談數據中心設計

賴天劍，周鈴

（1.國際商業機器（中國）有限公司,北京100101;2.中國中元國際工程有限公司，北京100089）

談數據中心設計

賴天劍1，周鈴2

（1.國際商業機器（中國）有限公司,北京100101;2.中國中元國際工程有限公司，北京100089）

對數據中心的獨特功能、工藝領銜、需求繁雜、基本出發點和注重細節等各特點進行了分析，并通過定義數據中心的狀態、歸納戰略型數據中心的特征、改善數據中心運營效率方法等幾個步驟指明了數據中心的發展趨勢，進而從建筑設計的角度提出了相應處理方式，著重闡述了選址的關注側重、布局的關鍵原則、系統的有機配置、新趨勢的跟進等幾個環節。

數據中心;監控系統;配電系統;空調系統;消防系統

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

1 引言

隨著大數據時代的到來，數據中心日益成為不可或缺的建筑類型，有別于辦公建筑、科研基地以及工業廠房，數據中心的建設極具特點，并且依然處于日新月異的迅猛發展階段，本文希望通過對數據中心特點及發展趨勢層面的探討，為這一類型的建筑設計帶來些許啟發及幫助。

2 數據中心的基本特點

2.1 功能獨特

數據中心是以放置大量處理數據的計算機為主要空間的建筑，空間的主要服務的對象是計算機設備，而計算機的業務處理方式與人員辦公，工廠生產有極大的不同，計算機的服務方式幾乎均存在于虛擬世界中，將各行各業的各類信息，如財務、通訊、圖片、氣象、地址等各種信息均轉換成為數據，計算機對大量數據進行整理、分類、分析、存儲、計算、整合等處理，各類計算機被組織成不同架構，被放置在符合運行要求的功能空間中便構成了數據中心。

2.2 工藝領先

數據中心的建設要基于對企業管理流程的理解，對IT生產管理流程模型的預搭建，與企業戰略發展方向的配合；根據企業戰略發展需求，分析企業基礎設施建設規劃需求；在分析并確定企業IT生產運行的基礎設施安全等級標準的基礎上，制定其它相關基礎設施項目的安全等級標準；IT規劃先行于建筑方案設計，涉及功能規劃定位、建筑結構特殊要求、機房整合、UPS供電及柴油發電機應急系統設計需求分析、精密空調系統需求標準、綜合布線及綜合光纖系統架構、消防系統、安保系統設計需求標準等所有方面,IT規劃為建筑設計提出指導性建議；設計師圍繞綜合基礎設施建設標準開展建設項目的設計工作。整個規劃及設計過程，均需伴隨著IT技術的指導性意見并隨時調整以避免實施運作方向的偏離。

2.3 需求繁雜

數據中心的建筑設計就是根據計算機系統的運行要求，從機房所處的地理位置、周邊環境開始考慮，逐步確定土建需求如建筑面積，空間高度、承重能力等；再到滿足機房運轉的諸多需求，供電需求如市電供應、配電方式、UPS能力；空調需求如制冷方式、制冷能力；網絡需求如機房對外的鏈路、核心網絡結構與設備、帶寬能力；消防需求如防火分隔、安全疏散、氣體滅火等[1]；安全管理需求如門禁控制、CCTV監控、維護巡查。數據中心基礎設施是為IT設備提供支持，同時倡導以人為本、滿足功能需求、兼顧美觀，為IT設備提供一個安全運行的的空間，為保證企業業務發展創造必要的基礎保證。

