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如何在不增加风险的情况下提高数据中心的密度和容量

2016-11-28 10:19  机房360  

核心提示: 随着市场对于数据中心需求的增加,导致了对于诸如计算输出和存储容量大小所需的增加,同时也需要更好地规划未知的需求。然而,增加容量以满足未来的计算需求所需的成本代价可能是极为昂贵的,并且,企业的工作负载并非总是可预测的。

随着市场对于数据中心需求的增加,导致了对于诸如计算输出和存储容量大小所需的增加,同时也需要更好地规划未知的需求。然而,增加容量以满足未来的计算需求所需的成本代价可能是极为昂贵的,并且,企业的工作负载并非总是可预测的。

随着现如今的企业越来越依赖于数据中心以提供服务,数据中心需要确保有足够的容量以满足潜在的业务的扩展。

增加数据中心的环境密度和容量规划可以帮助数据中心管理人员以有限的信息为未来的业务做好准备。为了实现这一点,数据中心运营商们需要更清楚地了解自己的资源需求,即带宽、计算输出和存储,以便适当地评估和调整难以预测的工作负载,例如来自物联网的流量,这一新兴的互联网连接的设备所收集和交换的海量数据。

有效的电源管理和容量规划的替代方法是浪费资金进行过度的配置(无论是服务器还是云服务),在面临意想不到的负载峰值时减少可用性,或者迁移到一个虚拟队列的后面,以等待共享资源。

这使得监控成为了基于众多原因,对数据中心整体操作运营实施管理的重要因素,其中除了改进维护活动的有效性之外,还包括减少意外停机中断的次数和持续时间、有效的电源管理/分配、确保负载均衡的能力。

剩下的保持灵活性,以满足业务需求(无论该需求是否是企业所期望的)的挑战,无疑是数据中心新的和新兴的电源管理技术和方法的一个重要的推动因素。而本文旨在帮助广大读者诸君解决的关键问题包括:

为什么数据中心操作运营人员对高密度的数据中心越来越感兴趣?

高密度数据中心的关键要素是什么?

企业组织如何充分利用高密度计算?

我们可以从具有更高密度的数据中心学到什么经验教训?

更多的PDU插座数量和更高的服务器工作温度有什么好处?

当前数据中心行业的视图

数据中心管理的灵活性和成本效益要求之间的平衡作用越来越不稳定。随着房地产成本的不断飙升,使得企业组织很难通过将收购土地,以新建数据中心作为一种产能扩张的手段。而与此同时,电费成本无疑是占数据中心运营的最大头的成本;根据专注提供全球数据中心产业的调研和分析服务的DCD Intelligence在2014年的全球普查调研显示,平均而言,对于持续运营的数据中心而言,27%的支出是在电源功率方面。因此,上述一系列因素推动了数据中心行业全球性的服务器和功率密度的成比数据中心密度和容量例增长。

对数据中心管理越来越模块化的需求也与其他方面的现实状况有关,例如:

数据中心重要性的日益增加,也使得企业的管理层需要面临更多的安全管理风险。而充分利用数据中心的空间则可以使其管理人员们更好地处理未来的需求。

随着数据中心的服务器机架变得越来越密集,其运行的成本也越来越高,因此它们的“装配”技术也在随之变得越来越复杂,并且变得依赖于网络,而不仅仅只是依赖于服务器。而且对于一个较小形式因素的更多的数据中心站点的需求也在增加。

IT负载变得不可预测,并且由外部源(例如移动设备所带来的流量)所推动的峰值需求已经变得或预期将变得更加极端。这意味着,数据中心运营商们需要借助必须的基础设施保持领先于业务需求的同时,主动的满足无所不在的需求,而不是当需求自身已然现身的时候才去满足需求。

数据中心更可能成为与共享服务竞争的共享设施,并由此兴起了许多关键架构 ——虚拟化、软件定义、云服务——数据中心抽象的物理属性,并将其完全重组或部分重组到IT层。

还有其他方面的因素推动数据中心运营商们运营更密集的数据中心,包括诸如公众的监督。政府监管机构和公众舆论迫使数据中心运营商们必须更加节能和使用绿色环保技术,但同时也有来自于其自身的提升能源效率,以节省成本的强大经济动力。更大的基础设施已被证明,通过采用更有效的电源管理和冷却策略,能够帮助运营商节省数十万美元的运营费用。

