راهنمایی برای تعیین توان مصرفی مرکزداده [1]

مقدمه

تعیین‌کردن توان مصرفیِ عملیاتی برای مرکزداده و سالن‌های سرور، دشواری بزرگی برای کارشناسان فاوا است. در مرکزداده‌ای که توان آن به‌مقدار سنتی در بازهٔ ۴۳۰ تا ۸۶۱ وات بر متر مربع انتخاب شده باشد، نمی‌توان نسل‌های آخر تجهیزات فاوا را با اطمینان اجرا کرد. از سوی دیگر اگر توان مصرفی در بازهٔ ۶٬۴۵۸ تا ۱۰٬۷۶۴ وات بر متر مربع باشد که با آخرین نسل تجهیزات پرظرفیت فاوا سازگار است، مرکزداده با کاستی فناوری برق و سرمایش روبه‌رو می‌شود و به هزینهٔ سرمایه‌ای بسیار زیاد و بهره‌وری عملیاتیِ کم دچار می‌گردد.

طراحی مرکزداده باید چنان باشد که در چند چرخهٔ به‌روزرسانی فاوا بتواند به‌خوبی کار کند. ولی ماهیت تجهیزات فاوایی که در آینده نصب می‌شوند روشن نیست؛ این مسئله مشکلات مربوط به برنامه‌ریزی ظرفیت را تشدید می‌کند.

تعیین ظرفیت مرکزداده به‌روش قدیمی که برحسب وات بر متر مربع است، چندان کمکی به یافتن پاسخِ آن پرسش‌های ضروری نمی‌کند که بهره‌برداران مراکزدادهٔ امروزی با آن روبه‌رو هستند. روش سنتی به‌ویژه به این پرسش مهم پاسخ نمی‌دهد که «اگر رک را با توان بیش از مقدار مشخص‌شده اجرا کنند، چه خواهد شد؟» این پرسش کاربردی است؛ زیرا ظرفیت مرکزدادهٔ معمول امروزی ۱٫۵ کیلووات در رک است؛ ولی تجهیزات معمول فاوا دارای توان مصرفی ۳ تا ۲۰ کیلووات در رک هستند.

بدین ترتیب برای تعیین توان مصرفی مرکزداده، به روش جدیدی نیاز هست که کامل‌تر باشد؛ روش بهبودیافته‌ای که نیازهای زیر را برآورده سازد:

• تضمین سازگار بودن با تجهیزات پرظرفیت فاوا
• پرهیز از هدررفت در بخش برق، فضا، هزینهٔ سرمایه‌ای
• فراهم‌ساختن ابزار برای اعتبارسنجی برنامه‌های اجرای فاوا، مطابق با قابلیت‌های طراحی سرمایش و برق

در این مقاله به بیان روش بهبودیافتهٔ تعیین توان مصرفی می‌پردازیم؛ ساختن مرکزداده‌ای که دارای برق و سرمایش و رک مناسب برای مصارف پرظرفیت باشد. مدیریت‌کردن آن موضوع مقاله‌های دیگر اشنایدر الکتریک [2] است. برای نمونه به مقالهٔ «راهبردهای سرمایشی برای رک‌های با ظرفیت بسیار زیاد و انبوه سرورهای ‌خشابی» [3] مراجعه کنید.

روش‌های مختلف تعیین ظرفیت

مقاله‌هایی که منتشر شده‌اند، «توان مصرفی» را مانند یکدیگر تعریف نکرده‌اند. این مسئله‌ای است که سردرگمی بسیاری میان کاربران پدید می‌آورد. برای درک بهتر این تعاریف، به مرکزدادهٔ فرضی ۵۰۰ کیلوواتی جدول ۱ توجه کنید:

جدول ۱: مرکزدادهٔ فرضی ۵۰۰ کیلوواتی

پارامترهای مرکزدادهٔ ۵۰۰ کیلوواتی	مقدار
کل برق مصرفی در تجهیزات فاوا	۵۰۰ کیلووات
کل فضای اشغال‌شده با تجهیزات فاوا	۲۶۰ متر مربع
فضای جانبی سالن برای تجهیزات سرمایش و تابلو برق و غیره	۱۳۰ متر مربع
مجموع مساحت کف مرکزداده	۳۹۰ متر مربع
سطح اشغال (Footprint) هر رک فاوا	۰٫۶۲۲ متر مربع
تعداد رک	۱۰۰ رک

جدول ۲: تعاریف گوناگون از توان مصرفی مرکزداده؛ از هر یک از آن‌ها در تاسیسات واحد، مقدار متفاوتی به دست می‌آید.

تعریف‌هایی که در جدول ۲ می‌بینید همگی در ادبیات موضوع [4] و در انتشار مشخصات به کار می‌روند. آن چهار تعریف که از «وات بر متر مربع» استفاده می‌کنند مبهم هستند؛ مگر آنکه برای ابهام‌زدایی دربارهٔ آنچه در محاسبهٔ فضا و مقدار برق مصرفی به کار برده‌اند، توضیح روشن ارائه کنند. با این حال این اطلاعات اغلب در هنگام انتشار مقادیر ظرفیت ارائه نمی‌شوند. این مسئله در کارشناسان صنعت سردرگمی بسیاری پدید می‌آورد و کارکنان فاوا و طراحان تاسیسات و کارشناسان برنامه‌ریزی را به سوء ‌تفاهم دچار می‌سازد. دادهٔ جدول ۲ به‌خوبی نشان می‌دهد در تاسیساتی که همانند باشند، بسته به تعریف به‌کاررفته ممکن است تعیین مقدار ظرفیت تا ۸ برابر متفاوت باشد.

روشن‌ترین تعریف ظرفیت همان مقدار برق مصرفی «هر رک» است. از این روش رهنمود روشنی دربارهٔ الزامات برق و سرمایش هر رک به دست می‌آید. در تجهیزات فاوا، مصرف برق رک به‌وات برابر است با، نیاز به سرمایش به‌وات. در این مقاله نشان خواهیم داد که در تعیین‌کردن ظرفیت مرکزداده، بهره‌گرفتن از «مصرف برق هر رک» مزیت مهم دیگری نیز دارد. می‌توان گفت این روش موثرترین شیوهٔ بیان تغییر مقدار ظرفیت مرکزداده است.

توان مصرفیِ مرکزدادهٔ واقعی، همگن نیست. بعضی رک‌ها برق بیشتری مصرف می‌کنند و در نتیجه گرمای بیشتری تولید می‌کنند. برای نمونه در حالی که رک پچ‌پنل (Patch Panel) ممکن است هیچ برقی مصرف نکند، مصرف برق رک با سرور خشابی به بیش از ۲۰ کیلووات می‌رسد. به‌روزرسانی پی‌درپی فاوا نیز بر پیچیدگی این مشکل می‌افزاید. زیرا مقدار مصرف برق هر رکِ مشخص به‌دلیل به‌روزرسانی، به‌مرور زمان تغییر می‌کند. تعیین ظرفیت به‌روش سنتی، تمام این تغییرات را در نظر نمی‌گیرد و گذشت زمان از اثربخشی آن می‌کاهد.

محدودیت‌های تعیین ظرفیت با روش‌های سنتی

دو نمونهٔ زیر، محدودیت‌های دشوار موجود را در روش‌های سنتی تعیین ظرفیت نشان می‌دهد.

نمونهٔ اول: در نظر بگیرید که توان مرکزداده ۵۳۸ وات بر متر مربع باشد. اگر تعریف «کل بار فاوا تقسیم‌بر سطح اشغالِ همهٔ رک‌های فاوا و فاصلهٔ میان آن‌ها» را به کار ببریم، مقدار ۱٬۴۰۰ وات در هر رک (۵۳۸ وات بر متر مربع × ۲٫۶ متر مربع بر رک) به دست خواهد آمد. اکنون اگر مرکزداده را با قابلیت مصرف بیشینهٔ ۱٬۴۰۰ وات برق و حداکثر ۱٬۴۰۰ وات سرمایش در هر رک بسازیم، نیازها برآورده خواهد شد. از سویی انواع تجهیزات فاوا همچون سرورهای خشابی در تاسیسات هستند که توان آن‌ها بیش از ۱٬۴۰۰ وات در هر شاسی است. اجرای این تجهیزات در مرکزداده‌ای که با ظرفیت محدود به مقدار فقط ۱٬۴۰۰ وات در هر رک ساخته شده باشد، امکان‌پذیر نیست. چنین مرکزداده‌ای با بسیاری از انواع تجهیزات فاوا ناسازگار خواهد بود. همچنین اگر تجهیزات کم‌مصرف همچون پچ‌پنل، در یکی از رک‌ها نصب بشود، نمی‌توانیم برق مصرف‌نشدهٔ آن رک را در رک‌های دیگر استفاده کنیم. زیرا رک‌های دیگر نیز در برق و سرمایش خود محدود به ۱٬۴۰۰ وات هستند. بدین ترتیب مرکزداده‌ای ناکارآمد خواهیم داشت که با بسیاری از انواع تجهیزات فاوا ناسازگار است و از فضای درون رک، همچنین از ظرفیت برق و سرمایش، به‌شکل بهینه استفاده نمی‌کند.