2.4 三個基本出發點

2.4.1 安全可靠

即減少單點故障，降低故障對整個系統的影響，保障足夠的備份能力。

2.4.2 靈活擴展

即IT設備分期部署，統一規劃考慮擴充設備，確保日后方便增容。

2.4.3 維管可控

即應對復雜的系統進行管理，規劃較強的集中式管理，為分布式實施調整提供清晰的管理邏輯。

2.5 注重細節

IT技術的較強邏輯性和較高精密性，決定了數據中心的品質也往往取決于細節。從可見空間的柱網尺寸與機柜尺寸的模數契合，到感知溫度的冷熱通道合理組織，再到磁場干擾的強弱電系統必要規避，系統匯總的工作涉及了更多更細的層面。一方面個別細節的把控缺失就可能造成重大的安全隱患，例如，進風口的防塵措施在北方地區是不容忽略的；另一方面覆蓋面較廣的細節對于經濟性的影響往往出乎意料，如屏蔽要求不高但面積覆蓋較廣的屏蔽做法與土建主體圍護相結合方式的合理利用。只有更大程度地提高機房空間的使用效率以及排布的靈活性，保證機房的安全可靠性，才可能獲得更高品質的數據中心。

3 數據中心的發展趨勢

今天的數據中心正在快速變化。許多企業正在采用新技術和解決方案以實現企業的現代化發展。其中大部分企業尋求的是一條確保適當級別的IT服務交付、兼顧成本效益、同時又與業務目標相一致的路徑。同時從另一方面而言，這也可能意味提供最佳級別的可用性、靈活性和可擴展性[2]。IT業已開發出數據中心運營效率模型來評估當今數據中心的能力，他們認為數據中心與效率有關的發展可以分為4個典型階段：基本型、整合型、可用型和戰略型。

3.1 定義數據中心的狀態

評估數據中心效率以及是否符合企業需求時需謹記兩個關鍵概念。首先，從一個效率階段遷移至另一個階段是不能用單一的指標來衡量的。其次，數據中心的演變是一個過程，其目標可能會隨著業務需求的變化而變化。

3.1.1 基本型

環境相對穩定，基于短期目標進行維護，具有獨立的基礎架構作為標準。各公司可獲得服務器整合的優勢，但是各應用程序和站點之間的可用性都不盡相同，也未通過實施工具加以改善。

3.1.2 整合型

通過服務器虛擬化和站點整合有效地精簡了系統和設施的數量，從而降低了成本。服務器和存儲技術得到充分利用，通過虛擬機(VM)的移動性改善可用性的目標有望實現。

3.1.3 可用型

IT基礎架構被看做是一個統一的資源“池”，其中的資源可自由分配和擴展，以滿足工作負載不斷變化的需求，并確保運行時間和性能，同時提高利用率。重點在于評價并改善服務級別的同時，構建監管機制，以滿足業務需求。

3.1.4 戰略型

廣泛采用基于政策的自動化工具，降低數據中心的手動復雜性，同時確保應用和數據的可用性需求和動態遷移。檢測和度量始終被用于驗證是否合規.

3.2 戰略型數據中心的特征

3.2.1 將整合提升至更高級別的優化

通過虛擬化進行整合是通向高效數據中心之路不可或缺的第一步。大部分IT組織最初在服務器級別將整合引入數據中心，是為了通過減少物理服務器冗余來削減成本。通常緊隨其后的就是存儲和網絡環境虛擬化，其目的也是通過整合來減少和優化物理基礎架構的支出。虛擬化是數據中心能力的支柱，而事實上當數據中心達到戰略階段時，其服務器、存儲和網絡環境已經具有高級別虛擬化，并且在軟件和自動化工具的使用上也已經十分先進。

3.2.2 靈活性設計滿足不斷變化的業務需求

加速變革給基礎架構帶來了巨大的壓力，迫使其跟上變革的步伐。擁有旨在靈活響應不斷變化的業務和技術需求的計劃至關重要。靈活性還意味著擁有適當級別的可用性和冗余，以確保滿足服務級別協議。

3.2.3 采用自動化工具以改善服務級別和可用性

自動化通常是數據中心發展過程的下一個步驟。引入更高級別的自動化可以實現更高級別的靈活性，并幫助支持更高級別的可用性。對自動化工具和技術更高的信賴，可將系統管理員從密集的手動工作中解脫出來，減少出錯率并確保應用性能符合其SLA。戰略型數據中心相比于基本型數據中心在服務器、存儲、網絡方面均有可觀的提高.