数据中心电力需求增加的影响

随着数据中心的需求不断增长以及房地产成本的飙升,该行业正在适应创造更高的机架密度作为一种提前容量规划的手段。充分理解了这一点,便有助于我们了解功率密度和容量规划在全球数据中心的增长框架。具体而言,自2013年以来,电力消费持续稳步增长,尤其是在新兴市场。而预计这一强势增长的节奏将一直持续到2017年。这种快速的增长已经给数据中心运营商、管理人员和客户们带来了压力,迫使他们急需找到更有效的方法来更有效的使用数据中心的空间和电力资源。由于这两大因素对于数据中心的设计是至关重要的,业界专家们正在将更具模块化和灵活性的设计纳入到他们的数据中心和设备机架,以便为未来的各种工作负载做好准备。

DCD Intelligence最近的研究表明,鉴于对数据中心需求的不断增长所导致的对于电力资源消耗的不断增长,即使世界上最先进的市场(美国市场)的增长速度已经呈现放缓趋势,但其电力资源的消耗需求也仍然只会不断增长。 该项研究已经跟踪数据中心行业的发展和快速增长持续十年了。如下图1所示,在过去几年中,全球数据中心行业的功耗一直稳步增长,目前全球数据中心行业功耗的估计达45GW或更多。重点要注意的是,尽管诸如虚拟化、电源优化技术得到了广泛而快速的普及采用,同时每瓦的计算效率也得到了大幅度的提高,但这种电力消耗的增长仍将继续。

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图1:全球数据中心行业的电源需求(单位:GW)

更高的密度作为解决方案

解决这些问题并帮助管理增加的需求的关键技术进步是高密度计算的发展,或者在相同的机架空间内增加计算能力的能力。

高密度计算或将带来大量的成本节约,但同时也会带来一些挑战。数据中心必须为高密度机架配置额外的电源,而机架内部安置PDU的空间可能会变得非常紧凑。在这些类型的环境中的冷却需求也可能变得非常复杂。然而,通过精心设计的架构,数据中心运营商们则可以充分利用高密度计算所提供的空间和效率优势。

DCD Intelligence将高密度计算定义为将更大的计算能力打包在同一空间中并因此需要在该空间中提供更高的功率的实践。通常,数据中心中的每台机架能够提供2-4kW的功率,但是今天,技术的进步允许每台机架能够提供20-30kW或更多。除了提供给机架的总功率的增加,可以被认为是高密度(即大于10kW /机架,包括IT和非IT需求)的机架的比例也在全球范围内迅速增长。详细信息,请参见下图2. DCD Intelligence针对全球数据中心普查(DCD Intelligence针对数据中心决策者的调查)的分析发现,在过去5年中,机架功率密度稳步增长,而这一趋势还将继续。详情请参见下图4.

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图2:高密度的主要优势:相同数量的机架中处理更多的计算

更高密度的机架/计算可以以多种方式实现。首先,通过使用新的单一服务器可以简单地在相同规模大小的机架中提供更多的计算能力,这在很大程度上是由于处理能力的改进。第二,刀片服务器,被设计为开槽以增加计算能力;或高密度的pod,将冷却和电源插座集成到一个独立的模块化设计。最后,更高的机架支持更多的设备,因此带来了更高的功率密度。

改进的基础设施管理:

高密度计算还带来了每台机架内的非IT设备的减少,这为数据中心可管理性提供了额外的好处。数据中心可以具有更少的机架和更少的布线,这可以由于减少了复杂性和更少的组件而带来更高的可靠性。例如,有时,数据中心可以具有更少但更大的机柜功率,也称为分支电路,并且在面板上具有更少的保险丝或断路器。这也适用于用户从单相上进入三相电源的情况。

密度推动的功率效率:

尽管高密度计算增加了基于每个机架的功率消耗,但其可以显著降低终端用户的计算负载的总功率需求。如下图3所示,超过40%的数据中心预计他们的电力需求将在2015年出现增长,其中五分之一的企业预计其大幅增长将达到10%-30%之间。因此,减少功率浪费和提高计算效率的能力是数据中心并重的两大目标。

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图3:全球数据中心行业2014年至2015年年度的电力需求变化

更好地理解高密度计算:

DCD Intelligence将高密度的门槛定义为每台机架10kW.他们的研究表明,在企业组织内,IT决策者们对于高密度计算的意识仍然相对较低,这些决策者们对于确切构成高密度的因素、这种方法的成本和收益及其财务影响有着不同的见解。许多企业甚至不知道20kW及更高的密度是可能的。他们对于数据中心业界的其他创新的了解,例如冷却设计的改进也受到了限制。 DCD Intelligence发现,企业往往试图复制他们在往年所做的一切,而并没有探索他们是否可以通过采用更有效的数据中心设计来节省成本。

尽管整个数据中心业界的决策者们对于高密度机架的意识还很低,但更高密度的机架的比例在全球范围内也正强势增长。 根据DCD Intelligence对全球数据中心普查的调研分析发现,在过去5年中,整个业界的机架功率密度稳步增长。详细信息,请参见下图4.