نمونهٔ دوم: ظرفیت مرکزداده را به‌روش رک‌به‌رک مشخص می‌کنیم. یعنی اینکه توان و سرمایش هر رک به‌شکل دقیق محاسبه شود. برای به‌دست‌آوردن چنین مشخصاتی می‌توان طراحی کرد؛ تا مشخصات مرکزداده پیشاپیش به‌تمامی تعیین شود. این شرایط مطلوبی است؛ ولی متاسفانه تقریبا در هیچ مرکزدادهٔ واقعی نمی‌شود توان دقیق هر رک را از پیش مشخص کرد. نمی‌توان مصارف را در سطح هر رک و به‌دقت برای تمام عمر مفید مرکزداده تعیین کرد. در مواردی که ظرفیت واقعیِ اجرای فاوا با مشخصات اصلی سطح رک هم‌خوانی نداشته باشد، پیامدهای دشواری پیش خواهد آمد. برای نمونه چنانچه یکی از مصارف فاوا کمتر از توان تعیین‌شدهٔ رک اجرا بشود، توان اضافی و مصرف‌نشده را نمی‌توان در دیگر رک‌ها استفاده کرد؛ چون برق و سرمایش هر رک محدودهٔ مشخصی دارد. نتیجه اینکه، دربارهٔ اجراهای فاوای آیندهٔ چنین مرکزداده‌ای، اطلاعاتی ضروری است که معمولا به دست نمی‌آید.

دو نمونهٔ پیش‌گفته هر دو برای تعیین ظرفیت مرکزداده، روش‌های متداولی هستند. هر دو شیو‌ه یعنی بهره‌گرفتن از مشخصات کلی در سطح سالن و دیگری استفاده از مشخصات دقیق رک‌به‌رک، با محدودیت‌های اجراییِ سختی روبه‌رو هستند که موجب می‌شود سرانجام نتوانند انتظارات مشتری را برآورده سازند. رویکرد بهبودیافته به مشخصات می‌تواند انعطاف‌پذیری و انطباق‌پذیری را سازگار با مصارف فاوا ارتقا دهد و هم‌زمان بهره‌وری برق را همراه با به‌کارگیری برق و سرمایش و فضا به بیشترین مقدار برساند.

الزامات تعیین ظرفیت

اکنون الزامات روش بهبودیافتهٔ تعیین ظرفیت را بیان می‌کنیم:

• پیش‌بینی‌پذیری: باید بتوان برای هر رک، در هر مکان، با هر نصب تجهیزات فاوا که باشد، چه پیشنهادی چه واقعی، ظرفیت برق و سرمایش را مشخص کرد.
• پذیرش بخشی از الزامات مشخص‌شدهٔ آینده: از پیش مشخص‌بودن مقدار دقیق توان، نباید برای هر مکان رک ضروری باشد. عمر مفید تجهیزات فاوا در عمل تنها کسری از عمر مفید مرکزداده است؛ زیرا تجهیزات پی‌درپی کنار می‌روند و با تجهیزات جدید جایگزین می‌شوند.
• قابلیت به‌اشتراک‌گذاشتن توان و سرمایش: باید بتوان مقدار برق و سرمایش استفاده‌نشدهٔ هریک از رک‌ها را در دیگر رک‌ها استفاده کرد.
• کمترین هدررفت: ناکارآمدی بهره‌وری برق باید کمترین مقدار باشد. باید بتوان از همهٔ برق و سرمایش و فضای موجود استفاده کرد. همچنین هزینهٔ سرمایه‌ای و عملیاتی باید به کمترین مقدار برسد.
• پشتیبانی از اجرای مرحله‌‌به‌مرحله: تعیین ظرفیت باید از اجرای مرحله‌به‌مرحله پشتیبانی کند. ممکن است مراحل اجرا دارای ظرفیت متفاوت باشند؛ ولی دادهٔ مراحل بعدی از پیش مشخص نباشد.

با اینکه برخی الزامات بالا متناقض هستند، می‌توان از آن‌ها به‌عنوان پایه در تدوین روش بهبودیافتهٔ تعیین ظرفیتِ برق مرکزداده بهره گرفت.

محدودیت‌های اجرایی و گزینه‌ها

روش اجرایی برای تعیین توان مصرفی می‌باید محدودیت‌ها و همچنین گزینه‌های واقعی و عملیِ موثر در طراحی مرکزداده را در بر گیرد. در اینجا تعدادی از محدودیت‌ها و گزینه‌ها را با تاثیرشان بر تعیین ظرفیت توضیح می‌دهیم:

• توسعهٔ توزیع برق: هزینه و پیچیدگیِ سیستم توزیع برق، تابع غیرخطی از توان است. برای نمونه مقدار هزینهٔ ورودی برق سه‌فازِ ۱۸ کیلووات، ۳ برابر هزینهٔ ورودی برق تک‌فاز ۶ کیلووات نیست. برای توزیع برق AC به‌تعداد انطباق کلیدهای قدرت با پریزها و خطای کلیدزنی، ظرفیت بهینه وجود دارد. این مشکلات و مدارهای بهینهٔ توزیع برق در مقالهٔ «گزینه‌های تامین برق رک پرظرفیت مرکزداده در کشورهای با برق متناوب ۲۳۰ ولت (AC)» [5] بیان شده است. مشخصات وابسته به توزیع برق می‌باید متناسب با برآوردهای بهینهٔ مدارها تعیین بشود که بسته به مکان جغرافیایی فرق می‌کند.
• محدودیت‌های هوارسانی: هوارسانی مرکزداده عامل محدودکنندهٔ اصلیِ توان مصرفی رک است. تجهیزات فاوا به‌ازای هر کیلووات به حجمی برابر با ۴۷٫۲ تا ۷۵٫۵ لیتر بر ثانیه هوا نیاز دارند. بسیاری از مراکزداده یا از پیش کف کاذب داشته‌اند یا سقف سالن آن‌ها ارتفاع کافی ندارد. این مسئله موجب محدود شدن ارتفاع هر نوع کف کاذبی می‌شود. در چنین وضعیتی اگر کف کاذب بخشی از سیستم هوارسانی باشد، جابه‌جاکردن حجم هوای زیر کف محدودیت‌های اجرایی خواهد داشت. این مسئله از مقدار میانگین و مقدار اوج توان مصرفی دست‌یافتنیِ هر رک می‌کاهد. به همین دلیل است که میانگین توان مصرفی بسیاری از نصب‌های امروزی به حدود ۵ کیلووات در رک محدود مانده است. برای دست‌یافتن به ظرفیت بیش از این مقدار می‌باید تهویهٔ مطبوع مکمل و تجهیزات هوارسانی بیشتری نصب کرد. زیرا اگر مصرف توان از مقدار بحرانی بگذرد، ممکن است هزینه بسیار افزایش یابد. در اینجا با انتخاب روش مناسبِ تعیین ظرفیت می‌توان پیش از بروز مشکل آن را شناسایی کرد و برطرف ساخت.
• مسئلهٔ وزن: تحمل وزن کف سالن در بعضی از تاسیسات کم است. به‌ویژه کف کاذب‌های موجود این اشکال را دارند. تجهیزات فاوای بسیار پرظرفیت، اغلب سنگین نیز هستند و بار وزنی زیادی به کف وارد می‌آورند. بار مُجاز کف در برخی از موارد، محدودیت اجرایی مهمی برای نصب پرظرفیت است. نتیجه اینکه، توان مصرفی در تعیین ظرفیت باید سنجیده انتخاب شود تا از بازهٔ مجاز بار کف نگذرد.
• فضای رزرو شدهٔ کف: در بسیاری از مراکزداده، بخشی از سطح کف را برای کاربردهای غیر از ظرفیت در نظر می‌گیرند. این فضاها ممکن است برای ذخیره‌ساز نواری یا برای محیط کار کاربران یا فضاهای ویژهٔ دسترسی (Special Access Areas) به کار روند. نتیجه اینکه، مدل تعیین ظرفیت می‌باید چنین فضاهایی را داشته باشد؛ اما برای اجرای برق یا سرمایش پرظرفیت به آن‌ها وابسته نباشد.
• قابلیت گستردن بار مصرف: پخش‌کردن فیزیکی در مرکزداده برای بیشتر مصارف فاوای امروزی، گزینه‌ای اجرایی به شمار می‌رود که دلیل آن فراگیر شدن استفاده از کابل‌کشی فیبر نوری است. اجراکردن تجهیزات با بیشترین ظرفیت ممکن، در بسیاری از موارد ضروری یا مطلوب نیست. سرورهای خشابی و سرورهای 1U نمونهٔ تجهیزات فاوای پرظرفیت هستند که برای کاهش بار مصرفی می‌توان آن‌ها را به‌سادگی در میان رک‌ها پخش کرد. پرکردن رک‌ها با سرورهای خشابی یا 1U موجب می‌شود از همهٔ فضا بهینه استفاده شود. ولی هم‌زمان باید به این نکته نیز توجه داشت که مزیت این کار در بسیاری از موارد واقع‌بینانه نیست. زیرا فراهم‌ساختن توان مصرفی و سرمایش زیاد در رک، اغلب بسیار گران‌تر از اضافه‌کردن چند رک جدید درمی‌آید. نتیجه اینکه، مدل تعیین ظرفیت نباید مقادیر ظرفیت را تنها با نظر به قابلیت تجهیزات تعیین کند؛ بلکه باید امکان پخش‌کردن بارهای مصرفی و بهینه‌سازی هزینه و پایایی (Availability) کل سیستم را نیز در نظر بگیرد.
• محدودیت‌های فضای واقعی در یک مکان مشخص: محدودیت‌های واقعی در فضای فیزیکی هر مکان مشخص، آشکارا بر ارزش افزایش ظرفیت اثر می‌گذارد. بسیاری از تاسیسات موجود که کم‌ظرفیت طراحی شده‌اند، اکنون دریافته‌اند بهره‌گرفتن از ظرفیت زیاد از دشواری کمبود فضا می‌کاهد. ولی گاهی فشرده‌سازی فضای فاوا مزیت چندانی ندارد. از سوی دیگر بعضی تاسیسات به تنگنای کمبود فضای فیزیکی دچارند. برای نمونه ممکن است فضای طبقه بسیار گران‌قیمت باشد یا نتوان آن را دست‌کاری کرد. نتیجه اینکه، روش تعیین ظرفیت باید ارزش فضای فیزیکی و محدودیت‌های آن را نیز در نظر بگیرد.