3.2.4 擁有符合業務目標的規劃，并不斷更新

擁有戰略型數據中心的公司在經濟反彈時會有更大的把握抓住市場機遇。這些公司具有利用率極高的整合項目，可優化所維護的數據中心站點的數量。此外，我們發現這些公司在對戰略和執行持續關注的同時，更愿意持續評估其應該有的數據中心的目標數量。此外，運營戰略型數據中心的IT組織更愿意定期進行正式的規劃。相比于基本數據中心，戰略型數據中心在提升靈活性方面，具有如下特征：

1）計劃以小容量增長，循序漸進地構建，而不是一次性構建預期容量；

2）對未來10～20a數據中心使用所需空間進行預測；3）預測用電需求；

4）計劃實施低密度和高密度專區，以支持新技術的不同用電需求。

3.3 對改善數據中心運營效率的建議

戰略型數據中心進行設施設計時細致入微，并將數據中心視為統一的綜合性系統。這些數據中心計劃通過預測用電、空間、容量和可用性來滿足生命周期內的業務需求，從而在變更和向外擴展的過程中提升預測能力并減少業務中斷。

3.3.1 數據中心運營和基礎設施管理

1）適當的容量和可用性預測容量與可用性以滿足主數據中心和備份數據中心的業務需求。然后通過使用實時監控和管理軟件實施管理以提升效率。

2）靈活設計

確保投資可支持需求和技術快速變化所需要的擴展性，例如，按更小的增量循序漸進構建新的容量，并設計機械/電子系統，以在不中斷運營的情況下更新設備。

3）長期優化總成本

確保在設施設計中考慮資本和運營成本之間的平衡，并能實時衡量能效和能耗。

3.3.2 服務器

戰略型數據中心運營者已經整合了他們的服務器基礎架構，以實現基本效率。要完成更艱巨的任務，他們需要利用自動化和軟件工具來提升可用性級別并改善服務質量。可供參考的特定見解包括：

1）推動整合向虛擬化發展

通過使用軟件工具和自動化來改善SLA性能，在物理服務器與數據中心之間按照政策移動虛擬映像。

2）為云計算做好準備

計劃使用自助服務門戶網站，以允許自動在線訂購虛擬機，并可選擇大小、操作系統和服務級別。

3）利用最新的技術

了解如何優化系統并轉移工作負載將有助于利用融合基礎架構（服務器、存儲和網絡系統，以及管理軟件統一在一個預集成的套件中出售）。

3.3.3 存儲

戰略型數據中心涉及到存儲優化與管理的方方面面。通過使用基于軟件和政策的管理系統來減少提供和管理存儲所需的人工操作，從而滿足對存儲爆炸式增長的需求。前瞻性的見解包括：

1）提升存儲優化

前瞻性實施的存儲優化技術（包括虛擬化、重復數據刪除、自動精簡配置和其他技術）增加了四到六倍。

2）減少存儲架構設計師所花的時間

實施存儲管理技術，尤其是存儲服務目錄，以推動基于自助服務和政策的管理。

3）切勿忽視存儲備份和歸檔

隨著所有的關注焦點都移向存儲容量，前瞻性地意識到對數據的整個生命周期的管理。考慮使用更復雜的方法來進行存儲備份-包括跨地域復制或針對多個快照的一致性組。對于歸檔，考慮使用電子發現數據映射或定義的審計流程。

3.3.4 網絡

現如今，網絡正面臨著眾多外部壓力，例如，智能手機的爆炸式增長，以及他們快速增長的對應用和數據訪問的需求；視頻的使用日益頻繁；以及云計算的應用。因此有必要制定數據中心網絡戰略，還應將傳統的網絡優化技術發展成包含網絡管理和自動化的方法，以改善整體IT的效率和靈活性。

