高级别的可用性。对自动化工具和技术更高的信赖，可将系统管理员从密集的手动工作中解脱出来，减少出错率并确保应用性能符合其SLA。战略型数据中心相比于基本型数据中心在服务器、存储、网络方面均有可观的提高.

3.2.4 拥有符合业务目标的规划，并不断更新

拥有战略型数据中心的公司在经济反弹时会有更大的把握抓住市场机遇。这些公司具有利用率极高的整合项目，可优化所维护的数据中心站点的数量。此外，我们发现这些公司在对战略和执行持续关注的同时，更愿意持续评估其应该有的数据中心的目标数量。此外，运营战略型数据中心的IT组织更愿意定期进行正式的规划。相比于基本数据中心，战略型数据中心在提升灵活性方面，具有如下特征：

1）计划以小容量增长，循序渐进地构建，而不是一次性构建预期容量；

2）对未来10～20a数据中心使用所需空间进行预测；3）预测用电需求；

4）计划实施低密度和高密度专区，以支持新技术的不同用电需求。

3.3 对改善数据中心运营效率的建议

战略型数据中心进行设施设计时细致入微，并将数据中心视为统一的综合性系统。这些数据中心计划通过预测用电、空间、容量和可用性来满足生命周期内的业务需求，从而在变更和向外扩展的过程中提升预测能力并减少业务中断。

3.3.1 数据中心运营和基础设施管理

1）适当的容量和可用性预测容量与可用性以满足主数据中心和备份数据中心的业务需求。然后通过使用实时监控和管理软件实施管理以提升效率。

2）灵活设计

确保投资可支持需求和技术快速变化所需要的扩展性，例如，按更小的增量循序渐进构建新的容量，并设计机械/电子系统，以在不中断运营的情况下更新设备。

3）长期优化总成本

确保在设施设计中考虑资本和运营成本之间的平衡，并能实时衡量能效和能耗。

3.3.2 服务器

战略型数据中心运营者已经整合了他们的服务器基础架构，以实现基本效率。要完成更艰巨的任务，他们需要利用自动化和软件工具来提升可用性级别并改善服务质量。可供参考的特定见解包括：

1）推动整合向虚拟化发展

通过使用软件工具和自动化来改善SLA性能，在物理服务器与数据中心之间按照政策移动虚拟映像。

2）为云计算做好准备

计划使用自助服务门户网站，以允许自动在线订购虚拟机，并可选择大小、操作系统和服务级别。

3）利用最新的技术

了解如何优化系统并转移工作负载将有助于利用融合基础架构（服务器、存储和网络系统，以及管理软件统一在一个预集成的套件中出售）。

3.3.3 存储

战略型数据中心涉及到存储优化与管理的方方面面。通过使用基于软件和政策的管理系统来减少提供和管理存储所需的人工操作，从而满足对存储爆炸式增长的需求。前瞻性的见解包括：

1）提升存储优化

前瞻性实施的存储优化技术（包括虚拟化、重复数据删除、自动精简配置和其他技术）增加了四到六倍。

2）减少存储架构设计师所花的时间

实施存储管理技术，尤其是存储服务目录，以推动基于自助服务和政策的管理。

3）切勿忽视存储备份和归档

随着所有的关注焦点都移向存储容量，前瞻性地意识到对数据的整个生命周期的管理。考虑使用更复杂的方法来进行存储备份-包括跨地域复制或针对多个快照的一致性组。对于归档，考虑使用电子发现数据映射或定义的审计流程。

3.3.4 网络

现如今，网络正面临着众多外部压力，例如，智能手机的爆炸式增长，以及他们快速增长的对应用和数据访问的需求；视频的使用日益频繁；以及云计算的应用。因此有必要制定数据中心网络战略，还应将传统的网络优化技术发展成包含网络管理和自动化的方法，以改善整体IT的效率和灵活性。

1）开发并执行网络战略

从综合、长远的角度，考量业务和财务目标与网络、服务器、存储、应用及端到端的可管理性之间的平衡。

2）实施网络管理和自动化

使用工具和流程来实现连续的网络调整，以满足基于政策的应用需求，并使用预测性工

具来避免计划外停机。

3）灵活设计

将基于政策的自动供应网络服务的能力集成到体系结构中，并将人为干预降到最低。

3.3.5 业务弹性

管理IT风险的能力对于实现业务增长、处理不断变化的业务条件和应对新法规、安全威胁与服务中断至关重要。领导者善于利用各种方法和自身能力来降低负面风险，同时增强优化潜在机遇的能力。

