الزامات محاسبه‌ی فضا و ظرفیت برق برای مراکز داده

دو پارامتر کلیدی در طراحی مرکز داده ، مقدار مصرف IT در kW و ابعاد فیزیکی اتاق تجهیزات و IT می باشد. در اصل، این دو با مفهوم ظرفیت برق به هم مرتبط شده که به طور مبهمی ابعاد ساختمان را به مصرف IT، ربط می دهد. معمولا مراکز داده را با عباراتی چون “2.000 متر مربع در 1.000 وات در متر مربع” توصیف و مشخص می‌کنند. واژگانی اینچنین منجر به سردرگمی و ابهام در مشخصات مرکز داده خواهد شد. علاوه بر آن، این روش قدیمی اغلب به استفاده‌ی کمتر از ظرفیت تجهیزات برق و سرمایش انجامیده که باعث کاهش بهره‌وری الکتریکی و هزینه‌ی اولیه اضافی می‌شود.

در این مقاله، به توصیف روشی بهبود یافته در تعیین ظرفیت برق، پرداخته می‌شود. علاوه بر آن، بر اساس معدود خصوصیاتی ساده‌، توصیه هایی نیز برای تعیین ظرفیت برق مراکز داده‌ی جدید ارائه می‌شود.

چرا روش گذشته موثر نیست؟

چهار مشکل اصلی در روش های قدیمی تعریف ظرفیت برق در قالب کلماتی چون وات در متر مربع(و یا فوت مربع)، وجود دارد.

1. این که در محدوده‌ی محاسبات، چه عواملی در نظر گرفته شده و این عوامل چگونه به تعداد رک‌ها یا دستگاه های IT مرتبط می شود، توضیح داده نشده است.
2. این که چه چیزی در محاسبه‌ی برق لحاظ می شود، توضیح داده نشده است.
3. هیچ اطلاعاتی در مورد واریانس توان و تحلیل آماری بین ظرفیت و مصرف واقعی رک ها، فراهم نشده؛ آیا این بالاترین تعداد بوده؟ متوسط یک ناحیه بوده؟ متوسط یک بازه‌ی زمانی بوده؟ و یا مقدار دیگری را نشان می دهد؟
4. نحوه‌ی به کارگیری این عدد در مرکز داده ای که برنامه‌ی رشد و توسعه‌ی متغیری داشته یا مدولار بوده یا در طول زمان، گسترش یافته، مشخص و شفاف نیست.

در اصل، دو مشکل اول را می توان با ایجاد تعاریف استاندارد برای برق و فضا بهبود بخشید. اگرچه مشکلات سوم و چهارم بسیار مهم بوده و با بهبود تعاریف موجود بر طرف نخواهند شد. روش بهتر در تعیین ظرفیت، باید به آن توجه داشته که برق IT بین رک‌ها و همچنین در طول زمان، متغیر بوده و مشکلات مدولار بودن و رشد و توسعه را نیز درک کند.

برای درک بهتر مشکلات ناشی از ابهام در تعیین ظرفیت، مرکز داده‌ ای را در نظر بگیرید که همان مشخصات معمول 120 W/ft² (1.292 W/m²) را دارد. جهت درک آن که این مشخصات، برای یک رک مشخص سرور ، چه معنایی دارد، باید آن را بر مبنای رک تعبیر کرد، بر این اساس و بسته به پیش‌فرض‌های موجود (مانند سطح اشغال هر رک)، این ظرفیت به معنای توان حدودا 3 تا 5 کیلووات در هر رک است. وسط این بازه (یعنی 4 کیلووات در رک)، ممکن است به نظر منطقی برسد چرا که همان ظرفیت معمول برقی بوده که در مراکز داده‌ی موجود امروزی اندازه گیری شده است. با این حال، متغیرهای مهمی هنوز تعریف نشده باقی مانده‌اند، شامل:

• اگر مرکز داده با 4 kW در رک ساخته شده باشد، وقتی یک رکِ جداسازی شده، مصرفی به اندازه‌ی 6kW، 12kW، یا 20kW داشته، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟
• اگر در بعضی از رک‌ها تجهیزات با ظرفیت کمتر از 4kW نصب شده باشند، آیا این ظرفیت مازاد برق و سرمایش را می توان در دیگر رک ها استفاده کرد؟
• اگر بعضی از رک‌ها بیشتر از 4kW مصرف داشته باشند، آیا باید فضای اضافی را در اطراف آن ها خالی باقی بگذارم؟
• اگر بعضی از رک‌ها بیشتر از 4kW مصرف داشته باشند، آیا می‌توان آن ها را در مجاورت یکدیگر قرار داده و یا هر یک باید در فاصله‌ی مشخصی از بقیه قرار گیرد؟

با افزایش ویژگی‌هایی در مدیریت برق سرور، که امکان تغییر جریان کار متناسب با زمان را فراهم کرده، تعیین مبهم ظرفیت برق می تواند حتی پیامدهای بیشتری نیز به دنبال داشته باشد. یک روش کارآمد در تعیین ظرفیت برق مرکز داده باید بتواند به پرسش‌هایی که پیشتر مطرح شد، پاسخ گوید.

در نگاه اول، باید این سوال پرسیده شود که چرا این مشکل را به راحتی و با تعیین ظرفیتی بسیار بالا برای مرکز داده، به طور مثال 30 کیلووات در رک یا 1000 W/ft² (10.764 W/m²)، حل نمی‌کنند. درست است که چنین روش اقرار آمیزی بیشتر مشکلات مطرح شده را ظاهرا برطرف کرده ولی از طرف دیگر، مشکلات جدیدی اضافه کرده که هم بسیار پرهزینه بوده و هم هدررفت بالایی داشته، شامل:

• مرکز داده‌ی 1000 W/ft² (10.764 W/m²) در حدود 8 برابر مرکز داده‌ی 100W/ft²(به ازای هر واحد از سطح)، هزینه‌بر خواهد بود. در نتیجه اگر تمام ظرفیت توان استفاده نشود، مقدار زیادی از هزینه‌ی سرمایه هدر می‌رود.
• اگر مرکز داده‌ی 1000 W/ft² (10.764 W/m²) در واقعیت هم با 100W/ft²(1.076 W/m²)، (3kW در رک) کار کند، در آن صورت مقدار PUE عملیات، احتمالا در بازه‌ی 3 تا 5 قرار گرفته، که بیانگر اتلاف عظیمی از انرژی است.
• اگر مرکز داده‌ی 1000 W/ft² (10.764 W/m²) در واقعیت با تجهیزات IT با کم‌ظرفیت‌تر تجهیز شود، پیش از آن که ظرفیت برق و سرمایش مرکز داده تکمیل شود، فضای فیزیکی آن با کمبود مواجه شده، و مقدار زیادی از ظرفیت آن ممکن است مازاد و بلا استفاده باقی بماند.

این مشکلات را می‌توان در بیانیه‌ی زیر خلاصه کرد:

تعیین ظرفیت در مقدار بسیار کم، منجر به عملکرد غیر قابل پیش بینی و مشکلات متعدد ناشی از مصرف و حرارت بیش از حد شده؛ از طرف دیگر با تعیین ظرفیت در مقدار بسیار بالا نیز، هزینه‌های اولیه و عملیاتی بی‌جهت افزایش می یابند.

برای حل این مشکلِ برنامه‌ریزی، باید راه مناسب‌تری برای تعیین ظرفیت انتخاب شود. همچنین با ارائه‌ی راهنمایی‌هایی تعیین شود که در شرایط مورد نظر، و حتی تحت شرایطی که ظرفیت آینده نامعلوم بوده، چگونه مناسب ترین ظرفیت انتخاب شود.

مضرات ناشی از تبیین نادرست جزییات ظرفیتی رک‌ها

برای هر مرکزداده ، یک ظرفیت متوسط به عنوان هدف در طراحی در نظر گرفته می‌شود. علاوه بر آن، مرکز داده دارای ظرفیت مصرف برق IT و ظرفیت سرمایش (که در حالت ایده‌آل، این دو با هم برابرند) بوده و همچنین ظرفیتی نیز در مورد سطح اشغال IT(بر اساس تعداد رک ها یا متر مربع) تعریف می‌شود. نسبت ظرفیت بر مبنای وات به سطح اشغال، همان ظرفیت طراحی (در این متن، فرض شده برق، سرمایش و فضا، هر سه در بیشترین ظرفیت ساخته می‌شوند)، می باشد. مثالی از ظرفیت کلی هدف طراحی ، 5kW در رک بوده که مساوی 160 W/ft² (1.722 W/m²) می باشد.

اگر تجهیزات IT به روشی پیاده‌سازی شوند که تمامی برق، سرمایش و فضای مرکز داده را به کار گیرند، هیچ زیرساختی بلااستفاده باقی نخواهد ماند. این، حالت ایده آل 100% استفاده است. اگرچه، این حالت تقریبا در عمل، غیرممکن بوده چرا که مصرف واقعی برق هر رک IT، معمولا از قبل، نامعلوم است. اگر ظرفیت واقعی عملیات مرکز داده و مقادیر طراحی ظرفیت با هم، همخوانی نداشته باشند، نمی‌توان قسمتی از منابع، یا برق، یا سرمایش و یا سطح را به طور کامل به کار گرفت. این زیرساخت هدررفته، به طور محسوسی هزینه‌های مرکز داده را افزایش داده چرا که هزینه‌ی منابع، پرداخت شده ولی از آن استفاده نشده است.

