微模块数据中心的优势浅谈

丘焕新

【摘 要】为了解决传统数据中心的建设周期长、扩展性差等问题，满足数据中心快速部署的需求，提出了微模块数据中心的建设模式。通过介绍微模块数据中心，并与传统数据中心的技术特点进行对比以及案例分析，证明了模块化是未来数据中心的发展方向。

【关键词】数据中心 微模块 行级空调 密闭通道 TCO

1 引言

随着物联网、大数据和云计算的不断发展，国内数据中心进入了快速建设抢占市场的阶段，面对如此巨大的市场，作为基础设施的数据中心面临着巨大的机遇和调整。由于传统数据中心部署缓慢、密度低、扩展性差等弊端逐渐显现，因此为了应对快速发展的市场需要，诞生了新的數据中心建设模式——微模块数据中心。微模块数据中心的出现可以很好地解决数据中心目前所面临的各种问题，具有很大的发展前景。

2 微模块数据中心介绍

为了应对云计算、虚拟化、集中化、高密化等服务器的变化，提高数据中心的运营效率并降低能耗，实现快速扩容且互不影响的需求，才推出了微模块数据中心[1]。

微模块数据中心是一套完整的数据中心解决方案，它集成了制冷系统、配电系统、机柜系统、密闭通道、监控系统、综合布线、消防等系统于一体[2]，采用模块化的部件和统一的接口标准，实现了供电、制冷和管理组件的无缝集成。各功能组件均实现工厂预制、现场积木式拼装，部署快速简单，并且扩容方便。

微模块数据中心示意图如图1所示：

2.1 制冷系统

根据研究显示，在整个数据中心的能耗中，制冷的能耗约占一半，所以数据中心的能效水平在很大程度上是由制冷技术的优劣来决定的[3]。微模块数据中心的制冷技术采用行级制冷技术。

在微模块数据中心内，行级空调同设备机柜一起，共同组成密闭冷（热）通道，实现冷热空气隔离。微模块数据中心采用的空调为水平送风方式，气流路径为后进前出，将服务器排出的热风吸入冷却后吹出，冷空气再被服务器吸入、排出，如此反复。

水平送风空调靠近热源，送风距离大大缩短，仅为2～6 m，不受限于风道及开孔地板，从而减少了气流沿程压力损失和冷空气的泄露量，提高了冷量的利用效率，解决了局部热点问题。

空调系统可以采用风冷或冷冻水两种制冷方案，灵活适配客户需求。

2.2 配电系统

电气工程是整个机房的基础系统工程，其供配电系统的可靠性要求极高。供配电系统的安全性、可靠性、可维护性和在线扩展性是数据机房的重点。

微模块数据中心的配电系统包括UPS（Uninterru-ptible Power System/Uninterruptable Power Supply，不间断电源）系统、一体化配电柜和PDU（Power Distribution Unit，电源分配单元）。

UPS系统采用模块化UPS或机架式UPS。支持单机20 kVA～320 kVA多种容量的UPS，按需部署，柔性扩容。

配电柜采用一体化配电柜，集成IT配电单元、空调配电单元、UPS配电单元，真正实现一体化集成配电，大幅节省空间，并带上智能电量测试仪，可测量输入电源电压、电流、功率因数和每一路的输出电流，实现7×24小时不间断监控。

2.3 机柜系统

微模块数据中心配置的尺寸统一的机柜符合IEC 60297-1标准化机柜，完全兼容第三方IT设备。

机柜采用前进风、后出风机柜，冷空调从机柜的前门被IT设备吸入，热空调从机柜的后门排出。其中，前门的通风率不小于60%，后门的通风率不小于50%。

2.4 密闭通道

密闭通道主要是由天窗、端门与机柜连接组合而成，将冷热气流隔离，工厂预制结构件，实现快速部署。

密闭天窗主要用于模块通道的密封，分为控制天窗、旋转天窗和平顶天窗三种。旋转天窗采用偏心结构，当触发装置动作后，天窗在重力作用下打开翻转。旋转天窗的驱动方式是通过电磁锁触发装置翻转。如果将消防系统引入模块内，则选用不旋转天窗；如果模块与机房共用消防系统，则选用旋转天窗。