4 建筑设计的应对与跟进

数据中心作为大量数据集中处理的功能载体，提供着大范围、长周期、不间断的信息处理服务，必须具备高实用性、高可靠性、高安全性、高灵活性、高可控性的品质，建筑师应紧紧围绕这些特点，循序渐进，环环相扣地展开切实可行的设计。

4.1 特点应对

4.1.1 选址的关注侧重

选址时所关注的几个方面通常为：地形地质，水文及环境，配套及基础设施，在这其中应侧重避免自然灾害对数据中心可能产生的影响，同时确保数据中心的先天供给保障及充分考虑备份的可能。

1）地形地质

在保证平坦地形和良好地质的基本前提下，侧重考量能够满足相应的承载力及抗震要求，数据中心的选址应避开地震源、断裂带等地质灾害易发区，其中的生产区，即计算机房和总控中心的抗震性能除符合国家规范要求，还应保证在防护等级内地震发生时，主要设备的安全并维持正常运行。

2）水文及环境

侧重多方位考虑周边自然环境和现状设施可能带来的不利因素，如应避免地下水对结构基础的腐蚀性[3]；避开台风、海啸、山洪、泥石流的灾害易发区；应避开河道、泄洪区、自然水系等低洼、潮湿、洪涝灾害易发区；避开有害气体源以及存放腐蚀性、易燃易爆物品存放地；避开强振动源和强噪声源；远离大功率无线电发射装置、高压输变电系统、大功率点击等强电磁场干扰；避开机场起降航道、重要军事设施，选择空气质量和噪声环境良好的区域。如果某方面条件略有所欠缺，应予充分分析并采取相应的防护措施加以弥补，做到有备无患。

3）配套及基础设施

在三通一并的前提下，对于电力和通讯的供应侧重明显。电力方面必须具备至少两路独立高压供电，且来自于不同方向的同级变电站（即实现“真双路”高压供电），并自备发电设施与之配合，供电容量保证充分冗余；电讯需采用至少两个电信运行商分别提供的二路或以上来自不同方向的物理接入线路

4.2 布局的关键原则

4.2.1 安全性

首先应确定所建数据中心的基本安全等级，将数据中心中的生产区、配套服务区及管理办公区按照安全等级划分不同的安全分区，进而按各区域的功能目的和人数分布建立交通动线，通过建立安全系统最终控制区间分隔及动线重要环节。

4.2.2 可靠性

选址时已避免了外界干扰因素，布局时关键是避免二次灾害即由于自身运行的相关系统矛盾或故障而产生的危害，如应建立高规格的结构体系；市电供应的不间断及备份；各类管线应消除一切可能的单一故障点；空调系统的精度及备份；避免消防系统的误动作等等。