اگر ظرفیت واقعی تجهیزات IT کم‌تر از مقدار طراحی باشد، در آن صورت پیش از استفاده‌ی کامل از برق و سرمایش، تمام سطح اشغال می‌شود که در نتیجه، از تمام ظرفیت برق و سرمایش استفاده نخواهد شد. اما اگر ظرفیت واقعی تجهیزات IT بیشتر از مقدار طراحی باشد، ظرفیت برق و سرمایش پیش از اشغال تمام سطح، تمام شده و در نتیجه مقداری از سطح بلا استفاده باقی می‌ماند. برای درک تاثیر اقتصادی خطای بین ظرفیت واقعی و ظرفیت طراحی در مرکز داده، مدلی از هزینه‌های ظرفیت بلا استفاده و مازاد زیرساخت‌ها بر هزینه‌های کلی موثر مرکز داده، (هزینه‌ی سرمایه[1] $ به ازای وات قابل استفاده‌ی IT) ایجاد شده است. چنین تحلیلی داده های ارائه شده در شکل 1، را ایجاد کرده است.

شکل 1: واریانس هزینه‌ی موثر یا تفاوت ظرفیت واقعی برق باظرفیت طراحی 5kW در رک

هزینه های سرمایه ی موثر مرکز داده در شکل 1، به $ در وات قابل استفاده، نشان داده شده که تابعی از ظرفیت واقعی برق استفاده شده در مرکز داده است. منحنی زیرین بیانگر هزینه ی پایین‌تر در طراحی مرکز داده در کلاس 2 بوده؛ و منحنی بالایی نیز طراحی کلاس 4 است. این مدلی برای مرکز داده ای با ظرفیت طراحی 5 kW در رک (تقریبا 160 W/ft² و یا 1.722 W/m²) می‌باشد.

شکل 1 نمایانگر آنست که زمانی که متوسط ظرفیت واقعی برق با ظرفیت طراحی برق، برابر باشد، هزینه‌ی موثر به ازای وات کمترین مقدار را دارد. وقتی ظرفیت واقعی پایین تر از مقدار طراحی قرار گیرد، هزینه‌ی موثر به سرعت افزایش می یابد. علت آنست که در این شرایط عامل محدود کننده، سطح زیربنای مرکز داده به شمار رفته که موجب شده ظرفیت برق و سرمایش مازاد و بلااستفاده باقی بماند.

مسلم است که این ظرفیت که حال بلااستفاده مانده، از ابتدا هزینه‌ای در بر داشته که در این شرایط، اجبارا به مصارف IT کمتر از آنچه برنامه‌ریزی شده، تخصیص یافته و در نتیجه، با تخصیص هزینه‌ای بیشتر به وات کمتر مصرف شده، هزینه به ازای وات قابل استفاده‌ی مصرف IT، افزایش خواهد یافت. از سوی دیگر، وقتی ظرفیت واقعی از مقدار طراحی بالاتر رود، به دلیل هزینه‌ی سطح غیر قابل استفاده، هزینه‌ی موثر تنها اندکی افزایش می یابد، چرا که این افزایش صرفا به سطح مرتبط بوده و از تمام سرمایش و برق استفاده می‌شود. از این مساله، می‌توان نکته ی مهمی را نتیجه گرفت:

پیاده سازی IT پایین تر از ظرفیت طراحی مرکز داده بسیار پرهزینه‌تر از پیاده سازی آن، بالاتر از ظرفیت طراحی می باشد.

دلیل این مساله آنست که هزینه ی سطح به ازای هر واحد از IT، همواره بسیار کمتر از هزینه‌ی برق و سرمایش[2] به ازای هر واحد IT است. با توجه به آن که پیش بینی ظرفیت واقعی تجهیزات فاوا در مرکز داده دشوار بوده، به یک نتیجه‌ی کلیدی و حیاتی خواهیم رسید:

زمانی که ظرفیت تجهیزات فاوا نامعلوم بوده، مرکز داده همواره باید با ظرفیت طراحیِ کمتر از میانگینِ مقدار مورد انتظار از ظرفیت IT، ساخته شود.

از این طریق، اپراتور مرکز داده از قرارگرفتن در منطقه پرضرر  منحنی در سمت چپ شکل 1، پرهیز می کند. نتیجه‌ی کلیدی دیگری که از این موضوع حاصل شده و در برطرف کردن یکی از عوامل قدیمی ایجادکننده‌ی سوتفاهم میان اپراتورهای مرکز داده و مدیریت سازمان، نیز موثر است عبارتست از:

زمانی که مرکز داده‌ با طراحی درست، از تمام ظرفیت برق و سرمایش خود استفاده کند، انتظار می‌رود که دارای سطح اضافی و یا فضای IT بلااستفاده باشد.

این نتیجه گیری کمی عجیب و در نگاه اول، خلاف شواهد موجود، به نظر می‌رسد. این فضای اضافی برای رسیدگی به عدم‌قطعیت های فعلی موجود و یا آتی در ظرفیت تجهیزات IT، در نظر گرفته می شود. این فضای بلااستفاده ی IT همچون بیمه‌ای برای جلوگیری از ظرفیت های بلااستفاده‌ و پرهیزینه‌ی برق و سرمایشی عمل کرده که اگر ظرفیت واقعی کمتر از مقدار برنامه‌ریزی شده در طراحی قرار گیرد، ممکن است پدید آید. هر چه عدم قطعیت در ظرفیت آتی بیشتر بوده، این فضای بلااستفاده ی IT نیز باید بزرگتر باشد.

روشی جدید

در تعیین الزامات فضا و ظرفیت برق، روش جدیدی اتخاذ شده که چهار ویژگی کلیدی دارد:

• واحد سنجش سطح فیزیکی در تبیین شاخص ظرفیتی رک، به جای سطح کف، رک IT می‌باشد. سطح کف به عنوان یک خروجی‌های فرایند طراحی و بر اساس عواملی چون برق هر رک و غیره، تعیین می شود.
• تبیین شاخص ظرفیتی رک، روندی سلسله مراتبی و مدولار بوده، در نتیجه ظرفیت مورد نیاز اتاق ها و بخش های مختلف می تواند متفاوت باشد.
• در این روش تعیین ظرفیت، باید درک شود که رک‌های IT در مراکز داده الزامات مختلفی در مورد برق داشته و این الزامات ممکن است پیشاپیش، به درستی تعریف نشده باشند.
• در این روش تعیین ظرفیت، باید درک شود که رک‌های تجهیزات IT ممکن است الزامات متفاوتی در مورد برق داشته که در طول زمان، تغییر کند.

پیش از معرفی روش مستندسازیِ تبیین شاخص ظرفیتی رک، هر یک از ویژگی های بالا به ترتیب توضیح داده خواهد شد.

استفاده از رک به عنوان معیار سنجش فضای فیزیکی

رایج ترین الگوی ساخت مراکزداده، استفاده از رک های  استاندارد می‌باشد. اما انواع دیگری از تجهیزات همچون آرایه های رباتیک حافظه Type  و mainframes نیز وجود داشته که ابعادشان در قالب رک نبوده ولی در بسیاری از موارد، به راحتی و درستی معادل یک و یا چند برابر ابعاد رک را توصیف می کنند. در نتیجه، ما رک را به عنوان معیار سنجش سطح اجرا شده‌ی فاوا در نظر گرفته و از برق به ازای رک نیز به عنوان معیار استانداردی در ظرفیت استفاده می کنیم.

متاسفانه، در ساختمان‌ها فضا بر اساس سطح کف (فوت مربع و یا متر مربع) اندازه گیری شده و در قالب “رک” بیان نمی شود. بیشتر مواقع باید قادر باشیم فضای رک را به ابعاد فضای فیزیکی تبدیل کنیم. مشکل در آنست که این تبدیل رک ها به سطح کف، تحت تاثیر عوامل کلیدی قرار گرفته که از برق به ازای رک مستقل بوده و باید به طور جداگانه و به روشنی، تعیین شوند، شامل:

• در صورت وجود، مقدار فضای رزرو شده برای رک، جهت آماده سازی یا انتقال های آتی؛
• فضای مورد نیاز برای دستگاه‌های زیرساخت برق و سرمایش داخل اتاق IT، مانند PDU، دستگاه تهویه مطبوع و UPS؛
• فضای مورد نیاز برای خروجی، رمپ کف کاذب و ستون‌ها (در صورت وجود)؛
• پارتیشن های موجود مانند قفسه های تقسیم کننده در فضای IT؛
• در صورت وجود، مقدار فضای رزرو شده برای patch panels و تجهیزات شبکه؛
• در صورت وجود، مقدار فضای رزرو شده برای رک‌ها و یا قفسه های ذخیره‌سازی تجهیزات؛
• در صورت وجود، مقدار فضای رزرو شده قابلیت تطبیق با  ظرفیت واقعی کمتر از متوسط ظرفیت طراحی را نیز داشته باشد.