1）開發并執行網絡戰略

從綜合、長遠的角度，考量業務和財務目標與網絡、服務器、存儲、應用及端到端的可管理性之間的平衡。

2）實施網絡管理和自動化

使用工具和流程來實現連續的網絡調整，以滿足基于政策的應用需求，并使用預測性工

具來避免計劃外停機。

3）靈活設計

將基于政策的自動供應網絡服務的能力集成到體系結構中，并將人為干預降到最低。

3.3.5 業務彈性

管理IT風險的能力對于實現業務增長、處理不斷變化的業務條件和應對新法規、安全威脅與服務中斷至關重要。領導者善于利用各種方法和自身能力來降低負面風險，同時增強優化潛在機遇的能力。

4 建筑設計的應對與跟進

數據中心作為大量數據集中處理的功能載體，提供著大范圍、長周期、不間斷的信息處理服務，必須具備高實用性、高可靠性、高安全性、高靈活性、高可控性的品質，建筑師應緊緊圍繞這些特點，循序漸進，環環相扣地展開切實可行的設計。

4.1 特點應對

4.1.1 選址的關注側重

選址時所關注的幾個方面通常為：地形地質，水文及環境，配套及基礎設施，在這其中應側重避免自然災害對數據中心可能產生的影響，同時確保數據中心的先天供給保障及充分考慮備份的可能。

1）地形地質

在保證平坦地形和良好地質的基本前提下，側重考量能夠滿足相應的承載力及抗震要求，數據中心的選址應避開地震源、斷裂帶等地質災害易發區，其中的生產區，即計算機房和總控中心的抗震性能除符合國家規范要求，還應保證在防護等級內地震發生時，主要設備的安全并維持正常運行。

2）水文及環境

側重多方位考慮周邊自然環境和現狀設施可能帶來的不利因素，如應避免地下水對結構基礎的腐蝕性[3]；避開臺風、海嘯、山洪、泥石流的災害易發區；應避開河道、泄洪區、自然水系等低洼、潮濕、洪澇災害易發區；避開有害氣體源以及存放腐蝕性、易燃易爆物品存放地；避開強振動源和強噪聲源；遠離大功率無線電發射裝置、高壓輸變電系統、大功率點擊等強電磁場干擾；避開機場起降航道、重要軍事設施，選擇空氣質量和噪聲環境良好的區域。如果某方面條件略有所欠缺，應予充分分析并采取相應的防護措施加以彌補，做到有備無患。

3）配套及基礎設施

在三通一并的前提下，對于電力和通訊的供應側重明顯。電力方面必須具備至少兩路獨立高壓供電，且來自于不同方向的同級變電站（即實現“真雙路”高壓供電），并自備發電設施與之配合，供電容量保證充分冗余；電訊需采用至少兩個電信運行商分別提供的二路或以上來自不同方向的物理接入線路

4.2 布局的關鍵原則

4.2.1 安全性

首先應確定所建數據中心的基本安全等級，將數據中心中的生產區、配套服務區及管理辦公區按照安全等級劃分不同的安全分區，進而按各區域的功能目的和人數分布建立交通動線，通過建立安全系統最終控制區間分隔及動線重要環節。

4.2.2 可靠性

選址時已避免了外界干擾因素，布局時關鍵是避免二次災害即由于自身運行的相關系統矛盾或故障而產生的危害，如應建立高規格的結構體系；市電供應的不間斷及備份；各類管線應消除一切可能的單一故障點；空調系統的精度及備份；避免消防系統的誤動作等等。

