应对业务发展传统IDC数据中心基础配套改造分析

何露

摘要：从风起云涌的云计算、到扑面而来的大数据，再到无处不在的移动互联网应用，传统IDC数据中心需即时处理的业务量及数据量正以指数级速度增长。如何应对新时代需求，为保障原有机房建设投资，充分发挥现有资源利用率，对传统lDC数据中心进行改造已成为亟待解决的问题。本文就根据IT设备特性及lDC机房配套特点，对传统IDC数据中心基础设施改造关键点，包括机房电源、空调及承重等行阐述及分析。

关键词：X86服务器；磁盘阵列；UPS；HVDC

以往国内三大电信运营商为保障业务系统的稳定性及高效业务处理能力，使用Unix服务器比重较高，导致建设、使用成本一直保持在高位（包括：采购成本、设备能耗、维护成本及机房配套建设，等），且Unix服务器的RISC架构非标准化，导致集中管理困难，不同品牌设备之间无法实现共享，水平扩展能力有限的弊端日益凸显。

1 IT 硬件设备比对及选型

随着X86服务器的处理性能及可靠性不断提升，X86服务器替代Unix服务器的时代已经来临。目前单台X86服务器可达150万～200万tpmc的处理能力，完全可与中、低端Unix服务器媲美，且可靠性升已至99.72%，再辅以云计算、集群技术，可靠性甚至超过小型机；此外，X86服务器的软件支持环境和兼容性相比架构较为封闭的小型机更具优势。因此目前处理能力小于120万tpmc的中低端小型机已逐渐被X86服务器直接替代，而高端小型机目前主要部署重要业务数据库，如计费、客户信息管理，等，也可逐渐通过X86服务器集群代替。

1.1 IT建设设备介绍

本文主要就目前某电信运营商集采模型配置下，对IBM、HP、DELL及华为几种主流品牌X86服务器进行比对，并归纳出不用档次下设备特性。

通常傳统lDC机房，单机架输入电流通常为10～16A。可承载功耗为2～3KW，可承载设备数量有限，架内空间浪费严重。但如若单机架功耗在7KW以上，虽然能提高架内空间利用率，但为保障设备工作温度，需要部署分体式精确送风空调，将势必大幅增加机房改造难度及投资。因此为控制成本，提高机房利用率的平衡下，目前单机架实际功耗通常控制在4.5～7KW。在以下各类型X86服务器的对比，采用部署于5KW单机架模型环境中进行对比分析。

低档X86服务器（1U高）配置模型为，CPU：2路6核；内存：64G；硬盘配置8块。参考CPU为Intel Xeon E5-2620，单台最大处理能力为101.5万tpmc，同档次设备单台最大功耗分布于430～490W之间；

中档X86服务器（2U高）配置模型为，CPU：2路8核；内存：128G；硬盘配置16块。参考CPU为Intel Xeon E5-2690，单台最大处理能力为180万tpmc，同档次设备单台最大功耗分布于488～691W之间；

高档X86服务器（4U高）配置模型为，CPU：4路10核；内存：256G；硬盘配置10块；高度4U。参考CPU为Intel Xeon E7-8870，单台最大处理能力为319万tpmc，同档次设备单台最大功耗分布于1100-1400W之间；

刀片服务器（仅配置半高刀片，单片配置CPU：2颗Intel E5-2690；内存：64G；硬盘：2块）。如若单框配满16块刀片，则最大处理能力2880万tpmc/台，同档次设备单台最大功耗分布于5500～7440W之间；刀片服务器（仅配置全高刀片，单片配置CPU：4颗Intel E7-8870；内存：128G；硬盘：2块）。如若单框配满8块刀片，则最大处理能力2550万tpmc/台，同档次设备单台最大功耗分布于5500～6820W之间。

根据以上分析。在5KW机架内各档次X86服务器的设备数量、处理能力、内存容量、存储容量及I/O处理能力横向对比如下：

由图1可见，刀片服务器，不论配置半高还是全高刀片，由于单台设备满配功耗较大，因此实际相对其他类型服务器在存储容量及I/O处理能力均最低。导致架内空间使用率不高；4U高PC服务器，由于其高配置使得单机架内的内存容量最高，但其单机架内的业务处理能力、硬盘存储容量及I/O处理能力表现却不尽理想。而1U及2U高服务器在内存、存储能力、I/O处理能力均优于其他机型，且2U服务器存储容量最大，因此1U及2U服务器在业务承载能力、机房能耗控制及机房空间利用率方面表现最优。因此，也是lDC数据机房中X86设备的主要选型。

目前，运营商已逐步将现有业务由Unix服务器向X86服务器迁移，并通过云资源池的方式降低建设成本、实现硬件资源的灵活配置及扩展，最终助力其提高IT资源自动化管理和部署水平，提高企业IT系统的市场响应能力。

1.2 磁盘阵列

本文选取了国内电信运营商采用的主流磁盘阵列进行分析，分别是EMC的VMAX-4、HP P9500以及Fujitsi ETERNUS DX8700 S2，其存储容量在2PB以上，但除HP P9500单机架功耗为7.1KW，其他两型号的磁盘阵列，功耗均在5.5KW以内。明显可看出。相比以往大型磁盘阵列，单机架盘阵已不再对动力系统造成巨大负担，但单机架功耗均在500kg以上，且各品牌磁盘阵列扩容安装需求各异，因此应注重在安装部署前核算安装机房楼板承重能力并预留相应扩容空间。