این عوامل تاثیر قابل توجهی بر فضای مورد نیاز و ظرفیت به ازای هر واحد سطح داشته، و در فاز طراحی، باید همراه با ظرفیت در رک، به روشنی تعریف شوند. با وجودی که تعیین این خصوصیات، بسیار پیچیده تر از صرفا تعیین “وات به ازای فوت مربع” بوده، در ادامه نشان داده خواهد شد که این عوامل می توانند به سرعت تعیین شده و در عین حال، کیفیت و شفافیت در تبیین شاخص ظرفیتی رک را به خوبی بهبود بخشند. نحوه‌ی این کار در ادامه‌ی مقاله توضیح داده می شود.

یک منطقه (POD) در مرکز داده چیست؟ در مرکز داده، منطقه همان گروهی از رک‌های IT بوده که با زیرساخت‌های برق و سرمایشی ترکیب شده و به عنوان یک واحد منسجم اجرا شده باشد. پیشاپیش برای اجرای تعداد مشخصی POD در اتاق‌ها برنامه‌ریزی می‌شود ولی این POD ها ممکن است به طور جداگانه اجرا شده و یا به مرور زمان، ارتقا یابند. معمولا منطقه‌ها در همان محل سایت، با طراحی استاندارد در اتاق مونتاژ شده اما ممکن است قسمتی از آن یا حتی تمام آن، پیش ساخته باشد. در متداول‌ترین حالت، POD همان دو ردیف از رک‌هایی است که در دو طرف راهروی گرم قرار می‌گیرند. طراحی بر اساس POD یک روش برگرفته از تجربه‌های موفق پیشین در طراحی مراکز داده‌ی بزرگ‌تر بوده که بسیار توصیه شده است.

 

تبیین شاخص ظرفیتی مدولار و سلسله مراتبی رک

ما به توانایی تعیین جداگانه‌ی ظرفیت برای قسمت های مختلف مرکز داده نیاز داریم. در کل، مرکز داده را می توان در سلسله مراتب زیر[3]، خلاصه کرد:

تاسیسات مرکز داده، شامل یک یا چند واحد از …؟

اتاق IT، شامل یک یا چند واحد از

منطقه های IT[4]، شامل یک یا چند واحد از

رک‌های IT

از آنجا که ابعاد مختلفی از مرکز داده تحت تاثیر تبیین شاخص ظرفیتی در هر یک از این سطوح بوده، ظرفیت تمامی چهار سطح بالا باید جهت کنترل طراحی و پیش بینی عملکرد آن، تعیین شود. به طور مثال، ظرفیت برق یک POD متاثر از مقدار توان نقطه توزیع بالادستی آن POD و همچنین از سیستم توزیع هوا در آن منطقه خواهد بود.

با این که می توان مقادیر تعیین شده از ظرفیت در قسمت های مختلف را با هم جمع کرده و به یک مقدار واحد ظرفیت برای تمام تاسیسات دست یافت، ولی این عدد ظرفیت که از این طریق به دست آمده، مانند وات به ازای فوت مربع/متر مربع، برای ارائه ی اطلاعات لازم جهت کنترل طراحی و دستیابی به نتیجه‌ی قابل پیش بینی، کافی نیست. در ادامه‌ی این مقاله، روشی برای تعیین ظرفیت سلسله مراتبی، ارائه می‌شود.

تنوع ظرفیت در مرکز داده

ظرفیت مرکز داده می‌تواند در گروهی از رک‌های IT، در تعدادی از منطقه‌ها، و یا در اتاق های مختلف متفاوت باشد. این تنوع به شکل فیزیکی، از رک به رک و یا اتاق به اتاق و همچنین در طول زمان مشاهده می‌شود چرا که در طول زمان به تعداد دستگاه های فاوا افزوده شده و یا از آن کم می شود، و همچنین برق مصرف شده توسط دستگاه ها IT، متناسب با بارِ کاری IT تغییر می کند.

ظرفیت عملیاتی در هر رک ممکن است متفاوت بوده و ظرفیت هر رک، نیز می تواند لحظه به لحظه تغییر کند. با توجه به آن چه گفته شد، تلاش در تعیین ظرفیت، تقریبا کاری بیهوده به نظر می‌رسد. گرچه، اگر در نظر بگیریم که علت تعیین ظرفیت در اصل انتخاب طراحی برای مرکز داده است که به پشتیبانی تمام یک خانواده از تجهیزات فاوا بپردازد، در آن صورت خواهیم توانست پارامترهای کلیدی آن خانواده‌ی تجهیزات را شناسایی کنیم که برای تعیین ظرفیتی که پاسخگوی این تنوع بوده، کافی باشد.

برای سطح مورد نظر در این سلسله مراتب مرکز داده، مانند اتاقی متشکل از “واحدهای” POD، و یا یک منطقه متشکل از “واحدهای” رک، ظرفیت می تواند با کمک پنج پارامتر کلیدی نشان داده شده در جدول 1، تعیین شود.

توجه شود که سطح کف یک پارامتر ورودی کلیدی برای تبیین شاخص ظرفیتی رک به شمار نمی‌رود. سطح کف در واقع خروجی محاسبه‌شده ای است که حاصل این پارامترهای تعیین ظرفیت به علاوه‌ی دیگر عوامل طراحی مرتبط با استفاده از سطح کف(که پیشتر در قسمت قبلی “استفاده از رک‌ها به عنوان معیار سنجش فضای فیزیکی” توضیح داده شد)، می‌باشد.

جدول 1: پنج پارامتر کلیدی لازم برای تعیین فضا و ظرفیت

پارامتر تعیین ظرفیت	تعریف	نحوه‌ی استفاده در طراحی
تعداد واحدها	تعداد رک‌ها در یک منطقه، تعداد pod در اتاق، و یا اتاق‌های یک تاسیسات	برای تبدیل مقادیر برق، سرمایش و فضا به ازای واحد(به ازای رک، منطقه،اتاق) به مقادیر کلی
متوسط توان مصرفی هر واحد در فاز طراحی(kW)	کل مصرف مورد انتظار برق به ازای متوسط هر واحد در تمام آن جامعه آماری	برای برآورد مقادیر سیستم‌های برق و سرماش در سطح (منطقه، اتاق، تاسیسات)
اوج مصرف برق در واحد (kW)	بیشینه مصرف مورد انتظار برق در هر واحد جامعه آماری	جهت برآورد الزامات سیستم توزیع برق و توزیع سرمایش
عدم قطعیت برق واحد %	کمی سازی عدم قطعیت مورد انتظار مصرف برق واقعی در قیاس با متوسط توان مصرفی در فاز طراحی	برای تعیین فضای رزرو شده‌ی مورد نیاز جهت اطمینان از آن که اجرا ظرفیت کم، به ظرفیت بلااستفاده و پرهزینه‌ی برق و سرمایش منجر نخواهد شد.
نسبت مصرف برق مدیریت شده %	عامل کاهش برق (% در متوسط توان مصرفی در فاز طراحی) به دلیل کارکردهای مدیریت برق در تجهیزات IT	برای ایجاد نقطه‌ی مصرف عملیاتی برای سیستم های برق و سرمایش در جهت تعیین بهره وری و مصرف انرژی

 

با آن که واضح است تعداد واحدها و متوسط توان مصرفی هر واحد در فاز طراحی، برای شکل‌گیری روش تعیین ظرفیت ضروری بوده، ولی مقدار اوج مصرف برق ، عدم قطعیت توان در هر واحد و نسبت مصرف مدیریت‌شده مفاهیم جدیدی هستند که در اینجا معرفی خواهند شد. این معرفی از آن جهت ضرورت داشته که متوسط توان مصرفی فاز طراحی، اطلاعات لازم برای برآورد سیستم‌های توزیع برق و سرمایش را ارائه نکرده و همچنین، اطلاعات کافی برای تعیین سطوح عملیاتی در محاسبه‌ی بهره وری را نیز فراهم نمی کند.

مثالی از تبیین شاخص ظرفیتی رک

برای نشان دادن به کارگیری روش بهبودیافته‌ی تعیین ظرفیت و نحوه‌ی ارتباط آن با سطح کف، دو مثال آورده شده است: یک اتاق سرور کوچک 40 kW و چند اتاق تاسیسات پیچیده تر 2MW با برنامه‌ی رشد و توسعه.

مثال 1: اتاق سرور کوچک

یک اتاق سرور کوچک 40 kW نمونه ی ساده ای است که انتخاب شده چرا که تاسیسات تنها دارای یک اتاق IT و یک منطقه است. در این مورد، سطحی که در آن، ظرفیت تعیین شده همان اتاق بوده که معادل POD نیز محسوب شده و شامل گروهی از رک‌های IT است. ساختار تعیین ظرفیت در این مورد ساده بوده و تصویر کاملی از روند این طراحی در کاربرگ شکل 2 نشان داده شده است. همچنین در قسمت منابع همین گزارش نیز، لینک دانلود آن، آورده شده است.