4.2.3 可控性

考慮運維動線，構建完善的環境管理體系，盡可能采用市場標準設備，預先考慮設備更換以及維修所需空間和備份。

4.2.4 靈活性

充分考慮模塊化設計，適當引入移動式設備，采用活動式或可裝卸式的內裝修材料，選擇易更換及擴充的設備。

4.2.5 實用性

以先進技術建立便捷的人機界面，可智能高效管理、24h皆適用的設備功能，節能、環保，低運行維護成本，外觀不張揚，內在人性化的舒適，兼顧當前需求與業務發展。

4.3 系統的有機配置

數據中心擁有著如供配電系統、空調系統、消防系統、安防系統、監控系統、通訊系統、樓宇自動化系統、照明系統、給排水系統等眾多各自獨立運作又相輔相成的功能系統，每個系統既有著與其它建筑類似的共性，也有著源自數據中心特點的個性，如何有利高效地保障數據中心的運行，同時又使個系統之間相互協調、有機配合，成為評判設計優劣的關鍵。例如最早的柱網尺寸的確定，看似只是結構問題，實質幾乎牽扯了數據中心中的所有主要系統，首先從結構形式，基礎承載力，樓面設備荷載分布以及經濟性出發，計算機機柜的尺寸模數、擺放方式、發熱密度；消防氣體滅火系統的分區基數；空調氣流的組織形式，送回風有效距離，冷媒管線限制長度，架空地板模數等等因素，均應納入考慮范圍，不是針對某一系統最有利而是照顧的最全面、主要系統相對有利才是有機的系統配置。再如數據中心的外墻設計也很能說明其系統需要相互協調，機房的外墻通常為無窗設計，這樣既保證了機房的氣密性及保溫效果，又可綜合整體電子屏蔽效果、防雷接地要求，強度上應考慮人為因素的破壞，防水措施也不容忽略，而氣體滅火泄壓口的設置需求有時又會與其它方面相沖突；專用空調室外機的大面積安裝也常常致使本已相當“樸素”的外觀顯得更為凌亂。設計應時時從功能角度出發，重新定義適合數據中心的美觀概念。這種系統之間的矛盾調和處理充斥整個數據中心的設計過程，依據關鍵原則，分辨問題的主次，全面準確的考量，才能使整個體系中的各個系統協調運作，從而打造出精品數據中心。

4.4 新趨勢的跟進

簡單的概括數據中心的發展趨勢只需要兩個字即“高效”，如何從建筑設計層面有力的跟進這樣的趨勢，在于我們更加認真地解讀其多方面內涵。高效意味以更小的投入，得到更大的產出。

4.4.1 更小的投入

更少的投入對于建筑而言，首先是涉及了節能及綠色建筑的范圍，諸如空間投入、能源投入，物力資源投入，環境保護等；其次先期、日常和發展的不同階段的經濟投入就建筑本身的合理平衡，建筑設計都應該結合數據中心的特點做出分析與研究，并快速反應出相應的設計手段[4]。例如計算機行業為了打造綠色機房的概念，研制了自冷卻的計算機設備，目前未能推廣應用，可能受阻于設備的成熟度和客戶的認可度，但與建筑設計未能及時跟進也有一定關系，跨界的需求在此便凸顯出來。再如隨著IT業的迅猛發展，大型計算機的核心部件得益于新材料與新技術的使用，體積成數量級的縮小，不排除現今的一個上萬平米的數據機房，未來濃縮在一個普通房間當中，那么利用現有建筑改造成為數據中心，日益成為設計師需不斷投入研究的課題。

4.4.2 更大的產出

更大的產出對于建筑而言，是以同樣空間滿足了更多功能、有更高舒適度、有更大靈活性，從美觀角度得到更廣泛的認可，以致上升至文化層面而產生一定的社會效益。互聯網通過短短幾十年的發展，使我們的生活方式，乃至生產方式都發生了嘆為觀止的變化，計算機作為一種生產工具已經是不爭的事實，它在各行各業的融入，使得數據中心日益成為客戶的標準配置，而更大產出也是所有客戶對數據中心的期許。建筑設計在數據中心的系統整合、環境舒適、空間靈活、美觀人性等方面目前僅僅處于起步階段，還大有可為空間。

【1】GB 50174—2008電子計算機房設計規范[S].

【2】GB 50016—2014建筑設計防火規范[S].

【3】GB 50189—2015公共建筑節能設計標準[S].

【4】GB 50378—2015綠色建筑評價標準[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

賴天劍（1969～），男，湖南長沙人，IT架構師，從事計算機應用開發與研究，（電子信箱）Laitj@cn.ibm.com。