这些数据表明,数据中心管理人员和IT专业人员正在制定关于采用高密度机架的目标,并且他们对于增加密度机架配置的兴趣正在发生改变。

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图4:全球低、中、高密度机架的比例

而诸如Server Technology(一家位于内华达州里诺市的领先的机架式PDU制造商)等等这样的供应商的产品也已经发生了相应的变化,以满足数据中心不断增长的电源和插座要求。在2013年至2016年期间,该供应商所销售的每台PDU的插座数增加了46%;这反映了企业客户对额外插座和更小的PDU外形尺寸的需求,该公司说。 (参见图5)。

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图5:2013年至2016年每台PDU的平均插座数量

根据DCD Intelligence的调研显示,那些电源需求量最大的企业客户通常是有着大型计算资源的用户。 因此,高密度计算的优势在于其能够为具有大型计算资源的企业产生最直接的效益。 因此,我们预计:云计算提供商、数字媒体公司和电信提供商是最有可能操作更高密度计算环境的。

总体而言,随着全球数据的爆炸似增长所推动的对于数据中心的更大的存储和处理的需求,高密度计算所占的比例越来越大。物联网和云计算只是两大主要的增长推动因素,存储和处理越来越多地从本地设备迁移到了远程数据中心的云中。

根据思科的全球云指数(2014-2019)显示,到2019年,数据中心流量将以25%的年复合增长率(CAGR)增长3倍,达到10.4 zettabyte(1泽字节 = 1,000艾字节)。

此外,根据全球云指数(2014-2019)显示,每年由万联网(Internet of Everything)设备所创建的数据将从2014年的134.5泽字节达到2019年的507.5泽字节。到2019年,超过五分之四的(86%)工作负载将通过云数据中心进行处理。

当前的电源管理环境

一台服务器所消耗的每千瓦时的功率会产生等量的热量。在缺乏有效的监测和管理的情况下,这种热量将积累在数据中心内。更重要的是,这会影响到服务器性能。在近些年,服务器在更高温度下正常运行的能力已经得到改善;而计算密度,也就是每台服务器所提供的计算能力的数量也得到了改善。随着计算能力的增加,产生的热量也随之增加。虚拟化服务器在数据中心的增长也导致了在数据中心的空闲计算机的大幅减少,进一步增加了散热。

鉴于计算密度的上升(见上图5),而且企业业务对于数据中心的依赖性也在不断上升,所以企业必须妥善的管理好电源。然而,许多电力和冷却系统无法有效地适应今天数据中心的需求。例如,当机架密度相对较低时,传统的基于周边的CRAC单元的高架活动地板充足,每机架2-4kW.现在这种情况则很少了。随着计算能力根据摩尔定律的增加,服务器所消耗的功率使得这对于许多数据中心操作者来说,成为了一个更大的问题。

除了更大的性能退化或甚至造成停机中断的风险,这种增加的计算密度还会对数据中心电源功率/热管理造成两大问题:

更多的计算能力直接转化为数据中心产生更多的散热,这通常意味着需要更多的冷却基础设施。较之10年前,新的服务器和交换机在每平方英尺可以产生多达10倍的热量。

高密度服务器通常安装在与上一代系统相同的数据中心中。因此,机架密度不是在数据中心内均匀的增加的,故而某些区域将比其他区域更热。此外,机架底部的设备可能消耗更多的冷空气,使得剩余量的冷空气不足以冷却机架顶部的设备。因此,冷却架构需要允许更多的目标,而不是简单地将数据中心温度保持在ASHRAE指南范围内。

DCD Intelligence与Server Technology公司的软件和产品管理高级总监Calvin Nicholson及其OEM和全球客户总监Marc Cram共同探讨了智能电源和热管理以及其他方面的问题。

随着移动数据流量的增加,对数据中心基础设施的压力只会进一步的增加,而诸如汽车等连接设备的上线而变得更加明显,这意味着更多的设备通过Wi-Fi接入网络,会在全球范围内创造更多的数据处理需求,从而对数据中心提出额外的要求,Cram指出。

他补充说,除了诸如亚马逊、谷歌和微软这样的超大规模公有云服务供应商之外,更多的房地产企业更难以负担得起在许多地区建造数据中心的高昂成本。因此,越来越多的企业正在研究如何最大限度地利用现有的资源。

因此,数据中心运营商们正在检查机架的功率容量,以确定潜在的密度,他补充说。

Server Technology公司的Nicholson建议企业组织在查看他们数据中心的机架密度时特别需要留意以下几点:

监控的重要性。在分支和in-feed级别进行容量能力规划,是相当重要的,得以能够通过寻找到僵尸服务器和闲置容量来实现更高的效率。 “您数据中心无法对没有实施监控的设备进行良好的管理。”Nicholson建议说。因此,借助监控工具,可以帮助公司跟踪和报告特定设备的功耗情况。这是很重要的,因为配置一台新服务器的决定应该是基于过去一年中机架的功率和冷却??历史记录而做出的,而不是单一时间点。Nicholson所遇到过的最有问题的情况是数据中心运营商没有适当地规划或评估最大可能的正常运行时间和可靠性。随着密度的增加,服务器和数据中心的维护也应该随之改变。为此,如果设备在较高的温度下运行,监控可以帮助延长服务器的3到5年的使用寿命周期,Nicholson说。 “这是一个很棒的省钱机会。”他说。此外,增加机柜的入口温度也是节省资金的一个相当不错的方式,这样服务器只是持续在较高的温度条件下长时间运行。

配置。这是数据中心运营商在正确了解了气设备可靠性和正常运行时间的重要性之后必须接受并采取行动的关键原则。企业组织往往将过度的电力配置到未充分使用的机柜,导致不必要的运营支出。而鉴于当前房地产成本的不断上涨,这种情况在未来更难以为继。此外,配置错误类型的电源可能与这些原则是背道而驰的,反过来会对数据中心操作的产生负面影响。因此,Nicholson先生建议数据中心运营商们在更高的功率源(例如415v)条件下进行配置,假设数据中心的冷却设备可以处理由此伴随的需求。

结论

关键数据,研究结果和建议概述如下:

关键数据:

数据中心容量的总体增长将推动对高密度计算的需求。据DCD Intelligence的分析预测,全球数据中心的白空间从2013年的3380万平方米增长到2017年的4130万平方米,而数据中心的功率消耗将从2013年的41.4 GW增加到2017年的51.7GW.其中大部分增长将发生在新兴市场,并且主要是在托管服务、电信服务商、云服务和其他IT服务提供商之间。

数据中心的增长部分的原因是由于数据的持续爆炸似增长所推动的,思科预计,到2019年,每年的CAGR将增长3倍,达到10.4泽字节(1泽字节 = 1,000艾字节)。

数据中心的空间正在迅速成为该行业的一个问题,DCD Intelligence指出,的有六分之一的受访者指出,缺乏合适的数据中心选址已然成为最近全球数据中心普查中的一个重要关注问题。有趣的是,即使在过去并不特别关注数据中心空间的提供商们现在将其称为潜在的问题

对于最终用户的建议:

① 对于高密度计算的教育和意识水平仍然很低,可能会有很大的混乱。企业需要投入时间和精力预先告知自己的员工们关于高密度计算和密集环境方法的优势,以确定其是否是正确的方法。

② 企业应该计划制定灵活的解决方案,允许数据中心业务的增长,而不需要更换设备或扩大设施。企业还应该牢记高密度模块化的优势,特别是在数据中心可能有有限的机架空间,但可能还能够提供更多功率的情况下。这可能允许企业增加计算能力,而不需要增加额外的设施。战术性的解决方案可以是采用具有支持具有相同形状因素的更多插座的机架PDU,其具有支持许多不同服务器数量和配置的灵活性。

③ 高密度不是像刀片服务器这样的特定技术的同义词。虽然刀片服务器可能是提供高密度解决方案的一部分,但企业应该意识到,其并不是简单地将刀片服务器打包到机架中,电源的监控和管理更为重要。这是一个更广泛的努力方向。

④ 云计算和数字媒体的全球提供商最可能是使用高密度计算的最初的采用者。这些公司将很好地评估更高的功率和服务器密度的潜在好处,以及为其各自业务提供更好的服务。

⑤ 在高密度投资之前,建议企业投资于详细规划。对当前和未来需求的细致理解对于提高潜在效率是至关重要的。

企业可以从模块化的增长,空间和功率效率的改善,以及潜在的更高的可靠性,更密集的环境中受益。大规模计算资源的企业用户,例如云计算提供商,特别适合于规划高密度计算,但是对于各种可能利用更密集的环境的企业而言,必须以已经采取了必要的步骤为假设前提。我们建议所有类型的企业均评估采用更高密度数据中心所提供的设备,方法和机会,我们希望本文将有助于就这方面所涉及的关键问题和可实现的好处为广大读者诸君提供一些高层次的洞察。

在企业组织和多租户的数据中心中,更高密度服务器的趋势已经成为对数据中心不断增长的需求的主要响应之一。然而,密度越高,与之伴随着的故障失败,资源和支持需求的相应增加,也对带来相关的风险的增加,因此要求数据中心运营人员提高运营效率。对更高密度机架的能力的需求,需要以合理和系统的方式仔细进行规划,监控和管理,以适应不断变化和不断增长的需求。智能和集成的PDU系统是实现这一目标的一个主要因素。



责任编辑:Archer

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