端门分为推拉门和双开门两种。在密闭通道的两端安装端门，使得整个模块形成一个独立的整体，在提升设备工作效率的同时保证工作人员或设备进出。

2.5 综合布线

微模块数据中心在顶部安装走线槽，以实现线缆的有序管理。走线槽分为信号线走线槽和电源线走线槽，分别用于信号线和电源线走线。具体如图3所示：

在每个机柜顶部中间有走线孔，从而方便线缆连接至机柜中。走线槽可实现长度方向的扩容，且在相交时分上下两个通道走线，实现电源线和信号线的分层管理。

在天窗的结合部有线缆绑扎孔，从而方便线缆的绑扎。

3 微模块数据中心与传统数据中心技术

特点对比

3.1 传统数据中心建设模式面临的挑战

传统数据中心建设模式面临的主要问题如下：

（1）选址困难，场地利用率低

传统数据中心要求满足各个专业机房的所有环境条件，对楼层高度、楼板承重等指标要求严格，造成选址困难。

每个功能板块都要求有独立的区间，过多区间划分必然会造成空间的浪费[2]。

（2）建设周期长

建设周期就是机房基础设施系统从规划、设计、安装到付诸运营的时间。从以往经验来看，建设周期大概在400天左右。

期间还会因为各种未知的因素影响工期，比如：按照专业设计、建设，各专业交叉施工，相互影响且工程复杂；设备发货零散，产生额外仓储及二次搬运费用；厂商过多，设备无库存备货，货期难以统一协调等。

（3）扩展性差

扩展能力对于适应性十分重要。由于只能准确分析目前的业务需求，无法预见未来的业务需求，因此容易造成过度建设或容量不足。

若前期投入费用按目前需求建设，则后期扩容投入存在二次工程，设备掉电，部分设备需购新，产生额外工程、设备费用，并存在较长的机房使用空档期。

若直接按最终需求建设，则存在投入过大、设备使用率低导致无用功损耗严重的情况。

（4）低密度

传统数据中心空调是送风方式，从上送风改为地板下送风，单机架的功率密度从2 kW～3 kW上升到3 kW～5 kW。

随着通信设备集成度的日益提高，机房内设备的功率密度越来越高，耗电量平均大于6 kW/机架的情况变得越来越常见，设备的发热量相应也越来越大，机房局部过热成为设备安全运行的最大风险。

（5）PUE值高

数据中心都是能耗大户，传统建设采用常规意义下的可靠性较高的配电系统、制冷系统，但这些系统往往可靠性越高效率就越低，没有很好地考虑制冷方案、气流组织的问题，很多数据中心的PUE（Power Usage Effectiveness，电源使用效率）偏高。

传统数据中心的PUE都在2.0以上甚至更高，这意味着数据中心所使用的电能只有一半消耗在IT负载上，而另一半消耗在基础设施上[4]。

（6）运行维护成本高

IT运维正面临着诸多问题，比如：粗放式运维，资源台账不清；缺乏统一的服务接口人，故障响应和故障处理跟踪出现混乱；系统运维优化需要IT人员积累大量的数据和报表进而得出结论，而日常的IT运维管理难以有效统计这些数据[5-6]。

3.2 微模块数据中心的优势

数据中心传统建设方案的劣势正好是微模块数据中心建设方案的优势，具体如下：

（1）快速部署

微模块数据中心将很多传统数据中心的工作界面转移到工厂预制，比如：原来需要现场敷设的桥架可部分在工厂就预装在微模块顶部，现场无需再做这部分工程；防静电地板也由工厂预制的底座所取代；强弱电布线、接地、照明等都在工厂预制了标准的安装位和规格，节省了现场定位、勘察和施工等。

根据施耐德电气公司的研究显示，模块化的建设方式要比传统方式缩短一半以上的时间[7]。具体如图4所示。

（2）方便扩展，按需建设，弹性投入，节约机房空间

采用微模块的架构，数据中心可以根据业务需求逐步增加，因此可从1个微模块到几十个微模块根据需求分期建设。

传统数据中心由于制冷系统设计的限制，使单机架的散热能力受到很大局限。一般来讲，单机架的功耗在3 kW左右，再高散热就会成为瓶颈。

微模块数据中心的单机架功率可做到9 kW以上，相比传统机房提高了3倍以上。相同功率的设备原来需要3个机架放置，而在微模块中只需要1个机架。

（3）节能减排

微模块数据中心采用多种设计和技术来提高数据中心的能效水平，节能效果明显。比如：冷热通道的封闭和隔离使空调系统的冷量集中在较小空间，全部供热源利用，大大减少了冷量的损失；空调回风温度很容易得到提高，大大提高了制冷系统的效率；行间空调、模块化UPS、密闭通道、高集成配电柜的联合应用，使PUE降至1.5以下。