کمبود فضای زیرساخت برق و سرمایش

زیرساخت برق و سرمایش همان جایی را اشغال می‌کند که می‌توان برای تجهیزات فاوا استفاده کرد. گاهی تجهیزات برق و سرمایش را از محیط فاوا بیرون می‌برند و به اتاق کناری منتقل می‌کنند. ولی آن را هم باید هدررفت دانست که در تامین ظرفیت نقش کاهنده دارد. سطح اشغال‌شده با زیرساخت برق و سرمایش را می‌توان به‌شکل «معادل با سطح رک» بیان کرد که با افزایش نیاز به ظرفیت برق و سرمایش افزایش می‌یابد. شکل ۱ این تاثیر را نمایش می‌دهد.

شکل ۱: تاثیر تعیین متوسط ظرفیت رک بر درصد فضای رک‌های فاوا؛ منحنی‌های این جدول از فرمول‌های بیان‌شده در بخش پیوست همین مقاله به دست آمده است.

نمودار شکل ۱ به‌روشنی نشان می‌دهد چگونه با افزایش میانگین توان مشخص‌شده برای هر رک فاوا (توان مصرفی)، سطح اشغال تجهیزات فاوا کاهش می‌یابد. محور افقی بیانگر میانگین توان مشخص‌شده به‌ازای هر رک است. محور عمودی نشان‌دهندهٔ آن بخش از فضایی قرارگیری رک‌ها است که با زیرساخت برق و سرمایش (UPS، PDU ،CRAC) اشغال شده و دیگر نمی‌توان برای فاوا استفاده کرد. سیستمی که منحنی قرمز نمایش می‌دهد، دو مسیر برق دارد (2N) و از یک CRAC افزونه (N+1) بهره می‌برد. این طراحی برای مصارف پرظرفیت رایج است. توجه کنید در مرکزدادهٔ معمول امروزی که با توان ۱٫۵ کیلووات در رک کار می‌کند، تقریبا ۱۵ درصد از فضای کف از دست می‌رود. افزایش مشخصات ظرفیت به‌شکل چشمگیری فضا را به هدر می‌دهد. هنگامی که میانگین توان مشخص‌شده در هر رک از ۷ کیلووات بیشتر می‌شود، تجهیزات برق و سرمایش بیش از ۵۰ درصد از فضا را اشغال می‌کنند که دیگر نمی‌توان از آن برای رک‌های فاوا استفاده کرد. اینکه ظرفیت واقعی از ظرفیت برآوردشده بسیار کمتر باشد نیز وضعیت را تغییر نمی‌دهد؛ زیرا در هر حال تجهیزات برق و سرمایش این مقدار از فضا را اشغال خواهند کرد. اکنون به قاعده‌ای می‌رسیم که راهنمای طراحی پرظرفیت است: تعیین ظرفیت به‌مقدار بیشتر از نیاز مرکزداده، موجب کاهش غیرضروری فضای تجهیزات فاوا می‌شود. این کاهشِ فضا هدررفت مهمی است که افزایش هزینه و هزینهٔ عملیاتی را نیز به دنبال دارد. به همین دلیل می‌باید تعیین ظرفیت به‌شکل کارآمد برنامه‌ریزی شود و سیستم‌های پرظرفیت برق و سرمایش، اگر بشود تنها در موقع نیاز توسعه یابند.

تقسیم‌بندی فضا به ناحیه‌های ظرفیتی

الزاماتی که پیش‌تر بیان کردیم به‌روشنی نشان می‌دهد مرکزداده ناگزیر از داشتن نواحی ظرفیتی گوناگون است. این کار برای اجرا و گسترش مرحله‌‌به‌مرحلهٔ تاسیسات ضرورت دارد. جایگزین این روش، تعیین‌کردن ظرفیت کل مرکزداده به‌مقدار بیشینهٔ مصرف آینده (۳ تا ۸ برابر) است؛ ولی از بهره‌وری الکتریکی می‌کاهد.

تقسیم‌بندی مرکزداده به نواحی ظرفیتی، حتی برای اجرای تک‌مرحله‌ای نیز دارای مزایای بسیاری است. برای نمونه تفاوت ظرفیتی زیادی میان سرور خشابی و دستگاه ذخیره‌ساز وجود دارد. مرکزداده‌ای که این دو را از هم جدا کند، از طراحی با بخش‌های ظرفیتی گوناگون مزایای چشمگیری به دست می‌آورد. حتی چنانچه با این کار مصرف برق کل مرکزداده تغییر نکند، بازهم این مزایا ارزشمند خواهند بود. اگر جاگذاری رک‌های سرور و ذخیره‌سازها اتفاقی و بدون برنامه باشد، سیستم توزیع برق و سرمایش باید بیشینهٔ ظرفیت را برای همهٔ مکان رک‌ها فراهم سازد. ولی اگر برای نصب ذخیره‌سازها پیشاپیش ناحیهٔ کم‌ظرفیت تعیین بشود، می‌توان برق و سرمایش را با ظرفیت کمتر به کار گرفت. این کار از هزینهٔ سرمایه‌ای و هزینهٔ عملیاتی می‌کاهد و بهره‌وری برق را بهتر می‌کند.