این روش تعیین، راهنمایی واضح و شفاف برای طراحی فراهم می کند. خانه‌های زرد رنگ در جدول همان ورودی کاربران بوده و خلاصه‌ی عملکرد محاسبه شده است

پارامترهای ظرفیت	تعداد رک	12
	متوسط توان مصرفی هر رک در فاز طراحی	4	kW
	اوج مصرف برق در رک	8	kW
	عدم قطعیت در توان رک	15%	(80% اطمینان)
	نسبت توان مدیریت شده	70%

 

پارامترهای استفاده از فضا	سطح هر رک	16	فوت مربع/متر مربع
		رک	فوت مربع/متر مربع	جمع اجزا
	الزامات سطح رک	12	0	192 ft2
	فضای رزرو برای آماده سازی	2	0	32 ft2
	فضای پیشنهادی برای عدم قطعیت در ظرفیت			34 ft2
	فضا برای عدم قطعیت در ظرفیت	2	0	32 ft2
	فضای رزرو برای توان	2	0	32 ft2
	فضای رزرو برای سرمایش	2	0	32 ft2
	فضای رزرو برای سیستم‌های جانبی	2	0	32 ft2
	فضای رزرو برای انبار	0	25	25 ft2
	فضای رزرو برای خروج، رمپ‌ها و ستون‌ها	0	40	40 ft2
				417 ft2

 

خلاصه عملکرد اتاق	امتیاز توان سیستم	48	kW
	توان عملیاتی مورد انتظار در IT	33.6	kW
	اوج مصرف پیش‌بینی شده در رک	8.0	kW
	توان اسمی در هر رک	4.0	kW
	متوسط توان مصرفی مورد انتظار در هر رک	2.8	kW
	ابعاد اتاق	417	sq ft
	فضای بلااستفاده‌ی مورد انتظار IT	15%	از تمام فضا
	ظرفیت توان اتاق	115	وات در فوت مربع

 

شکل 2: کاربرگ ساماند‌دهی پارامترهای کلیدی مورد نیاز برای تعیین ظرفیت و فضا، نشان گر محاسبه ی مقادیر خلاصه شده

پارامترهای تعیین ظرفیت با کمک رویه‌های ساده‌ی زیر مشخص می‌شوند:

1. تعداد رک‌ها از سوی الزامات IT تعیین می‌شود.
2. متوسط توان مصرفی هر رک در فاز طراحی، از طریق مشخصات اعلام شده سازندگان تجهیزاتIT و یا با انتخاب مقادیر میانگین معمول در طراحی برای هر خانواده از تجهیزات مورد نظر، مشخص می‌شود. در این نمونه، مقدار معمولی برای اتاق سرور شرکت 4 kW به ازای رک، انتخاب شده است.
3. اوج مصرف برق توسط تعیین بیشترین مقدار مجاز یا مورد انتظار رک، انتخاب می‌شود. در این نمونه، ما حداکثر ظرفیت را 8 kW تعیین کرده ایم.[5]
4. عدم قطعیت در مصرف برق رک با توجه به سناریوهای مختلف در پیاده‌سازی IT و یا با انتخاب مقادیر معمول طراحی برای مصرف، مشخص می شود. در این مثال، ظرفیت مورد انتظار در پیاده‌سازی، ±15% از متوسط توان مصرفی طراحی 4 kW انتخاب شده است.
5. نسبت توان مدیریت شده براساس عملکرد مدیریت برق مورد انتظار در مصرف IT برآورد می‌شود. در این مثال، انتظار رفته که عملکرد مدیریت برق، مقدار واقعی متوسط مصرف IT را تا 70% مقدار متوسط توان مصرفی در طراحی، کاهش دهد.

برای تعیین الزامات فضای اتاق، ابتدا فضای مورد نیاز تجهیزات فاوا (شامل دسترسی به رک جلو و عقب) مشخص شده[6] و سپس دیگر الزامات در فضا به الزامات فضای کلی، افزوده می‌شود. این کاربرگ به گونه‌ای تنظیم شده که برای هر استفاده ی غیر IT از فضا، بتوان فضایی را در قالب مکان رک‌ و یا فوت مربع/متر مربع رزرو کرد. این موضوع در زمان محاسبه‌ برای دستگاه های بزرگ و جاگیر مانند تجهیزات توزیع برق یا سرمایش و patch panelهای شبکه که دور رک ها نصب می شود، مناسب و مفید خواهد بود.

یک “فضای رزرو پیشنهادی برای عدم قطعیت در طراحی” بر اساس عدم قطعیت توان که توسط کاربر تعیین شده، محاسبه می‌شود. سپس کاربر مشخصا فضای فوت مربع و یا مکان‌های رک را، جهت برآورده کردن فضای رزرو پیشنهادی، رزرو می کند. در مثال شکل 1، رزرو پیشنهادی 34 ft² بوده و کاربر می تواند با رزرو دو مکان رک یعنی 32 ft²، تا حدودی به این مقدار، دست یابد.

در این مرحله، باید در نظر داشت که تعیین کننده ممکن است لزوما به تمام اطلاعات بالا دسترسی نداشته، چرا که یا الزامات IT به طور مبهمی تعریف شده و یا پیکربندی دقیق هنوز نهایی نشده است. به همین دلیل، جدولی از مقادیر معمول برای مصارف مختلف در پیوست 1 این مقاله، آورده شده است. در اینجا ایده ی اصلی این نبوده که تعیین ظرفیت دقیقا بازتاب کننده ی  هر طرح IT دقیق و مشخص دستگاه به دستگاه بوده (که تقریبا هرگز از پیش، معلوم نمی‌شود)، بلکه در تعیین ظرفیت باید اطمینان یافت که مرکز داده عملکردی قابل پیش بینی و تعریف شده خواهد داشت.

در این مثال، روش تعیین ظرفیت به وضوح، طراحی را مشخص کرده که وقتی متوسط توان مصرفی در طراحی 4 kW و اوج مصرف هر رک مساوی یا کمتر از 8 kW بوده، از هر ترکیبی که تا 12 رک را شامل شده، پشتیبانی ‌کند. علاوه بر آن، متوسط مصرف برق، با نظر به مدیریت توان، انتظار رفته که 70% از 4 kW به ازای رک و یا در کل 34 kW باشد، در نتیجه هر تضمین عملکردی برای بهره‌وری در دستگاه اصلی برق و سرمایش باید در این ظرفیت برق ایجاد شود.

اما مرکز داده می‌تواند سیاست جسورانه‌ای در پیاده سازی IT اتخاذ کرده که حداکثر مصرف برق به ازای رک را 8 kW در نظر گرفته و مصارف بالاتر از آن باید در میان رک ها، تقسیم شود. با فضای اضافی رزرو شده می توان اطمینان یافت که در صورتی که ظرفیت واقعی برق IT تا 15% کمتر از مقدار متوسط توان مصرفیِ فاز طراحی (4 kW) بوده، می توان از تمام برق و سرمایش در دسترس، بهره برد. توجه شود که اگر درتعیین ظرفیت از همان روش قدیمی، وات در فوت مربع استفاده شود، هیچ یک از این اطلاعات کلیدی لحاظ نخواهد شد.

مثال 2: مرکز داده‌ی بزرگ

در این مثال 2 مگاواتی، مرکز داده با سلسله مراتب زیر تعریف شده است:

تاسیسات مرکز داده، متشکل از

4 اتاق IT، هر یک شامل:

9 منطقه ی IT، شامل:

10 رک IT

دو روش اصلی در تعیین ظرفیت مرکز داده ی بزرگ وجود داشته:

1. تعیین در سطح رک و یا POD آغاز شده و تعیین ظرفیت تاسیسات را شکل می‌دهد.
2. تعیین در سطح تاسیسات آغاز شده، و به تعیین ظرفیت اتاق‌ها، منطقه ها و سپس رک‌ها، پیش رود.

در حالت ایده‌آل، روش اول باید به کار رود، اگرچه که در بسیاری از موارد عملی و امکان پذیر نیست چرا که ابتدا محدودیت های سطح تاسیسات، مانند منابع برق شهری و یا ابعاد فیزیکی ساختمان، تعریف شده است. با نظر به الزامات شناخته شده ای در برق کل تاسیسات، تعیین ظرفیت باید از کل به جز، تا سطح اتاق و منطقه پیش رفته و سپس، تمام این مقادیر مجددا تا سطح تاسیسات جمع زده شود. در این راه از روش های زیر استفاده می‌شود:

1. تعداد اتاق های تاسیسات با تعیین برق هر اتاق، مشخص شود.
2. تعداد منطقه‌های هر اتاق با تعیین برق هر POD، مشخص شود.
3. تعداد رک های هر منطقه با تعیین برق هر رک، مشخص شود.
4. پارامترهای استفاده از فضای تاسیسات، منطقه و اتاق تعیین گردد.
5. پارامترهای باقیمانده ی ظرفیت مشخص گردد.
6. کل ظرفیت تجمیعی و محدودیت های طراحی سنجیده و تایید شود.
7. تا زمان برآورده شده تمام الزامات، این رویه تکرار و تنظیم شود.

این مثال، برای ساده تر شدن، فرض را بر آن گذاشته که این ظرفیت های تعیین شده برای تمام اتاق ها و در تمام POD ها یکسان بوده، و تنوع و تغییرات تنها در سطح رک اتفاق می افتد. در بسیاری موارد ،این فرضی مناسب برای طراحی به شمار می‌رود. در شکل 3 کاربرگ های به کار رفته برای تعیین ظرفیت در مثال 2 مگاواتی، نمایش داده شده است. همچنین لینک دانلود این کاربرگ ها در سایت Schneider-ITB.ir موجود می باشد.