（4）一体化的数据中心管控系统简化了管理界面

微模块数据中心统一管理系统集基础设施（传感器、智能设备）、IT设施、云计算的运维和运营管理于一身，改变了传统数据中心多层级不同系统并存难以管理的现状，大大减少了运维的工作量[8]。

3.3 传统数据中心与微模块数据中心全方位对比

及案例分析

（1）全方位对比分析

传统数据中心（行级空调+密闭通道）与微模块数据中心（房间级空调+密闭通道）具体对比分析如下：

机房布局

传统数据中心采用房间级空调，需要单独的空调区域，机柜与空调出风口距离不小于2 m，布置的机柜数量较少。

微模块数据中心采用行级空调，空调安装在列间，不需要专门划定的空调区域，综合起来布置的机柜数量较多。

因此，微模块数据中心的机房空间利用率更高。

建筑要求

传统数据中心机房梁下高度不小于3.6 m，跟功率密度有关，越高功率密度需要越高的地板高度。机房形状最好是规则长方形，要避免正方形及不规则机房，因为不规则机房不利于房间级空调的送风回风。

微模塊数据中心机房梁下高度不小于3 m，无需抬高地板送风，且与功率密度高低无关，只需预留300 mm的下走空调水管，行级精确送风，每个微模块独立空调系统，对机房形状要求低。

因此，微模块数据中心对机房建筑要求更低，且适应性更强。

连续可用度

传统数据中心机房空调N+1设计，颗粒度大、备用空调少，单台空调故障对机房正常使用影响大。

微模块数据中心机房空调N+X设计，颗粒度小、备用空调多，单台空调故障对机房正常使用影响小。

因此，微模块数据中心机房可用度更高。

功率密度

传统数据中心只支持单机柜不大于5 kW，机柜功率密度过高存在散热问题，形成局部热点无法消除。房间级空调由于远距离送风，房间级制冷无法支持高密。整个机房只能按需要最高的机柜功率密度标准统一设计，否则各种功率密度无法共存，并且功率密度不能升级。

微模块数据中心支持单机柜不大于13 kW，不会形成局部热点。行级空调近距离送风，精确制冷可以支持高密要求。机房内由若干微模块组成，每个微模块可以支持不同功率密度进行设计，各种功率密度机柜可以共存在一个机房内。功率密度可以通过添加行级空调实现，支持功率密度升级，并且不会影响已有的其他模块。

因此，微模块数据中心支持的机柜功率密度更高，且扩展更灵活。

机柜利用率

1台1U双路服务器300 W，1个42U的机柜可以安装42台300 W服务器，最大需求是12.6 kW，传统数据中心实际只能支持5 kW、16台300 W服务器，单IT机柜利用率只有40%。

微模块数据中心支持高密，且支持全部服务器上架，单IT机柜利用率可达100%。

因此，微模块数据中心单机柜利用率更高，一个微模块的IT机柜相当于传统的2～3个机柜使用。

建设周期

传统数据中心先建土建，机房装修完后才进场施工安装机柜、UPS、电池、空调、走线架等，各种工序前后制约，串行实施。

微模块数据中心土建和装修机房的同时，可以找工厂生产机房微模块，预安装调试，机房装修完毕后即可运往现场拼装，大大节约了机房设备安装的时间，并行实施。

因此，微模块数据中心的建设周期更短。

投资造价

传统数据中心以机房为单位建设，机房装修、电源、空调设施通常一次性建设完成，初期投资较大，业务不足时存在过度投资。整体一次性部署时，投资略省。

微模块数据中心机房装修一次性完成，电源、空调、机柜以微模块为单位按需、分期部署，弹性扩容，匹配业务发展建设，可节约初期投资。从整体投资费用来看，投资略高于传统数据中心3%～10%。

因此，微模块数据中心可以节约初期投资，分期投资更有优势，而整体投资略高于传统数据中心。

绿色节能

传统数据中心采用房间级空调远端制冷，要求送风温度、回风温度较低，远距离的机柜散热才有效果，节能较差。由于送风距离长，空调风机功率大、耗能高，设计PUE值为1.7～1.8。