بخش‌های ظرفیتی مرکزداده را در پلان کف با تقسیم‌کردن رک‌ها در چند ناحیه می‌توان مشخص کرد. توجه به تجربه‌های موفق پیشین نشان می‌دهد بهتر است تقسیم‌بندی ناحیه‌ها دل‌بخواهی نباشد و همیشه با ردیف‌ها انجام بشود. «ردیف» عبارت است از گروهی از رک‌های با اندازه‌های گوناگون که در کنار یکدیگر چیده شده‌اند. «ردیف» برای انتخاب ناحیهٔ ظرفیتی به دلایل زیر  یکای (Unit) مناسبی است:

• بیشتر معماری‌های توزیع برق رک، بر پایهٔ ردیف هستند.
• بیشتر معماری‌های هوارسانی رک، بر پایهٔ ردیف هستند.

به همین دلیل است که ردیف برای تعیین نیاز ظرفیت، بهترین و مقرون‌به‌صرفه‌‌ترین یکا به شمار می‌رود. ازاین‌رو این مقاله به «ردیف‌ها» به‌عنوان سطحِ تعیین ظرفیت برای نواحی مرکزداده می‌پردازد.

راهبرد اجرا

برای تعیین نیاز ظرفیت باید تغییرات تدریجی مصارف فاوا همچنین اجرای مرحله‌ای به‌درستی درک شده باشد. از سویی دربارهٔ تغییرات تدریجی زیرساخت برق و سرمایش نیز باید مفروضاتی را در نظر گرفت.

این فرض غیرمنطقی است که تجهیزات موجودِ توزیع برق و هوارسانی خودشان را با تغییر مصارف فاوا سازگار خواهند کرد. در هنگام تغییر دادن این سیستم‌ها، همانند کارهایی که بر روی مدارهای برق‌دار یا لوله‌های آب انجام می‌شود، امکان دارد ضروری شود بعضی از رک‌ها بلکه کل مرکزداده خاموش بشود. مستندات موجود نشان می‌دهد تغییر تجهیزات عملیاتی پس از خطای انسانی مهم‌ترین دلیل توقف کارکرد مرکزداده است. به همین دلیل نیز تجربه‌های موفق پیشین توصیه می‌کنند هر ردیف یا ناحیه، تجهیزات توزیع برق و سرمایش خودش را داشته باشد تا پیکربندی آن در کل عمر مفید ناحیه یا ردیف تغییر نکند.

اکنون مطابق با این تجربه‌های موفق، خلاصه‌ای از راهبرد مناسبِ اجرای عملی را برمی‌شماریم:

• هنگام جانمایی ردیف‌های رک در پلان کف، برای اندازه‌های دالان از مقادیر استاندارد استفاده کنید. [مطالعه دربارهٔ چیدمان سالن]
• نخست مشخصات ظرفیت هر ردیف را طراحی کنید، سپس یک ردیف کامل برای فراهم‌کردن ظرفیتِ مشخص‌شده بسازید.
• دستگاهی را که با پارامترهای مشخص‌شده در طراحی یک ردیفِ نیمه‌کاره هم‌خوانی داشته باشد، به‌احتمال زیاد می‌توان در آن ردیف نصب کرد.
• اگر تجهیزاتی برای نصب داشتید که ظرفیت آن‌ها با ردیف نیمه‌کاره به‌کلی متفاوت بود، برای خوراندن آن‌ها به ردیف، سیستم برق و سرمایش را تغییر ندهید؛ بلکه ردیف جدیدی بسازید که برای ظرفیت بیشتر طراحی شده باشد.
• ردیف‌هایی را که تعداد رک کمتری دارند، رفته‌رفته حذف کنید. سپس آن‌ها را برای ظرفیت دیگری بازسازی کنید که با نیازهای کنونی هم‌خوانی بیشتری داشته باشد.

استفاده از این راهبرد بسیار توصیه می‌شود؛ زیرا خطای انسانی را در هنگام تغییر ردیف‌های عملیاتی به کمترین مقدار می‌رساند. این راهبرد که عملی و موثر است، مدل‌های تعیین ظرفیت را محدود می‌سازد. زیرا توزیع برق و سرمایش را پس از نصب در سیستم ردیفی تغییر نمی‌دهد.

توجه داشته باشید که با برخی از محصولات توزیع برق و سرمایش موجود در بازار می‌توان بدون خطر ازکارافتادگی مرکزداده، معماری برق و سرمایش را دوباره پیکربندی کرد. برای نمونه سیستم InfraStruXure است که با آن می‌توان:

• با افزودن ماژولِ دارای قابلیت اتصال سوکتی، توان UPS را تغییر داد.
• با استفاده از PDUهای بدون قطع سرویس (Hot-Swappable PDU)، نوع و ظرفیت پریزهای رک را تغییر داد.
• با استفاده از دستگاه‌های رک‌پایهٔ (Rack-Mounted) دارای سوکت برق، به جریان هوای سرد رک ظرفیت مکمل افزود.

این نوع تجهیزات پس از نصب، انعطاف‌پذیری بیشتری فراهم می‌کنند و به‌ویژه برای تاسیسات کوچک‌تری مفید هستند که در آن‌ها مرحلهٔ اجراکردن ردیف امکان‌پذیر نیست.

مقایسهٔ اوج مصرف با متوسط ظرفیت در ردیف یا ناحیه

اگر توان مصرفی همهٔ رک‌ها مانند هم باشد، تعیین ظرفیت آسان می‌شود. ولی پژوهش‌ها نشان می‌دهد چنین چیزی عملی نیست و کمتر به نصب‌های واقعی شبیه است. در واقع ظرفیت رک‌ها از صفر (پچ‌پنل) تا ۳۰ کیلووات (سرورهای خشابی پرظرفیت) فرق می‌کند. این مسئله بر ماهیت تعیین موثر ظرفیت تاثیر آشکاری دارد.

در ردیف یا ناحیه‌ای از رک‌ها که دارای توان متغیر باشد، میانگین توان رک از اوج مصرف آن کمتر است. در نتیجه نسبت مهمِ «اوج مصرف به متوسط واقعی توان رک» همواره مساوی ۱ یا بزرگ‌تر خواهد بود. بهتر است در طراحی هر ردیف، چند روش جایگزین برای تعیین توان مصرفی در نظر بگیرید که با فرض رک‌های با توان گوناگون، از ترکیب مشخص‌شدهٔ رک‌ها پشتیبانی کند.

طراحی همهٔ رک‌های ردیف برای اوج مصرف: در این روش، ظرفیت برق و سرمایش برای ردیف چنان طراحی می‌شود که از بیشینهٔ توان مصرفی هر رک پشتیبانی کند. بدین ترتیب ظرفیت را با این فرض برآورد می‌کنند که مصرف برق تمام رک‌ها با حداکثر توان است؛ از همین رو برآورد را بسیار بیشتر از نیاز در نظر می‌گیرند. این مسئله موجب می‌شود هزینهٔ سرمایه‌ای و عملیاتی افزایش یابد و از بهره‌وری برق کاسته شود. اگر نسبتِ مقدار اوج مصرف هر رک بر میانگین توان مصرفی آن برابر با ۱ باشد، هدررفت جبران می‌شود و به صفر می‌رسد. ولی هرگاه مقدار این نسبت در هر ردیف ۱٫۵ یا بیشتر باشد، هدررفت چشمگیر خواهد بود. افزون بر این تعیین‌کردن توان متناسب با بیشینهٔ نیاز، یعنی برای دشوارترین وضعیت ممکن، راهکار «گستردن مصارف پرظرفیت در میان رک‌ها» را نادیده می‌گیرد. در حالی که بهره‌گرفتن از این راهکار، مقدار نسبت اوج مصرف به میانگین توان مصرفی هر رک را کاهش می‌دهد. به‌طور کلی این شیوه بهینه نیست؛ مگر آنکه نسبت مقدار اوج مصرف به میانگین توان مصرفی هر رک، نزدیک به ۱ باشد؛ که بی‌شک در واقعیت به‌ندرت چنین چیزی دست می‌دهد.