4.2.3 可控性

考虑运维动线，构建完善的环境管理体系，尽可能采用市场标准设备，预先考虑设备更换以及维修所需空间和备份。

4.2.4 灵活性

充分考虑模块化设计，适当引入移动式设备，采用活动式或可装卸式的内装修材料，选择易更换及扩充的设备。

4.2.5 实用性

以先进技术建立便捷的人机界面，可智能高效管理、24h皆适用的设备功能，节能、环保，低运行维护成本，外观不张扬，内在人性化的舒适，兼顾当前需求与业务发展。

4.3 系统的有机配置

数据中心拥有着如供配电系统、空调系统、消防系统、安防系统、监控系统、通讯系统、楼宇自动化系统、照明系统、给排水系统等众多各自独立运作又相辅相成的功能系统，每个系统既有着与其它建筑类似的共性，也有着源自数据中心特点的个性，如何有利高效地保障数据中心的运行，同时又使个系统之间相互协调、有机配合，成为评判设计优劣的关键。例如最早的柱网尺寸的确定，看似只是结构问题，实质几乎牵扯了数据中心中的所有主要系统，首先从结构形式，基础承载力，楼面设备荷载分布以及经济性出发，计算机机柜的尺寸模数、摆放方式、发热密度；消防气体灭火系统的分区基数；空调气流的组织形式，送回风有效距离，冷媒管线限制长度，架空地板模数等等因素，均应纳入考虑范围，不是针对某一系统最有利而是照顾的最全面、主要系统相对有利才是有机的系统配置。再如数据中心的外墙设计也很能说明其系统需要相互协调，机房的外墙通常为无窗设计，这样既保证了机房的气密性及保温效果，又可综合整体电子屏蔽效果、防雷接地要求，强度上应考虑人为因素的破坏，防水措施也不容忽略，而气体灭火泄压口的设置需求有时又会与其它方面相冲突；专用空调室外机的大面积安装也常常致使本已相当“朴素”的外观显得更为凌乱。设计应时时从功能角度出发，重新定义适合数据中心的美观概念。这种系统之间的矛盾调和处理充斥整个数据中心的设计过程，依据关键原则，分辨问题的主次，全面准确的考量，才能使整个体系中的各个系统协调运作，从而打造出精品数据中心。

4.4 新趋势的跟进

简单的概括数据中心的发展趋势只需要两个字即“高效”，如何从建筑设计层面有力的跟进这样的趋势，在于我们更加认真地解读其多方面内涵。高效意味以更小的投入，得到更大的产出。

4.4.1 更小的投入

更少的投入对于建筑而言，首先是涉及了节能及绿色建筑的范围，诸如空间投入、能源投入，物力资源投入，环境保护等；其次先期、日常和发展的不同阶段的经济投入就建筑本身的合理平衡，建筑设计都应该结合数据中心的特点做出分析与研究，并快速反应出相应的设计手段[4]。例如计算机行业为了打造绿色机房的概念，研制了自冷却的计算机设备，目前未能推广应用，可能受阻于设备的成熟度和客户的认可度，但与建筑设计未能及时跟进也有一定关系，跨界的需求在此便凸显出来。再如随着IT业的迅猛发展，大型计算机的核心部件得益于新材料与新技术的使用，体积成数量级的缩小，不排除现今的一个上万平米的数据机房，未来浓缩在一个普通房间当中，那么利用现有建筑改造成为数据中心，日益成为设计师需不断投入研究的课题。

4.4.2 更大的产出

更大的产出对于建筑而言，是以同样空间满足了更多功能、有更高舒适度、有更大灵活性，从美观角度得到更广泛的认可，以致上升至文化层面而产生一定的社会效益。互联网通过短短几十年的发展，使我们的生活方式，乃至生产方式都发生了叹为观止的变化，计算机作为一种生产工具已经是不争的事实，它在各行各业的融入，使得数据中心日益成为客户的标准配置，而更大产出也是所有客户对数据中心的期许。建筑设计在数据中心的系统整合、环境舒适、空间灵活、美观人性等方面目前仅仅处于起步阶段，还大有可为空间。

【1】GB 50174—2008电子计算机房设计规范[S].

【2】GB 50016—2014建筑设计防火规范[S].

【3】GB 50189—2015公共建筑节能设计标准[S].

【4】GB 50378—2015绿色建筑评价标准[S].

On Data Center Design

LAI Tian-jian，ZHOULing
(1.IBMChinaCompanyLimited,Beijing 100101，China；2.ChinaIPPR InternationalEngineeringCo.Ltd.,Beijing 100089，China)

In this article, each characteristic of the data center are analyzed，such as the unique features ,leading technology, multifarious demands, the basic starting points and attentions to the details, and by defining the state of the data center, summarizing the characteristics of thestrategicdatacenter,improvingtheefficiencyofdata center operations, pointed out several stepsofthe data center development trend，and then from the aspects of building design, put forward theway to design, emphatically elaborated several parts about the attention focus of the locationchoicethekeyprinciplesofthelayout，organicconfigurationofthesystem，andthefollow-upofthenewtrends.

datacenter;monitoringsystem；powerdistributionsystem；airconditioningsystem；fireprotectionsystem

TU244.5

B

1007-9467（2016）09-0030-05

2016-05-14

赖天剑（1969～），男，湖南长沙人，IT架构师，从事计算机应用开发与研究，（电子信箱）Laitj@cn.ibm.com。