微模块数据中心采用行级空调近端制冷精确送风，机柜散热效果更好，可提高送风温度，更利于节能。气流路径缩短可降低空调风机功率并提高效率，设计PUE值为1.3～1.6。

因此，微模块数据中心更加节能。

维护简便

传统数据中心维护接口需与众多厂商协调，多专业间独立维护，出现故障责任界面不清晰，容易出现多专业厂商间的相互推诿，维护效率低。由于多厂商集成，因此接口不统一，难以集中监控，消耗维护人力较多。

微模块数据中心由同一厂商接口运维，一个厂商负责多专业维护，不存在多专业间的相互推诿，维护效率高。同一厂商提供不同子系统，各子系统的接口统一，可以集中监控维护，需要维护人员少，节省了人力。此外，还可以进行单模块监控与集群监控，提高运维效率。

因此，微模块数据中心的维护更简便。

弹性扩容

传统数据中心以机房为最小单元，对单机房来说，配电、制冷需要在建设前期一次性规划好，后期扩容难。

微模块数据中心以微模块为最小单元，对单机房来说，能随时扩容，可以把配电、制冷设备一起扩容。

服务器生命周期一般为3～5年，数据中心为10～15年[9]。当未来一轮服务器配置变化时，传统数据中心机房所支持功率密度低，因此在设备升级中支持设备的功耗有很大限制。

微模块数据中心机房灵活调整内部配电和制冷的配比即可应对，可支持高功耗IT设备应用，大大提高了微模块未来的可用性。

因此，微模块数据中心更易扩容。

（2）案例分析

下面以河北某基地的微模块方案与传统方案进行对比为例具体分析[10]。单个标准机房模块的平面布局对比：微模块366、传统438，具体如图5和图6所示。

微模块数据中心与传统数据中心的主要指标对比如表1所示。

微模块数据中心与传统数据中心的TCO（Total Cost of Ownership，总体拥有成本）对比如表2所示。

4 结束语

为了满足数据中心快速部署的需求，本文提出了微模块数据中心的建设模式，并与传统数据中心的技术特点进行对比。从建设和维护的角度来看，微模块数据中心机房利用率高、适应性强、建设周期短、扩容改造简单、能源利用率高；从投资的角度来看，在分期投资方面，微模块数据中心的投资比传统数据中心要少，且成本回收时间短，而在一次性投资方面，微模块数据中心的投资比传统数据中心要稍大，但成本回收时间还是比传统数据中心要短。所以，微模块数据中心更适应目前数据中心快速发展的需要。

由于微模块数据中心的各个部件都是在工厂生产的标准化产品，相比在现场施工有更高的质量保证。我国在数据中心这方面的标准化相对滞后，下一步将解决产品的标准化，并加大对微模块数据中心关键技术的研发。

参考文献：

[1] 施耐德与戴尔联手定制“高端”中小型数据中心[J]. 变频器世界， 2015（12）： 24.

[2] 苗雪，张杰，张婷，等. 智能建筑的“大数据”之旅[J]. 智能建筑与城市信息， 2015（7）： 20-37.

[3] 郭亮. 浅析微模块数据中心的关键技术[J]. 信息通信技术， 2013（1）： 33-37.

[4] 李祥敬. 颠覆传统 浪潮微模块数据中心入驻中国移动[EB/OL]. （2015-05-03）[2016-12-28]. http：//server.yesky.com/datacenter/491/61073491.shtml.

[5] 翰緯camel. 利用ITIL治理混乱的企业网络环境[EB/OL]. （2009-09-22）[2016-12-28]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_62171a5d0100gbkj.html.

[6] 中兴通讯SOHOMO. 金融行业如何更好地运维数据中心[EB/OL]. （2013-01-14）[2016-12-28]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_b09d08b90101gkr9.html.

[7] Dennis Bouley，Wendy Torell. 集装箱式数据中心电源和制冷模块[R]. 施耐德电气数据中心科研中心， 2013.

[8] 李响. 数据中心第三次变革浪潮袭来[EB/OL]. （2014-06-24）[2016-12-28]. http：//www.ccw.com.cn/article/view/71446.

[9] 博川电气有限公司. 模块化数据中心的建设优势[EB/OL]. （2015-10-28）[2016-12-28]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_1538d81a30102w3ap.html.

[10] 华为网络能源总工办. 传统数据中心与模块化数据中心对比分析[R]. 华为技术有限公司， 2016.