طراحی همهٔ رک‌های ردیف برای میانگین توان: در این روش همهٔ رک‌ها را برای مصرف توانِ متوسط طراحی می‌کنند. این روش ساده است؛ ولی همچون روش قبلی اما به‌دلایل متفاوت مناسب نیست. در اجرای این روش، رک‌هایی را که مصرف بیشتر از مقدار توان متوسط داشته باشند، کنار می‌گذارند. با این کار مصرف همگی رک‌ها برابر یا کمتر از مقدار متوسط می‌شود. این شیوه محدودیت کم‌اهمیت‌تر دیگری نیز دارد. اینکه وجود رک‌های با ظرفیت واقعیِ کمتر از مقدار تعیین‌شده در طراحی، موجب افزایش ظرفیت بی‌استفادهٔ برق و سرمایش می‌شود؛ ولی این ظرفیت اضافی را نمی‌توان به‌استفادهٔ رک‌های دیگر رساند. علت آن است که هر ردیف را طراحی کرده‌اند تا فقط برق و سرمایش را به‌مقدار متوسط رک‌ها فراهم کند. به این نمونه توجه کنید: کاربر فاوا می‌خواهد شاسی خشابیِ ۴ کیلوواتی را در ردیفی نصب کند که برای توان ۲ کیلووات در رک طراحی شده است. امکان دارد کسی بگوید رک استفاده‌نشده‌ای را در نزدیکی آن پیدا کنید و ۲ کیلووات از توان بی‌استفادهٔ آن رک دیگر را با انشعاب برق، برای شاسی خشابی به اینجا بیاورید. ولی فراهم‌ساختن سرمایش برای این مصرف ۴ کیلوواتی مشکل‌ساز خواهد شد. زیرا سیستم سرمایش برای خنک‌کردن رکِ با توان بیش از ۲ کیلووات طراحی نشده است. افزون بر این، خود آن رک که برق را داده بی‌استفاده خواهد ماند؛ زیرا توان آن را به رک دیگری داده‌اند.

مقایسه‌کردن شیوه‌های پیشنهادی بالا با الزامات، آشکار می‌کند که «نسبت اوج مصرف بر میانگین توان هر رک در یک ردیف» عامل اصلی در تعیین ظرفیت است که باید مشخص شود و مقدار آن نیز بیشتر از ۱ باشد. بی‌شک انتخاب مناسب این مقدار به تنوع رک‌ها نیز بستگی دارد. شکل ۲ این ارتباط را در مرکزدادهٔ معمول، برای محدودیت‌ها و پیش‌فرض‌های طراحی نمایش می‌دهد.

شکل ۲: تاثیر مقدار «نسبت اوج مصرف بر میانگین توان رک»، به بهای تمام‌شدهٔ برق و سرمایش؛ با سطوح گوناگون تنوع ظرفیتِ واقعی در میان رک‌ها

شکل ۲ تاثیر مقدار «نسبت اوج مصرف بر میانگین توان رک‌ها» را بر هزینهٔ «بهای تمام‌شدهٔ [6] زیرساخت برق و سرمایش در هر کیلووات از مصارف تجهیزات فاوا» نمایش می‌دهد و سه سناریو از تنوع ظرفیت واقعی رک را برای آن در نظر گرفته است. دادهٔ موجود نشان می‌دهد هنگامی که برق مصرفی همهٔ رک‌ها یکسان است، اگر نسبت اوج مصرف بر میانگین توان رک‌ها برابر با ۱ باشد، آنگاه بهای تمام‌شده بهینه خواهد بود؛ یعنی کمترین مقدار است. این تاثیر ازآن‌رو اهمیت دارد که با افزودن بر قابلیت مصرف توان رک، هزینهٔ توزیع برق و سرمایش افزایش می‌یابد. ولی اگر  مصرف برق همهٔ رک‌ها یکسان باشد، این مسئله موجب تغییر در مقدار دیگری نخواهد شد. با این حال افزایش تنوع مقادیر واقعی مصرف رک‌ها، موجب هدررفت چشمگیری می‌شود؛ حتی هنگامی که شاخص نسبت اوج مصرف بر میانگین توان افزایش نیابد. دلیل این هدررفت، ظرفیت بی‌استفادهٔ برق و سرمایش است، همچنین این ضرورت که از سطح کف برای مصارف فاوا بیشتر استفاده بشود. نتیجه اینکه در نصب واقعی می‌توان با بیشتر از ۱ بودنِ مقدار نسبت اوج مصرف به میانگین توان رک، بهای تمام‌شده را بهینه ساخت.

آنچه تاکنون گفتیم ما را به‌سوی عامل مهم دیگری در تعیین موثر ظرفیت مرکزداده هدایت می‌کند: «نسبت اوج مصرف به میانگین توان مصرفی هر رک در هر ردیف» را می‌باید در طراحی‌های معمول، تقریبا ۲ در نظر گرفت. اگر میزان تغییرات نسبت واقعی اوج مصرف به میانگین توان بیشتر از ۲ برآورد شود، آنگاه می‌توان مصارف فاوای با بیشترین ظرفیت را در میان رک‌ها پخش کرد یا مصارف دورتر را به ردیف‌های دیگر منتقل ساخت.

تعیین‌کردن ظرفیت به‌شکل اصولی

پس از مشخص‌شدن مقدار اوج مصرف و میانگین توان مصرفیِ ردیف یا ناحیه، می‌توان طرحی انتخاب کرد که این مشخصات را اجرا کند. در این موارد اگر مقدار اوج مصرف رک به مقدار میانگین توان نزدیک باشد، اجرا آسان‌تر خواهد بود. ولی هنگامی که این نسبت برای هر ردیف ۱٫۵ یا بیشتر باشد، دشواری‌ها و هزینهٔ اجرای طراحی انتخاب‌شده افزایش می‌یابد. اگر تاسیسات با سیستم هوارسانی کف کاذب کار کند، مشکل بتوان بااطمینان شرایطی را ترتیب دارد که رک‌ها با حداکثر توان کار کنند ولی مصرف‌شان از میانگین توان بیشتر نشود. چنانچه برای اجرای ظرفیت از روش اصولی استفاده بشود، افزایش‌دادن مقدار میانگین کلی و اوج مصرف توان عملی خواهد بود.

در اینجا می‌خواهیم بفهمیم روش اصولی چه مشکلی را برطرف می‌کند. مرکزداده‌ای را در نظر بگیرید که سرمایش آن با کف کاذب کار می‌کند و نسبت اوج مصرف به میانگین توانِ آن برابر ۲ توصیه شده است. اکنون می‌خواهیم در این تاسیسات یک ردیف نصب کنیم. از دید سیستم برق، باید توان هر رک را به‌مقدار بیشینهٔ مصرف توزیع کرد. ولی توان از PDU یا UPS فراهم می‌شود که ظرفیت‌شان برابر حاصل‌ضرب میانگین توان رک در تعداد رک‌های فاوا است. اجرای طرح تا اینجا آسان است. اما از دید سیستم سرمایش، هوارسانی هریک از رک‌ها به آن مقدار مناسبی نمی‌رسد که دو برابر متوسط ظرفیت‌شان باشد. رک‌هایی که با ظرفیت بیشتر از میانگین توان کار می‌کنند، باید مقداری از ظرفیت بی‌استفادهٔ رک‌های کناری را به کار گیرند؛ یعنی آن رک‌هایی که ظرفیت‌شان کمتر از میانگین توان باشد. بدین ترتیب در سرمایشِ با کف کاذب که ظرفیت جریان هوا محدود است، می‌توان رک‌های پرظرفیت هر ردیف را از یکدیگر جدا کرد و اضافه‌باری را که به بخش‌هایی از سیستم سرمایش وارد می‌شود، به‌مقدار چشمگیری کاهش داد. اگر تعیین ظرفیت از قواعدی پیروی کند که مکان قرارگیری رک‌های پرظرفیت را در هر ردیف مشخص سازد، می‌توان مقدار بیشینه و متوسط ظرفیت رک را با توجه به محدودیت‌های سیستم افزایش داد.

نمونهٔ این قواعد ساده چنین است: «هر رک فقط به‌اندازه‌ای می‌تواند بیشتر از مقدار متوسط خود مصرف کند، که رک کناری کمتر از مقدار متوسط خودش مصرف کرده است». همچنین با به‌کاربردن قواعد پیچیده‌تر می‌توان ظرفیت برق قابل پیش‌بینی هر رک را (دست‌یافتنی در همان اجرا) به بیشترین مقدار رساند. این قواعد را می‌توان در سیستم‌ مدیریت برق و سرمایش به کار گرفت. [7]

تعیین گزینه‌های ظرفیت برای توسعهٔ آینده

بسیاری از مراکزداده را یک‌باره و با بیشترین ظرفیت پیش‌بینی‌شدهٔ تاسیسات نمی‌سازند؛ بلکه رفته‌رفته توسعه می‌دهند. در چنین وضعیتی همیشه پیشاپیش نمی‌توان ظرفیت ردیف‌ها یا ناحیه‌های برنامه‌ریزی‌نشده را تعیین کرد. هر روش عملی در تعیین ظرفیت مرکزداده باید به الزامات آینده نیز توجه کند. بی‌شک پیش‌بینی ظرفیت آتی و پشتیبانی از گزینه‌های ظرفیت اجراهای آینده، کار دشواری است. در حالت مطلوب، هزینه و تعهدات مرتبط با اجرای زیرساخت برق و سرمایش تا بشود به تاخیر می‌افتد. افزون بر این، مراحل بعدی توسعهٔ مرکزداده نباید موجب کاهش پایایی (Availability) تجهیزات فاوایی بشود که پیش‌تر نصب شده‌اند.