پارامترهای ظرفیت		تعداد اتاق ها در سیستم تاسیسات			تعداد PODها در سیستم اتاق			تعداد رک‌ها در سیستم POD
	تعداد رک	4			10			10
	متوسط توان مصرفی هر رک در فاز طراحی	500	kW		50	kW		5.0	kW
	اوج مصرف برق در رک	500	kW		50	kW		12.5	KW
	عدم قطعیت در توان رک							24%
	نسبت توان مدیریت شده	80%			80%			80%

 

فضا در هر واحد

4480

Sq ft

280

Sq ft

14

Sq ft

 

پارامترهای استفاده از فضا			اتاق	Sq ft	جمع اجزا	POD	Sq ft	جمع اجزا	رک	Sq ft	جمع اجزا
	الزامات سطح برای واحدها	4		0	17920	10	1	2800ft2	10	0	140 ft2
	فضای رزرو برای آماده سازی	0		500	500	1	0	280 ft2	0	0	0 ft2
	فضای پیشنهادی برای عدم قطعیت در ظرفیت				283			324*			44 ft2
	فضا برای عدم قطعیت در ظرفیت	0		0	0	1	0	280 ft2	2	0	28 ft2
	فضای رزرو برای توان	0		2000	2000	0	80	80 ft2	1	0	14 ft2
	فضای رزرو برای سرمایش	0		2000	2000	0	80	80 ft2	3	0	42 ft2
	فضای رزرو برای سیستم‌های جانبی	0		400	400	0	80	80 ft2	0	0	0 ft2
	فضای رزرو برای انبار	0		500	500	0	80	80 ft2	0	0	0 ft2
	فضای رزرو برای خروج، رمپ‌ها و ستون‌ها	0		2000	2000	0	800	800 ft2	0	56	56 ft2
					25320 ft2			4480 ft2			280 ft2

 

خلاصه عملکرد	توان نامی سیستم	2000	kW تاسیسات	500	kW / room	50	kW/POD
	الزامات مورد انتظار رک‌ IT	400	رک/ تاسیسات	100	رک/اتاق	10	cabinets / pod
	حداکثر توانایی رک IT	576	رک/ تاسیسات	144	رک/اتاق	12	cabinets / pod
	توان عملیاتی مورد انتظار IT	1600	kW تاسیسات	400	kW / room	40	kW/POD
	اوج مصرف نامی هر یک از تجهیزات	500	kW / room	50	kW/POD	12.5	kW / cabinet
	توان اسمی در هر واحد	500	kW / room	50	kW/POD	5.0	kW / cabinet
	متوسط توان مصرفی مورد انتظار در هر واحد	400	kW / room	40	kW/POD	4	kW / cabinet
	ابعاد سیستم	25320	تاسیسات/sq ft	4480	اتاقSq ft/	280	Sq ft/POD
	فضای بلااستفاده‌ی مورد انتظار هر واحد	2%	از تمام تاسیسات	13%	از تمام اتاق	10%	از POD
	ظرفیت توان سیستم	79	وات به ازای فوت مربع(تاسیسات)	112	وات به ازای فوت مربع(اتاق)	179	وات به ازای فوت مربع(POD)

شکل 3: مثالی از کاربرگ مرکز داده 2MW

* اگر بیش از یک نوع منطقه وجود داشته باشد، در این قسمت باید فضای منطقه های مختلف با هم جمع شود.

این کاربرگ کامل، حاوی مقدار زیادی اطلاعات در مورد طراحی می باشد. این کاربرگ در سه ستون دسته‌بندی شده است: ستون سمت چپ نحوه ی شکل گیری کل تاسیسات از اتاق ها را توصیف کرده، ستون میانی نحوه‌ی شکل گیری اتاق از PODها را توضیح داده و ستون سمت راست نیز، نحوه‌ی شکل گیری منطقه از رک‌ها را توضیح می‌دهد. ویژگی های مرکز داده که از کاربرگ برای این مثال 2 MW تعیین شده، عبارتند از:

• یک منطقه متشکل از 12 رک ITبه علاوه‌ی مکان های رک اختصاصی برای توزیع برق و سرمایش ردیفی، با سطح اشغال 20 ft × 14 ft (6m×4m) می‌باشد.
• مصرف متوسط برق هدف در طراحی به ازای رک 5 kW می‌باشد.
• اوج مصرف مجاز در هر رک 5 kW بوده تا زمانی که برق منطقه از 50 kW برای تمام 12 رک باهم، فراتر نرود.
• تمام فضای داخلی مورد نیاز در این طراحی 320 ft² (2.352 m²) می‌باشد.
• با استفاده از معیارهای قدیمی برای W/ft² در سطح اتاق IT، این مرکز داده ظرفیتی معادل 112 W/ft²(1.206 W/m²) می باشد.
• در هر POD، 2 مکان رک اضافه تامین شده تا به برق و سرمایش منطقه امکان داده تا در صورتی که برق متوسط اجرا شده کمتر از 5kW در رک باشد، به کار گرفته شود.
• در هر اتاق، 2 مکان منطقه‌ی اضافه رزرو شده، یکی برای آماده سازی منطقه های جدید بدون تغییر منطقه‌ی موجود بوده، و دیگری برای آن که برق و سرمایش اتاق در صورتی که برق متوسط اجرا شده کمتر از 5 kW در رک بوده، به کار گرفته شود.

در مقایسه با مثال قبلی در مورد یک اتاق، این کاربرگ در نحوه‌ی پیگیری فضای رزرو شده برای عدم قطعیت در ظرفیت، پیچیده‌تر و کامل‌تر می باشد. این عدم قطعیت در سطح IT هر یک از رک ها در نظر گرفته شده و در نتیجه، کاربر به محاسبه‌ی عدم قطعیت در سطح اتاق یا pod، نیاز نداشته، چرا که این سطوح با جمع سطوح پایین‌تر خود محاسبه خواهد شد.

اگرچه کاربر می تواند برای محاسبه ی عدم قطعیت در سطوح مختلف در طراحی، فضایی را رزرو کند. کاربر می‌تواند با ایجاد فضای اضافی در یک منطقه برای رک های بیشتر، و یا در یک اتاق برای منطقه های بیشتر، و یا در تاسیسات برای اتاق های بیشتر، و یا ترکیبی از این سه حالت فضایی را برای عدم قطعیت ظرفیت رزرو کند. در روشی مناسب‌تر، رزرو فضا معمولا توسط هندسه‌ی اتاق و یا عوامل دیگری کنترل می‌شود. این کاربرگ الزامات کلی فضا را پیگیری کرده و به کاربر اجازه داده تا با هر ترکیبی از رک‌ها، منطقه ها و اتاق های اضافه، فضای لازم را رزرو کند.

توسعه‌ی روش به مراکز داده با تنوع در منطقه ها و اتاق‌ها

در حالت ایده آل، طراحی منطقه و اتاق در تاسیسات استاندارد و یکسان است. مزایایی که از این موضوع حاصل شده، عبارتند از:

• استانداردسازی ابزارها، روش‌ها و رویه های مدیریت
• سادگی در برنامه ریزی و طراحی

اگرچه این موضوع همیشه مناسب و حتی امکان پذیر نبوده که دلایل آن عبارتند از:

• انواع مختلف شناخته‌شده ای از تجهیزات IT همراه الزامات بسیار متفاوت اجرا خواهد شد؛
• ابعاد اتاق از پیش تعیین شده و نمی‌تواند استانداردسازی شود؛
• ناحیه‌های مختلف، الزامات دسترسی متفاوتی نیز داشته که بر مقدار فضای اشغال شده توسط تجهیزات افزونه ی سرمایش و برق، تاثیر می گذارد.

یکی از بهترین راه کارهای توصیه شده، تعیین تعداد محدودی از مدل مرجع در رک‌های استاندارد، PODهای استاندارد و در مراکز داده‌ی بسیار بزرگ، اتاق های استاندارد می باشد. به عنوان مثال، یک مرکز داده‌ی بزرگ ممکن است سه منطقه‌ی استاندارد متفاوت با سطح اشغال یکسان برای ظرفیت کم، ظرفیت بالا و ذخیره‌سازی، تعیین کند. مرکز داده می تواند متناسب با ترکیب قابل انتظاری از این منطقه‌ها طراحی شود، ولی انعطاف پذیری باید به نحوی تنظیم شده که در طول پیاده‌سازی طولانی مدت، با این ترکیب همخوانی داشته باشد.

کاربرگ نشان داده شده در شکل 3، از میانگین آماری رک ها استفاده کرده، که در یک منطقه ی استاندارد اجرا شده اند، در اتاق های استاندارد استفاده کرده است. برای به کارگیری این روش در ترکیبی عملی از انواع از پیش تعیین شده‌ای از منطقه‌ها و یا اتاق ها، کاربرگ باید گسترش یابد.