2 新增IT设备对机房配套的相应估算

2.1 动力系统

2.1.1 UPS系统容量核算

传统电信运营商IDC数据中心多采用UPS（1+1）并机供电系统。随着单机架功耗的增高，现有动力系统可承载能力的准确核算及相应改造措施，愈发重要。当动力系统需要新增大量负载时，需对UPS动力系统进行估算，并且为避免电流扰动，应尽量保证UPS系统三相负载平衡。

本文以UPS 1+1并机为例，仅推演A相容量估算为例，其他相荷载可依次类推。

A相最大安全承载电流：

A相可用电流：

A相可用电源容量：

新增负载后A相冗余电流：

UPS可用电源容量：

UPS冗余电源容量：

注：（1）S为UPS视在功率、及分别为UPS1及UPS2各已承载的电流容量；（2）为UPS功率因素。通常，动力系统设备（UPS，头柜等）功率因素PF≥0.88（具体需与局方电源专业负责人确认）；设备（服务器、存储、网络设备）功率因素PF≥0.9（具体需与设备厂家确认）；（3）在核算时，乘以80%是为整个UPS系统预留20%的安全冗余容量。

当及均大干零，且新增荷载后的UPS系统基本保持三相平衡，则说明可新增该相应负荷。若存在三相不平衡的情况，需主动调整新增荷载及现有荷载的分布。如果或单项冗余电流小于零，则无法新增相应荷载。此时需考虑新建一套动力系统以满足新增需求。

2.1.2 HVDC系统容量估算

由于高压直流系统（HVDC）相对传统UPS系统，在系统可靠性、系统能耗利用率、扩容能力、可维护性等方面更盛胜一筹，因此近年来在IDC数据中心供电系统中HVDC成为新宠。

其容量估算方案如下（以新增为例）：

新增负載电流：

其电池供电电流：

供电电池组容量；

新增总电流：

需要HVDC整流模块量

注：（1）电池组2V一组，因此每套电池组为2组*120只/组；（2）在中，K为电池保险系数，取1.25；T为电池后备时间，取1小时；η为电池放电系数，取O 55；α为电池温湿度系数（当1小时≤放电率≤10小时，取O 88）。电池环境温度，取15℃；（3）需要HVDC整流模块量N≤10，根据依据实际配置N+1块，若当N>10，则根据实际配置N+2块，以作冗余保护。

当高压直流头柜的可用电流（）大于零时，可满足新增需求。

2.2 暖通系统

即使动力系统满足新增功耗的需求，但大量的新增设备在运行中也带来了大量热量，导致机房温度大幅提升，严重影响大量精密设备的工作环境，给业务系统带来巨大隐患。因此除对了对动力系统进行评估外，也需对暖通系统进行评估。

本文仅针对已有IDC机房进行评估，因此不讨论新建机房的制冷量估算。

假设现有空调N+1台，单台标称显冷量为，该设备已运行3年以上，则其估算方法如下：

实际有效显冷量：

环境热负荷：

剩余空调显冷量：

注：（1）由于设备已运行3年以上，实际有效显冷量需考虑20%的折旧率；（2）环境热负荷为机房内人员及照明热负荷，通常取015～018；（3）为现有设备及新增设备实际运行功耗之和当>O时。现有空调系统能够满足新增需求。

此外，目前IDC机房也多采用封闭冷通道的方式，提升设备制冷效果。设备机架采用“面对面，背靠背”的布置方式，将冷热通道分开；架内设备空隙需用隔板封闭，防止冷热气流交叉；根据单机架功耗核算冷池宽带：（1）冷池宽度=单块透风地板宽度*2*单机架功耗KW/单块透风地板制冷量；（2）单块透风地板制冷量==0.6m*0.6m（地板尺寸）*50%（风口开孔率）*2m/s（风口风速）/3600s（1小时）÷空调1KW制冷量=1296m³/h÷270m³/h=4.8KW

2.3 其他确认关键点

由于磁盘阵列单机架满配通常在500kg以上，在新增前需对机房楼板承重能力进行核算。对于承重要求较高的设备，应优先选择规划在机房横梁或立柱附近，并在设备下方部署散力架。如若设备机房在2楼以上。应确认是否有载货电梯，且核定其载重量应≥2吨以上，电梯轿厢尺寸≥1.5m（宽）*2.6m（深）*2.7m（高），以保证新增大型磁盘阵列的入驻安装。

3 结语

尽管IT设备已逐步向节能环保化发展，但未来IT设备单机架功耗、重量仍将逐步提高。为了充分提高机房资源利用率，未来IDC数据机房动力系统将更多采用HVDC系统并逐步替代UPS系统，封闭冷通道将被普遍运用，机房承重及其相关配套将更加备受重视。因此我们在进行IDC机房改造时应对机房的动力系统、暖通系统及承重等方面进行准确评估，对保障信息系统建设的可行性及建设进度具有重要意义。