یک گزینهٔ متداول، پیشاپیش اجراکردن زیرساخت برق و سرمایش است؛ چنان‌که از توان مصرفیِ از پیش تعریف‌شده پشتیبانی کند. با به‌کار گرفتن تجهیزات از پیش نصب‌شده، از این مزیت اطمینان خواهیم داشت که در مرکزدادهٔ درحال‌کار، برای اجرای مراحل آیندهٔ فاوا نیازی به انجام عملیات دشوار نیست. این روش کاستی‌های هزینه‌ای بسیاری دارد:

• امکان دارد ظرفیت آیندهٔ فاوا از ظرفیت زیرساخت برق و سرمایش بیشتر بشود. نتیجه اینکه به‌شکل کارآمد اجرا نخواهد شد.
• امکان دارد ظرفیت آیندهٔ فاوا از ظرفیت زیرساخت برق و سرمایش کمتر بماند. نتیجه اینکه سرمایهٔ زیادی که صرف زیرساخت شده، به هدر خواهد رفت.
• امکان دارد تاسیسات به‌دلایل قانونی یا دیگر مشکلات کسب‌وکار، هرگز توسعه نیابد یا به‌ناچار توسعهٔ آن در مکان دیگری اجرا شود. نتیجه اینکه سرمایهٔ زیادی که صرف زیرساخت شده به هدر خواهد رفت.
• امکان دارد مصارف نزدیک‌مدتِ مرکزداده، از ظرفیت زیرساخت برق و سرمایش بسیار کمتر باشند. نتیجه اینکه بهره‌وری برق دچار کاهش چشمگیر می‌شود و هزینهٔ غیرضروری برق بسیار افزایش می‌یابد.
• نصب پیشاپیش زیرساخت برق و سرمایش به‌مقدار بیشتر از نیاز، موجب تحمیل هزینهٔ سرمایه‌ای تجهیزات و هزینهٔ غیرضروری قراردادهای نگهداری می‌شود.

مدل کارآمد تعیین ظرفیت برای پیش‌گیری از این مشکلات، می‌باید از روش ماژولار در طراحی و اجرای زیرساخت برق و سرمایش پشتیبانی کند. پایهٔ این معماری دو چیز است: پیشاپیش نصب‌کردن ورودی‌های برق همچون ورودی برق و سرمایش در سطح ردیف یا ناحیه؛ به‌تاخیر انداختن نصب اجزای گران‌قیمت زیرساخت برق و سرمایش همچون UPS، PDU، رک، توزیع برق در ردیف، دستگاه تهویهٔ مطبوع، تجهیزات هوارسانی. تصمیم‌گیری دربارهٔ تعیین‌کردن ظرفیت کنونیِ هر ردیف یا ناحیه، باید وابسته به وضعیت هنگام اجرا باشد. همچنین زیرساخت برق و سرمایش باید به‌روش ردیف‌به‌ردیف اجرا بشود. سیستم InfraStruXure نمونه‌ای از این‌ معماری است.

آنچه دربارهٔ روش پیشنهادی تعیین ظرفیت گفتیم، ما را به عامل مهم دیگری رهنمون می‌شود: ردیف‌ها و نواحی مرکزداده را که قرار است در آینده اجرا بشوند، باید برای بیشترین مقادیر ظرفیت یعنی بدترین شرایط برنامه‌ریزی کرد. همچنین کابل‌کشی برای برق ورودی اصلی و لوله‌کشی‌ها را می‌باید از پیش چنان اجرا کرد که قابلیت پشتیبانی از چنین ظرفیتی را داشته باشد. با این حال انتخاب تجهیزات واقعی برق و سرمایش برای ردیف‌ها، باید تا زمان اجرای ظرفیت به‌تاخیر بیفتد. بدین ترتیب عوامل هزینه‌بر اصلیِ زیرساخت برق و سرمایش، متناسب با مصارف واقعی برآورد می‌شوند و در همان زمان و مکانی به‌اجرا درمی‌آیند که به آن‌ها نیاز هست. در نتیجه هزینهٔ سرمایه‌ای و هزینهٔ عملیاتی بسیار کاهش می‌یابد و مرکزداده از نظر مصرف انرژی بسیار کارآمد می‌شود.

مدل

اکنون می‌توان برای تعیین توان مصرفی، مدلی ایجاد کرد که الزامات از پیش تعریف‌شده را برآورده سازد و موانع و محدودیت‌های اجرایی گوناگون را در بر گیرد. چنین مدلی باید از موارد مهم زیر پیروی کند:

• چیدمان فیزیکی مرکزداده بر اساس ردیف‌های رک باشد.
• هر ردیف نیازمند به دادهٔ جدول ۳ است.

جدول ۳: دادهٔ ضروری برای سطح ردیف

داده	واحد	توضیحات	کاربرد اصلی
تعداد مکان‌های رک [8]	تعداد	تعداد رک‌هایی که در هر ردیف قرار می‌گیرند. شامل همهٔ مکان‌های رک که بسته به معماری ممکن است در نهایت بخش‌هایی از آن را تجهیزات برق و سرمایش اشغال کنند.	مشخص‌کردن نیاز کلی برق و سرمایش هر ردیف
میانگین توان رک در هر ردیف	کیلووات بر رک	میانگین توان مصرفی رک‌های فاوا در یک ردیف مشخص، که برای هریک از ردیف‌های داخل سالن باید مشخص بشود.	مشخص‌کردن الزامات توزیع برق و سرمایش انبوه برای یک ردیف
بیشینه توان رک در هر ردیف	کیلووات بر رک	اوج مصرف برق به‌ازای هریک از رک‌های فاوای یک ردیف مشخص، که برای هر ردیف داخل سالن باید مشخص بشود.	مشخص‌کردن طراحی سیستم توزیع برق و هوارسانی در سطح رک

• برای ردیف‌هایی که در آینده اجرا می‌شوند، باید بیشترین مقدار واقعی اوج مصرف و میانگین توان رک را در نظر گرفت. توجه کنید که کاهش این مقادیر تنها با پذیرفتن زیانی جزئی به دست می‌آید. این زیان ناشی از برآورد بیشتر از نیاز، برای کابل‌کشی ورودی برق و لوله‌کشیِ پیش از اجرا است.
• با استفاده از اطلاعات بالا دادهٔ جدول ۴ محاسبه می‌شود:

جدول ۴: محاسبهٔ دادهٔ ظرفیتی

داده	واحد	توضیحات	کاربرد اصلی
کل رک‌های فاوای در دسترس	تعداد	تعداد رک‌های فاوا که در طراحی در دسترس هستند، همچنین آن‌بخش از مکان‌های رک که برای زیرساخت برق و سرمایش در نظر گرفته شده‌اند.	تعیین برق فضای کلی رک فاوا؛ در دسترس برای اهداف برنامه‌ریزی
الزامات کلی اولیهٔ برق فاوا	کیلووات	کل مصارف اولیهٔ فاوا؛ ولی بدون آن بخش از ظرفیت سیستم برق و سرمایش که باید از اجراهای آینده پشتیبانی کند.	برآورد فوری از ظرفیت برق و سرمایش، همچنین تعیین مبلغ ضروری برای سرمایه‌گذاری
الزامات کلی نهایی برق فاوا	کیلووات	مصارف نهایی فاوا در بدترین شرایط موجود که سیستم‌های برق و سرمایش باید از آن‌ها پشتیبانی کنند.	برآورد مشخصات زیرساخت اصلی خدمات؛ شامل: تابلو برق، کابل‌کشی، لوله‌کشی برای سرمایش
اوج توان مصرفی	کیلووات بر رک	بیشترین توان مصرفیِ هر ردیف	تعیین معماری هوارسانی
میانگین توان مصرفی مرکزداده	کیلووات بر رک	خلاصهٔ ویژگی‌های ظرفیتی مرکزداده	امکان تبدیل مشخصات به دیگر واحدها، مانند وات بر متر مربع؛ این کار نیازمند به تعاریف جدول ۲ است.