انتخاب ارقام ظرفیت

از آنجا که پارامترهای ظرفیت می تواند موجب هزینه‌های قابل توجهی شود، راهنمایی لازم برای انتخاب مقدار، در این قسمت ارائه شده است. در پیوست 1 نیز، مقادیر پیشنهادی ظرفیت برای تعدادی از مصارف متداول، آورده شده است. این نقطه‌ی بسیار مناسبی برای شروع به توسعه ی تعیین ظرفیت برای هر نوع نصب صورت گرفته می‌باشد. می توان از آن ها همانطور که ارائه شده‌اند، و یا با تنظیماتی متناسب با الزامات خاص، استفاده کرد.

تعداد واحدها

برای مرکز داده‌ی کوچک و ساده، تعداد واحدها همان تعداد رک های IT در اتاق، خواهد بود. برای یک مرکز داده‌ی بزرگ، این تعداد واحدها سه مقدار را می تواند شامل شود: تعداد رک‌های IT موجود در یک منطقه، تعداد منطقه‌های موجود در اتاق و تعداد اتاق های موجود در تاسیسات. بیشتر این مقادیر توسط محدودیت های تاسیسات تعیین می‌شوند. اگرچه، یک مقدار کلیدی در طراحی، تعداد رک های IT در POD بوده که بر بسیاری از خصوصیات طراحی، تاثیر می گذارد. این منجر به این سوال شده که آیا مقادیر ارجحی برای رک های داخل یک منطقه وجود دارد یا خیر.

از آنجا که طبق تعریف یک منطقه، معمولا شامل سیستم های توزیع سرمایش و برق بوده، اغلب اجرای منطقه با ظرفیتی کمتر از 200 kW غیرعملی می‌باشد که این بسته به ظرفیت، به معنی بین 2 تا 6 رک می باشد. از آن جا که منطقه در کل به عنوان گروه های به هم پیوسته ای از رک‌ها، در نظر گرفته شده و عموما در اطراف منطقه وجود مسیر خروجی لازم برای کارکنان ، از لحاظ قانونی اجباری بوده، حداکثر تعداد رک ها در حدود 24 که(بسته به ظرفیت) به معنی بین 75 تا 500kW می‌باشد.

یک عامل کلیدی در تعیین ابعاد POD، استفاده از تجربه‌های آموزنده‌ی پیشین در رابطه با اعمال تغییرات و توسعه منطقه به منطقه‌ (در مقابل روش تغییرات رک به رک)، به شمار می‌رود. ابعاد کوچک‌تر POD امکان تغییرات کوچک‌تر را نیز فراهم می‌کند. منطقه‌ی 500 kW تقریبا به معنی تا 1000 سرور بوده که تنها برای سرویس دهندگان بزرگ رایانش ابری مناسب است. برای بسیاری از مشتریان، ابعاد POD، در بازه‌ی 50-100kW و در نتیجه 100 تا 200 سرور، عملی‌ و امکان‌پذیرتر است.

تعداد توصیه شده‌ی رک‌های فاوا در یک منطقه 8 تا 24 می‌باشد. مراکز داده‌ی بزرگ و کم‌ظرفیت تعداد بیشتری را پیشنهاد کرده در حالی که مراکز داده ی کوچک و پرظرفیت، تعداد کمتری را پیشنهاد می کنند.

متوسط توان مصرفی هر واحد در فاز طراحی

انتخاب متوسط توان مصرفی هر واحد در فاز طراحی، ممکن است بسیار سردرگم کننده و متناقض باشد. این انتخاب تاثیر بزرگی بر طراحی و هزینه‌ی مرکز داده داشته، و توصیه های متناقضی در این زمینه مشاهده می شود. ابتدا، باید توجه شود که بیشتر بررسی ها در این زمینه، مقادیر اوج مصرف و عدم قطعیت که در تعیین ظرفیت بسیار مهم بوده، را به درستی از یکدیگر تمایز نداده و جدا نمی کنند.

به یاد داشته باشید که مقدار متوسط توان مصرفی در طراحی، همان مقدار نامی توان متوسط هر رک بوده که در بزرگی جامعه آماری آن نوع رک ضرب شده باشد. اگر برای توان مصرفی هر رک در طراحی، مقدار 5kW در نظر گرفته شده، رک های 20 kW می توانند همچنان در منطقه باقی مانده تا زمانی که مقدار تعیین شده برای اوج مصرف برق، آن ها را در خود جای دهد. معمولا تمایلی وجود داشته که متوسط توان مصرفی هر رک در طراحی مرکز داده را مقداری بیش از حد نیاز تعیین می کنند، تا تجهیزاتIT آینده را نیز پوشش داده که گفته شده این مساله منجر به افزایش در الزامات برق شده و یا یک حاشیه‌ی امن ظاهری ایجاد می کند.

در نتیجه، انتخاب مقدار بالاتر، محتاطانه به نظر می‌رسد. اگرچه همان طور که پیشتر در این مقاله توضیح داده شد، این کار موثر نبوده و در واقع، تعیین مقداری بالاتر از آنچه در واقعیت اجرا خواهد شد، می تواند مرکز داده را به سمت چپ منحنی در تصویر 1 رانده که این منجر به هدر رفت بسیار زیاد و عدم بهره‌وری خواهد شد. آن دسته از اپراتورهای مرکز داده که مقدار متوسط توان مصرفی هر رک در طراحی را بالا انتخاب کرده و تصور کرده‌اند که مرکز داده ای طراحی می کنند که پاسخگوی نیازهای آتی نیز خواهد بود، با این شرایط نامساعد مواجه شده‌اند.

یک روش مناسب‌تر آن بوده که مصرف کلی برق مرکز داده را به kW انتخاب کرده و سپس واقعی‌ترین حدس ممکن را در مورد برق مورد انتظار هر رک، در نظر گرفت. پشتیبانی ظرفیت های آینده که از مقدار طراحی متفاوت هستند، با استفاده از پارامترهای عدم قطعیت و اوج مصرف، در قسمت‌های بعدی، بررسی خواهد شد.

بازه‌ی توان مصرفی هر رک در یک مرکز داده‌ی واقعی امروزی از 2 kW تا 30 kW به ازای رک است. اگرچه، مقدار متوسط بیش از 12 kW بسیار نادر بوده و اغلب در عملکرد بالای محاسبات(HPC) و یا مصارف رایانش ابری پرظرفیت قابل دستیابی است. اکثر مراکز داده‌ با کاربری های ترکیبی در سازمان ها مقدار متوسطی در بازه‌ی 4 kW تا 8 kW به ازای رک، را اختیار می کنند. اگرچه در کل، مقادیر متوسط فعلی در مرکز داده، را نمی توان عامل مناسبی برای پیش بینی مقادیر آتی در نظر گرفت.

امروزه به علت تجمیع، استانداردسازی، ظهور تکنولوژی جدید سرورهای و مجازی‌سازی، ظرفیت قابل استفاده در رک به شدت در حال افزایش است. به عنوان یک قانون کلی، در مراکز داده ی جدید که برای مصارف ترکیبی IT طراحی شده باید متوسط توان مصرفی هر رک در فاز طراحی تعیین شده‌ حداقل تا 50% بیشتر از  مصرف فعلی سازمان در نظر گرفته شود.

عدم قطعیت در توان مصرفی هر واحد

با تعیین اثربخش ظرفیت تقریبا همواره مقداری غیر صفر برای عدم قطعیت توان مصرفی هر واحد، وجود خواهد داشت. تنها استثنا در این زمینه، حالتی مانند HPC در زمانی است که تاسیسات ممکن است برای اجرای IT مشخص و استانداردی ساخته شده که در آن، الزامات برق تجهیزات IT کاملا مشخص است.

باید به خاطر داشت که با این مقدار عدم قطعیت می توان توضیح داد که چگونه انتظار می‌رود ظرفیت متوسط توان در سرتاسر تمام رک‌ها با متوسط توان مصرفی هر واحد در فاز طراحی متفاوت باشد. از این عدد نمی توان برای رسیدگی به تغییرات بین هر یک از واحدها (بین رک‌ها، اتاق‌ها و غیره) استفاده کرد.

به طور مثال، اگر از قبل معلوم باشد که مصرف IT شامل 80% رک های 4 kW و 20% رک های 20 kW بوده، در آن صورت مطمئن می شویم که متوسط توان مصرفی هر واحد در فاز طراحی 7.2 kW در رک(متوسط وزنی) خواهد بود. حتی با این که ترکیبی از رک ها در بازه‌ی 4 kW تا 20kW در این مثال وجود داشته، عدم قطعیت توان هر واحد از تمام این رک‌ها صفر می باشد. به جای آن اگر درصد رک‌های 4kW دقیقا 80% نباشد، و فرضا بین 70% تا 90% قرار داشته باشد، و باقی رک‌ها همان 20kW باشند، در این صورت عدم قطعیت توان هر واحد ±1.6 kW و یا 22% خواهد بود.

برای تعیین عدم قطعیت توان هر واحد، فرض شود که مرکز داده کاملا زیربار رفته و پیش‌فرض های پیاده‌سازی IT که به پایین‌ترین توان مصرفی متوسط در رک، منجر شده و پیش‌فرض هایی که به بالاترین توان مصرفی متوسط در رک، منجر شده، را در نظر گرفته و سپس نصف تفاوت مشاهده شده بین این اعداد به کار گرفته شود. از آنجا که طراحی برای عدم قطعیت هزینه‌بر بوده، روش مناسب تر آنست که از بدترین شرایط و پیش‌فرض ها در مورد بالاترین و یا پایین ترین ظرفیت استفاده نکرده و به جای آن، آن پیش فرض هایی را در نظر گرفت که ظرفیت را در بازه‌ای با 80% اطمینان تعیین می‌کند.