پیچیده‌ترین مشکلی که برای تعریف‌کردن ظرفیت با استفاده از این روش وجود دارد، تعیین مقدار آن‌دسته از «جای رک‌ها» است که چون برای اجرای زیرساخت برق و سرمایش به کار رفته‌اند، برای تجهیزات فاوا قابل استفاده نیستند. اشغال‌شدن مساحت ۱ جای رک با زیرساخت برق و سرمایش به‌ازای هر ۱۵ کیلووات از مصارف فاوا، مقدار مناسبی است و به‌عنوان راهنما در تخمین‌ها به کار می‌رود. این راهنما بر اساس میانگین نیاز به توان و سرمایش محاسبه می‌شود و فاصله‌هایی را نیز در بر می‌گیرد که در مرکزدادهٔ با پیکره‌بندی N و 2N وجود دارد. البته مقدار دقیق آن بستگی دارد به معماری انتخابی برق و سرمایش، محدودیت‌های سالن، همچنین راهنمایی‌هایی که سازندهٔ سیستم ارائه می‌دهد. برای نمونه شرکت اشنایدر الکتریک در سیستم InfraStruXure ابزارهای طراحی کامپیوتری فراهم ساخته که این محاسبات را برای طراحی هر سالن انجام می‌دهد.

راهنمای عملی برای اجرا

استفاده‌کردن از مدل تعیین ظرفیتِ پیش‌گفته، به‌خودی‌خود بهینگی طراحی فضا را تضمین نمی‌کند. انتخاب کاربر دربارهٔ چیدمان سالن، انتخاب خود سالن، همچنین تخمین الزامات ظرفیت، در موفقیت اجرای نهایی موثر است. به‌کارگیری این مدل مزایای مهم بسیاری دارد:

• نسبت به دیگر روش‌های رایج، دربارهٔ ظرفیت مرکزداده توضیح کامل‌تر و دقیق‌تری ارائه می‌دهد.
• مرکزداده‌ای که مطابق با مشخصات ساخته بشود، عملکرد قابل پیش‌بینی‌تری دارد.
• این مدل به‌خوبی شناخته‌شده است و با آن می‌توان هزینه‌ها از جمله هزینهٔ سرمایه‌ای و عملیاتی را به‌سرعت تخمین زد، چرخهٔ طراحی را سرعت بخشید، همچنین سناریوهای پیشنهادی دیگر را تحلیل کرد.
• با مرکزدادهٔ ماژولار و توسعه‌پذیر به‌خوبی کار می‌کند؛ ازاین‌رو بهای تمام‌شده را به‌مقدار چشمگیری کاهش می‌دهد و بهره‌وری برق را بهبود می‌بخشد.

کاربردهای اجرایی روش بیان‌شده برای تعیین ظرفیت عبارت‌اند از:

• مقایسهٔ بهای تمام‌شده با گزینه‌های پیشنهادی مکانِ مراکزدادهٔ دیگر یا مکان سالن‌های دیگر
• تخمین هزینهٔ افزایش ظرفیت، برای مرکزدادهٔ موجود یا برای برنامه‌ریزی مرکزدادهٔ آینده
• ارائهٔ مشخصاتی که انتظارات ظرفیتی را به‌شکل روشن و قابل درک برای کاربران فاوا تعیین می‌کند؛ چنان‌که کاربران فاوا، بهره‌برداران مرکزداده، همچنین تامین‌کنندگان سیستم‌های تاسیسات، همگی انتظارات همانند داشته باشند.

اجرای این روش تعیین ظرفیت، به ابزارهای طراحی مرکزداده کمک می‌کند تا بتوانند فرایند تعیین ظرفیت و طراحی را آسان و به‌شکل خودکار انجام دهند.

نمونه‌ای از مشخصات مرکزداده

اکنون شیوهٔ به‌کارگیری مدل تعیین ظرفیتِ واقعی مرکزداده را با بیان نمونه روشن خواهیم کرد. سالنی را برای پروژهٔ تجمیع سرور در نظر می‌گیریم. سیستم‌های UPS و توزیع برق و سرمایش که هنوز فراهم نشده‌اند، در آینده همگی در این سالن جای خواهند گرفت. با توجه به ارتفاع سرگیر، هیچ امکان اجرای کف کاذب وجود ندارد. در اینجا ترکیبی از تجهیزات شبکه از جمله سرور خشابی، سرور رک‌پایه، ذخیره‌ساز، همچنین دیگر تجهیزات شبکه اجرا خواهند شد. سرورهای خشابی در کنار هم خواهند بود و در سالن پراکنده نمی‌شوند. تخمین الزامات کنونی چنان است که تنها نیمی از فضای سالن اشغال بشود. باقی‌ماندهٔ فضا برای ۲۰ درصد افزایش ظرفیت کنار گذاشته شده است؛ چنان‌که قابلیت پشتیبانی از حداقل ۳ رک از سرورهای خشابی آینده را با توان تقریبی ۲۵ کیلووات در رک دارد. الزامات پایایی برای سیستم برق و سرمایش بدون افزونگی تعیین شده است.

شکل ۳: چیدمان پلان کف مرکزدادهٔ پیشنهادی همراه با جانمایی رک‌ها؛ تصویر برگرفته از ابزار نرم‌افزاری InfraStruXure Build-Out

شکل ۳ محدودهٔ سالن و جانمایی پیشنهادی رک‌ها را نمایش می‌دهد. چنان‌که می‌بینید، روی‌هم‌رفته ۴۱ جای رک فراهم شده است. می‌خواهند اجرای ردیف‌های ۱ و ۲ و ۳ هرچه زودتر انجام شود و ردیف‌های ۴ و ۵ و ۶ و ۷ برای آینده باشد. بررسی طرح اجرای فعلی نشان می‌دهد در چیدمان می‌باید تجهیزات پرمصرف‌گرا (Like-Powered) را برای ردیف‌های آینده در نظر گرفت تا نسبت اوج مصرف به میانگین توان مصرفی کاهش یابد. سرورهای خشابی نیز باید طبق نیاز، با هم در ردیف ۲ قرار گیرند. مشخصات ردیف‌ها را در جدول ۵ مشاهده می‌کنید.

جدول ۵: دادهٔ ظرفیت ردیف‌ها در مرکزدادهٔ پیشنهادی

داده	واحد	ردیف یک	ردیف دو	ردیف سه	ردیف چهار	ردیف پنج	ردیف شش	ردیف هفت	کل
تعداد مکان رک	تعداد	۷	۷	۷	۵	۵	۵	۵	۴۱
میانگین توان رک در ردیف	کیلووات بر رک	۲	۵	۳	۴	۴	۴	۴	۳٫۷
اوج مصرف رک در ردیف	کیلووات بر رک	۴	۱۵	۶	۱۵	۱۵	۱۵	۱۵	۱۵

میانگین ظرفیت اجرای اول، بر اساس این داده چنین محاسبه می‌شود:

(کیلووات بر رک ۳٫۳ = ۲۱ ÷ (۷×۳ + ۷×۵ + ۷×۲

اگر ظرفیت کل ردیف‌های اضافی که جزئیات آن‌ها هنوز مشخص نیست، ۲۰ درصد بیشتر از نیاز برنامه‌ریزی بشود، آنگاه میانگین کلی ظرفیت مرکزداده بدین شکل محاسبه می‌شود:

(کیلووات بر رک ۳٫۷ = ۴۱ ÷ (۵×۴ + ۵×۴ + ۵×۴ + ۵×۴ + ۷×۳ + ۷×۵ + ۷×۲

چنانچه تعیین ظرفیت تعریف‌نشدهٔ ردیف‌های آینده با ۱۵ کیلووات اوج مصرف رک تعیین بشود، با توجه به تغییرات بعدی، برای طراحی این ردیف‌ها انعطاف‌پذیری چشمگیری فراهم می‌آید. مشخصات آیندهٔ ردیف‌های ۴ و ۵ و ۶ و ۷ را در جدول ۵ مشاهده می‌کنید. تنها پیامد تعیین مقدار بیشتر برای اوج مصرف ردیف‌های آینده این است که مقدار اولیهٔ برق و سرمایش را باید محتاطانه برآورد کرد.