اوج مصرف برق به ازای هر واحد

تقریبا در هر مرکز داده تنوعی از توان را در میان رک‌های می‌توان مشاهده کرد. معمولا می توان رک‌هایی را یافت که با توانی از 50 وات (با patch panels) تا 30 kW(سرورهای بلید با عملکرد بالا و به کار گرفته شده با تمام ظرفیت) را عمل می کند. این امر بیانگر بازه‌ی 60 تا 1 در پیش‌فرض‌های توان می‌باشد.

اگر لازم باشد مرکز داده با تنوعی از توان در رک ها سروکار داشته باشد، سیستم‌های توزیع برق و سرمایش باید قادر باشند که برق و سرمایش مورد نیاز برای مقدار اوج مصرف را در هر رک، تامین کنند. در نتیجه، توزیع برق و سرمایش باید اندازه‌ای بیشتر از مقدار مورد انتظار در متوسط توان مصرفی هر واحد در فاز طراحی داشته باشند.

متوسط توان مصرفی هر تجهیز در فاز طراحی عامل تعیین کننده در انتخاب منابع برق و دستگاه های سرمایش بوده ولی، اوج توان مصرفی رک عاملی است که در تعیین مشخصات فنی شبکه توزیع برق و سرمایش نقشی تعیین کننده دارد.

انتخاب اندازه ی بیشتر از حد نیاز برای توزیع برق و سرمایش هزینه بر بوده ولی، امکان آن را فراهم کرده تا پاسخگوی تغییرات توان در میان رک‌ها باشد. زمانی که نسبت بین اوج مصرف برق رک و متوسط توان مصرفی هر واحد در فاز طراحی 3X و یا بیشتر بوده، ممکن است روش مطلوب در مدیریت هزینه‌ها، تلاش در جهت کاهش این نسبت باشد. دو تکنیک به کار رفته برای بهینه‌سازی نسبت اوج مصرف به متوسط توان مصرفی هر واحد در فاز طراحی عبارتند از:

1. رک های با توان مشابه را در منطقه ها دسته‌بندی کرده و PODها با ظرفیت های متفاوت تعیین شود. متوسط توان مصرفی هر رک در فاز طراحی بین منطقه‌ها متفاوت خواهد بود، ولی نسبت بین اوج مصرف و متوسط توان در طراحی برای هر یک از منطقه ها کاهش خواهد یافت.
2. با اتخاذ سیاست‌هایی، حداکثر توان مصرفی در رک کنترل شود. تا اگر به نصب تجهیزات، بالای ظرفیت مشخصه هر رک نیاز شود بتوان آن تجهیزات را بین چند رک مختلف به گونه ای توزیع کرد که بارگذاری در محدوده مجاز رعایت شود. با بهره‌برداری از اوج توان مصرفی، دیگر به پیش‌بینی برای تجهیزات توزیع برق و سرمایش فوق العاده نیاز نخواهد بود. اگر قرار باشد مرکز داده دارای درصد کوچکی از رک‌های سرورهای تیغه‌ای باشد، این تکنیک بسیار موثر خواهد بود.

برای کمک به ایجاد مقادیر اوج مصرف مناسب، مقادیر معمول برای کاربردهای مختلف در پیوست 1 آورده شده است.

نسبت توان مدیریت شده

ویژگی های مدیریت توان در سیستم های مدرن IT، موجب شده متوسط برق مصرف شده در طول زمان، کمتر از مقدار مصرف در شرایط حداکثری بار باشد. در محاسبات ظرفیت، سیستم های برق و سرمایش باید توان مصرفی IT در شرایط حداکثری بار (کارایی)، لحاظ شود. اگرچه، جهت ایجاد بهره‌وری الکتریکی، متوسط توان مصرفی عدد مهم تری به شمار رفته چرا که این عدد، سطح متوسط مصرف برق عملیاتی مورد انتظار را در سیستم های برق و سرمایش، نشان می‌دهد.

هر چه این نسبت کوچک‌تر بوده، سیستم های برق و سرمایش بیشتر مجبور به عمل تحت شرایطی با مصرف کم خواهند بود که در این شرایط، بهره وری آن ها نیز معمولا کاهش می‌یابد. نسبت توان مدیریت شده در بیشتر مراکز داده ی امروزی، تقریبا 95% است، ولی پیش‌بینی می‌شود که در چند سال آینده، برای بسیاری از مصارف، این عدد بین 40% تا 80% قرار خواهد گرفت.

توجه شود که نسبت توان مدیریت شده مشخصا هیچ یک از ناحیه‌ی مرکز داده، ظرفیت نامی و سرمایش و یا سیستم های توزیع برق و سرمایش را تغییر نداده و اصلاح نمی کند. هرچند که این نسبت شدیدا بر بهره‌وری و یا PUE مرکز داده، تاثیر گذاشته، که باید در انتخاب طراحی سیستم نیز موثر باشد. مقادیرِ نسبت توان مدیریت شده‌ی پایین، به طراحی‌های مدولار و انعطاف‌پذیر مرکز داده اشاره داشته و یا بهره‌وری بسیار خوبی در مصارف کم نشان داده، که به صرفه جویی های قابل توجه در هزینه‌ی انرژی چرخه‌ی عمر مرکز داده می انجامد. بهره‌وری انرژی پیش بینی شده برای مرکز داده که بدون توجه به نسبت توان مدیریت شده، محاسبه و شبیه‌سازی شود، در نهایت به محاسبات بیش از حد خوش بینانه و مشکوک منجر خواهد شد.

سیاست های ظرفیت IT

در بسیاری از موارد، اپراتور مرکز داده ممکن است ظرفیت رک را انتخاب کند. به طور مثال، در نصب سرورهای معمولی در رک ها، ظرفیت رک می‌تواند به سادگی با ایجاد فضای خالی در رک، محدود شود. علاوه بر آن، ممکن است یک اپراتور در اجرای هر یک از دستگاه ها هوشمندانه تر عمل کند و بتواند دستگاه‌های کم ظرفیت و پرظرفیت را داخل رک‌ها ترکیب کرده تا مقدار وات به ازای رک را کنترل کند. مسئولیت این تصمیمات ممکن است بر عهده‌ی اپراتور مرکز داده بوده و یا تحت کنترل کاربران و دیگر نهادها قرار گیرد.

هر مرکز داده باید سیاست‌هایی را در ارتباط با ظرفیت اتخاذ کند. اوج مصرف برق رک نباید با کمک حدس‌هایی مبتنی بر بدترین حالت با بیشترین توان دستگاه های IT آینده تعیین شود، بلکه باید با ایجاد محدوده‌ی منطقی تعیین شده، تجهیزات را واداشت تا در آن محدوده باقی بمانند. مراکز داده با بازه‌ی پیش بینی شده‌ی وسیعی از توان کارکردی هر رک، از محدود شدن برق مصرفی رک توسط POD بهره برده و PODها را مشخصا برای ظرفیت بالا و یا ظرفیت کم، اجرا کرده و سپس، سیاست هایشان را با توجه به نوع POD، تعیین می کنند.

یک مشکل رایج که در بسیاری از مراکز داده موجود فعلی مشاهده شده، آنست که بعضی از تجهیزات مورد استفاده و بعضا اکثر آنها، در سطحی فراتری از میانگین یا اوج ظرفیت طراحی مرکز داده، درحال کار هستند و این اضافه بار منجر به کمبود توانایی سرمایش یا توزیع برق شود،‌ این شرایط به مصرف بیش از حد و حرارت بیش از حد ختم می‌شود.

چنین شرایطی واضح و روشن است. هر چند همان طور که پیشتر اشاره کردیم، پیاده سازی در ظرفیت کم نیز به مشکل بر خواهد خورد چرا که ممکن است موجب شده انبوهی از ظرفیت برق و سرمایش حتی در  زمان زیربار رفتن کامل مرکزداده، مازاد و بلااستفاده باقی بماند. استفاده‌ی ضعیف، پراکنده و بی‌دلیل از فضای رک‌ها یکی از عوامل اصلی در ظرفیت کم است. در نتیجه، در هر دو اجرای کم ظرفیت و پرظرفیت رک، باید بر مصرف برق نظارت شده و سیاست‌ها بر آن اعمال شود. یک سیاست ظرفیت به عنوان نمونه در پیوست 2 آورده شده است.

کاربرد در مرکز داده ی مدولار

تکنیک‌ها و روش های توضیح داده شده، می توانند در هر پروژه‌ی منحصر به‌ فرد مرکز داده به کار گرفته شوند. اگرچه، این روش ها در تعیین ظرفیت مراکز داده‌ی استاندارد نیز کاربرد دارند. ماژول‌های استاندارد از پیش طراحی شده و یا طراحی های مرجع برای PODها، اتاق‌ها، و تاسیسات می توانند و حتی باید با تعیین ظرفیت توسط این روش، به خوبی طراحی مراکز داده را تسهیل سازند.