با نظر به شکل ۱ می‌توان دربارهٔ مقدار نهایی سطح اشغال‌شده با تجهیزات برق و سرمایش، برآورد اولیه به دست آورد. این مقدار برای میانگین ظرفیت رک ۳٫۷ کیلوواتی (برابر ۱۳ رک)، در حدود ۳۰ درصد است (۱۳ = ۴۱  ×۳۱ درصد). بدین ترتیب تعداد نهایی کل رک‌های فاوای موجود، بر اساس مشخصات ظرفیت برابر ۷۰ درصد (یا ۲۸ رک) خواهد بود. جدول ۵ مشخصات ظرفیت برای پروژهٔ پیشنهادی تجمیع سرور را نشان می‌دهد. مقادیر محاسبه‌شده را در جدول ۶ می‌بینید.

جدول ۶: دادهٔ مرکزدادهٔ پیشنهادی، محاسبه‌شده در سطح سالن

داده	مقدار	واحد	توضیح
کل رک‌های فاوای در دسترس	۲۸	تعداد	قسمتی از فضای مرکزداده که با تجهیزات برق و سرمایش اشغال می‌شود.
الزامات کلی اولیهٔ برق فاوا	۴۷	کیلووات	نصب اولیهٔ تجهیزات برق و سرمایش باید دست‌کم از ۴۷ کیلووات از مصارف فاوا پشتیبانی کند. با نظر به شکل ۱، بر اساس ظرفیت ردیف ۱ و ۲ و ۳، تعداد مکان‌های موجود برای رک‌ها به ترتیب ۶ و ۴ و ۵ است. کیلووات بر رک ۵  × ۴ + کیلووات بر رک ۲  × ۶ ۴۷ کیلووات = کیلووات بر رک ۳  × ۵ +
الزامات کلی نهاییِ برق فاوا	۱۰۴	کیلووات	دیگر تجهیزات برق و سرمایش تا هنگام اجرای بقیهٔ ردیف‌ها به تعویق می‌افتند. ولی اجزای زیرساخت اصلی تاسیسات همچون تابلو برق، کابل‌کشی، همچنین لوله‌کشی سرمایش، باید برای پشتیبانی از مصرف نهایی فاوا به‌مقدار ۱۰۴ کیلووات برآورد شوند. ۱۰۴ کیلووات = ۳٫۷ کیلووات بر رک × ۲۸ رک فاوا
اوج توان مصرفی	۱۵	کیلووات بر رک	سرمایش چنین ظرفیت زیادی موجب کاهش گزینه‌های موجود و افزایش هزینه‌ می‌شود. پیش از طراحی با این ظرفیتی می‌باید برای گستردن تجهیزاتِ اوج مصرفی تلاش کرد.
میانگین توان مصرفی مرکزداده	۳٫۷	کیلووات بر رک	ظرفیت مشخص‌شده برای این مرکزداده، از میانگین مراکزدادهٔ موجود دو برابر بیشتر است. مراکزدادهٔ امروزی که  به چنین ظرفیتی دست می‌یابند از ۲ درصد کمترند.

اکنون می‌توان طراحی را آغاز کرد. گام بعدی تعیین‌کردن مکان دقیق تجهیزات برق و سرمایش است که بر اساس ماهیت این تجهیزات و طراحی سیستم انجام می‌گیرد. فرایند این کار بر پایهٔ مدل‌های پیچیدهٔ ریاضیِ تجهیزات ویژه، همراه با اصول بهینه‌سازی، همچنین اولویت‌های مشتری اجرا می‌شود. هریک از سازندگان تجهیزات برق و سرمایش برای این فرایند شیوهٔ خودشان را دارند که ما در این مقاله به آن نمی‌پردازیم. طراحی در حالت مطلوب فقط به آن تجهیزات برق و سرمایش نیازمند است که برای اجرای اولیه ضرورت دارند. ولی هم‌زمان پیش‌بینی و نصب آسان تجهیزات آینده را نیز باید در نظر گرفت تا بتوان از قسمتی از برنامهٔ مشخص‌شدهٔ اجرای آینده پشتیبانی کرد. نمونهٔ آن اطمینان‌یافتن از این است که کابل‌کشی اولیهٔ برق و لوله‌کشیِ سرمایش، در همان مرحلهٔ اول برای رک‌های آینده نیز انجام شود. باید توجه داشت با آنکه مقادیر اوج مصرف و میانگین توان مصرفی رک، در هنگام مرحلهٔ اول اجرا برای ردیف‌های آینده نیز مشخص شده است، امکان دارد تا پیش از مراحل بعدی تغییر کند. با این حال هنگام تغییرات نباید توان کلی هر ناحیه بیشتر از مقادیر برنامه‌ریزی شدهٔ کنونی بشود.

نتیجه‌گیری

روش‌های سنتیِ تعیین ظرفیت مرکزداده، خام و ناقص و مبهم هستند. با به‌کاربردن آن‌ها نمی‌توان برای اطمینان از عملکرد قابل پیش‌بینیِ برق و سرمایشِ با توان مصرفی زیاد که مطابق با آخرین نسل از تجهیزات فاوا باشد، رهنمود برای برنامه‌ریزی فراهم کرد.

در این مقاله به الزامات تعیین ظرفیت مرکزداده پرداختیم و برای این کار روش جدیدی معرفی کردیم. ویژگی‌های اجرایی که از این روش به دست می‌آید، شرایطی فراهم می‌کند تا ارتباط میان کارکنان فاوا و طراحان تاسیسات روشن باشد. همچنین برپاکردن مرکزدادهٔ پیش‌بینی‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه و بهره‌ور را آسان می‌سازد.

پیوست: مشخص‌کردن آن بخش از فضای رک مرکزداده که با تجهیزات سرمایش و برق اشغال می‌شود

نمودار شکل ۱ از برابری میان «مصرف برق» و «ظرفیت تجهیزات برق و سرمایش» به‌وجود آمده است. فرمول پایانی به‌وجودآورندهٔ عملکرد شکل ۱ است. مقادیر D_N (ظرفیت تجهیزات برق و سرمایش) به ویژگی‌های آن تجهیزات برق و سرمایش بستگی دارد که برای پیکربندی افزونگی استفاده می‌شوند.

پانویس

[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:

APC White Paper 120: “Guidelines for Specification of Data Center Power Density” (Revision 2)

نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعه‌ی مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده

[2] APC White Papers by Schneider Electric

[3] APC White Paper 46: Cooling Strategies for Ultra-High Density Racks and Blade Servers

[4] ادبیات موضوع عبارت است از هرآنچه در حوزه‌ای از دانش گفته و نوشته و به‌هر شکلی منتشر می‌شود. از نظر درست‌بودن در زبان فارسی، «ادبیات موضوع» نام خوبی برای این مفهوم نیست؛ ولی ویراستار نتوانست جایگزین بهتری برای آن پیدا کند.

[5] APC White Paper 28:  Rack Powering Options for High Density in 230 V AC Countries

[6] هزینهٔ بهای تمام‌شده شامل هزینهٔ سرمایه‌ای تجهیزات برق و سرمایش، ۱۰ سال خدمات برای آن‌ها، هزینهٔ فضا، همچنین بهای برق مصرفی این تجهیزات است. این هزینه بسته به طراحی و مقدار به‌کارگیری تجهیزات، در بازهٔ ۵۰ هزار تا ۹۰ هزار دلار در هر رک تغییر دارد. توجه کنید که هزینهٔ UPS و چیلر از «نسبت اوج مصرف به میانگین توان مصرفی» تاثیر نمی‌پذیرد و هزینهٔ سیستم‌های توزیع برق و سرمایش در بهای تمام‌شدهٔ آن نقش دارد.

[7] اجرای «قواعد ظرفیت سرمایش» در سیستم مدیریت، یکی از موضوعات پژوهش‌هایی است که در انحصار شرکت اشنایدر الکتریک قرار دارد.

[8] «مکان رک» واحد اندازه‌گیریِ قراردادی برای بیان مساحت کف مرکزداده است. با توجه به استاندارد بودن «سطح اشغال رک»، از واحد «جای رک» یا «مکان رک» (به‌انگلیسی Rack Location) برای بیان مساحت سطح اشغال سایر تجهیزات یا برای محاسبات استفاده می‌کنند. به مقالهٔ شمارهٔ ۱۵۵ از مجموعهٔ APC با عنوان «الزامات محاسبهٔ فضا و ظرفیت برق در مرکزداده» مراجعه کنید. (ویراستار)