برای دریافت اطلاعات بیشتر در مورد طراحی مدولار و نحوه‌ی اعمال تعیین ظرفیت و دیگر موارد، به گزارش ” شناسایی ساختار مراکزداده مدولار “[7] مراجعه شود.

نتیجه گیری

زمانی که ظرفیت برق مرکز داده تنها با یک عدد مانند W/ft² و یا W/m²،  مشخص می‌شود، عدد از توضیح ویژگی‌های مهمی از عملکرد ناتوان خواهد بود. این موضوع منجر به سردرگمی چشمگیری در طول فرایندهای تعیین ظرفیت، طراحی و تحویل موقت شده و اپراتورها را با درک محدودی از توانایی های مرکز داده مواجه خواهد کرد.

منابع مرکز داده باید به نحوی مشخص شود که امکان در نظر گرفتن محدودیت های کلیدی طراحی فراهم شده، در حالی که راهنمایی شفافی نیز برای مهندسان و پیمانکارانی که جزییات را طراحی می کنند، ارائه شود. در این فرایند تعیین (ظرفیت) باید اطلاعات مورد نیاز اپراتورهای مرکز داده برای تعیین سیاست ها و رویه های عملیاتی ارائه شده و به اپراتورها اطمینان داده شود که عملکرد مرکز داده قابل پیش‌بینی خواهد بود.

رویه‌ای منطقی و سریعی که در این مقاله معرفی شده، در مستندسازی الزامات فضا و ظرفیت مرکز داده موثر واقع شده و جزییات کافی را برای اطمینان از قابل پیش بینی بودن و عدم اتکا به شانس در عملکرد مرکز داده، را فراهم می‌آورد. زمانی که ظرفیت مرکز داده با این روش مشخص شده، در قیاس با روش های پیشین، راهنمای بسیار واضح تر و کامل‌تری برای جزییات در طراحی مرکز داده در اختیار قرار خواهد گرفت.

حتی مراکز داده با اطلاعات ناقص و برنامه‌های نامعلوم نیز می توانند از این روش بهره برند. جهت کمک به کاربران در تعریف تعیین ظرفیت، مقادیر معمول طراحی ارائه شده است. پیش‌بینی می‌شود که منطقه ها، اتاق ها و تاسیسات استاندارد، مدولار و از پیش طراحی شده نیز با استفاده از این روش می توانند ظرفیت را تعیین کرده و طراحی مرکز داده را تسهیل کنند.

 

پیوست 1: کاربرد پارامترهای معمول در تبیین شاخص ظرفیتی

در جدول 1A مقادیر معمول نقاط آغازین در محاسبه‌ی سطح و ظرفیت مرکز داده آورده شده است. باید توجه داشت که بعضی ای این مقادیر را نمی‌توان به همه‌ی مراکز داده تعمیم داد چرا که این مقادیر به طراحی یا مدل کسب و کار بستگی داشته و باید برای پروژه‌ای خاص، تعیین شوند.

جدول 1A: پنج پارامتر کلیدی مورد نیاز در تعیین شاخص ظرفیت و سطح

پارامتر تعیین شاخص ظرفیت	شرکت‌های کوچک	شرکت‌های بزرگ	هم‌مکانی	رایانش ابری	HPC
تعداد رک در هر POD	4-10	10-14	6-14	10-20	10-20
متوسط توان هدف طراحی در رک(W): تمامی مصرف برق رک متوسط	4kW	6 kW	4 kW	12 kW	16 kW
او مصرف برق هر واحد (W): حداکثر مصرف برق در پرمصرف‌ترین رک	8 kW	12 kW	12 kW	25 kW	25 kW
عدم قطعیت واحد برق(%): عدم قطعیت تخمین‌ها در متوسط توان هدف در طراحی	50%	30%	50%	30%	50%
نسبت توان مدیریت شده(%): متوسط مصرف واقعی برق به تمام مصرف برق رک‌ها	90%	80%	90%	70%	90%
نوع فضای رزرو شده برای ذخیره‌سازی	مکان‌های رک	مکان‌های POD	مکان‌های POD و اتاق	مکان‌های POD و اتاق	مکان‌های POD و اتاق
مقدار فضای رزرو شده برای ذخیره‌سازی	5-10% از کل تعداد رک	1 POD در هر اتاق	بسته به مدل کسب و کار	1 POD در هر اتاق	1 POD در هر اتاق
فضای رزرو شده برای برق و سرمایش	بسته به طراحی	بسته به طراحی	بسته به طراحی	بسته به طراحی	بسته به طراحی
فضای رزرو شده برای سیستم‌های جانبی	5% از اتاق	5% از اتاق	10% از اتاق	5% از اتاق	5% از اتاق
فضای رزرو شده برای دستگاه ذخیره‌ساز	10% از اتاق	5% از اتاق	هیچ	هیچ	هیچ
فضای رزرو شده برای خروجی، رمپ‌ها و ستون‌ها	50% از اتاق	30% از اتاق	بسته به طراحی	20% از اتاق	20% از اتاق

 

پیوست 2: نمونه‌ای از بیانیه‌های در ارتباط با رویه‌های تعیین شاخص ظرفیت

برای اطمینان از عملکردی قابل اطمینان و قابل پیش‌بینی در این مرکز داده، رویه‌های زیر به عنوان راهنمایی در نصب تجهیزات فاوا، ارائه شده است:

رویه‌های شاخص ظرفیت این منطقه (POD)، برای متوسط توان هر رک xx kW و اوج مصرف xx kW طراحی شده است. تمام فضای RU باید با تجهیزات فاوا یا پنل‌های کاذب اشغال شده تا بهره‌وری به حداکثر رسیده و نقاط پرحرارت کاهش یابد. ممکن است هر یک از رک‌ها را نتوان برای توان بیشتر از حداکثر ظرفیت، پیکر بندی کرد چرا که ظرفیت سیستم توزیع برق برای پشتیبانی مصارفی بیشتر از مقدار اوج مصرف، تعیین نشده و همچنین ممکن است رک جریان هوای کافی دریافت نکند. اگر توان یک رک از اوج مصرف فراتر رود، یکی از گزینه‌های زیر دنبال خواهد شد: ·         بعضی از مصارف IT برداشته شده و در دیگر رک‌های در دسترس که مصرفی در مرز محدوده‌ی اوج مصرف ندارند، توزیع شود. ·         در فضاهایی از دپارتمان طراحی مرکز داده، به کار گرفته شود که استفاده از رک‌های کناری ممکن است نیازمند کابل‌کشی مجدد و/یا محدودیتی در استفاده باشد.  ·         منطقه‌ی جایگزینی را پیدا و یا اجرا و راه‌اندازی کرده که ظرفیت برق رک در آن، مقدار اوج مصرف بالاتری داشته باشد. اگر رک‌ها با دستگاه‌های کم ظرفیتی مانند patch panel ها، سویچ‌ها، دستگاه‌های ذخیره‌سازی و دیگر دستگاه‌های کم‌مصرف، پیکربندی شده باشند، اطمینان حاصل کنید که متوسط توان هر رک در این POD در حدود ظرفیت متوسط نگه داشته شود. نصب بیش از حد تجهیزات کم‌ظرفیت می‌تواند به بروز ظرفیت مازاد و بلااستفاده‌ی برق و سرمایش، منجر شود. اگر متوسط توان کمتر از ظرفیت منطقه باشد، اجرای یکی از اقدامات زیر توصیه می‌شود: ·         نصب فیزیکی دستگاه‌ها را مرور و بازبینی کرده تا اطمینان حاصل شود که نحوه‌ی چیدمان، فضای بلااستفاده‌ی RU را به حداقل رسانده است. ·         نصب بعضی از دستگاه‌های کم‌ظرفیت در قسمت انتهایی رک و متصل به ستون‌های پشتی صورت گرفته تا فضای اشغال شده‌ی RU کاهش یافته و بتوان به شکل موثرتری از این فضا استفاده کرد. ·         در صورت امکان، از patch pannelهای پرظرفیت استفاده شود. برای تعیین برق مصرف شده در رک‌های موجود، تجهیزات در دسترس و آماده‌ی نصب، یا تجهیزات پیشنهادی، لطفا با مهندسین دپارتمان مرکز داده مشورت نمایید.

 

[1] – A capital expenditure or Capex

[2] – این نکته در مورد ظرفیت های معمول اجرا شده ی امروزی درست است. هزینه های فضا تنها زمانی قابل قیاس با هزینه های سرمایش و برق بوده که ظرفیت کمتر از 1 kW در رک باشد.

[3] – توجه شود که این یک سلسله مراتب کلی بوده و تمام آن برای مراکز داده‌ی کوچک‌تر ممکن است‌ قابل اجرا نباشد. به طور مثال، در یک اتاق سرور کوچک، تاسیسات ممکن است تنها به یک اتاق با یک منطقه، نیاز داشته باشد در نتیجه، تعیین ظرفیت بسیار ساده خواهد بود.

[4] – برای تعریف منطقه‌ (POD) مرکز داده، به حاشیه رجوع شود. منطقه ها گاهی تحت عنوان ناحیه ها، خوشه ها و یا ردیف ها نیز نامیده می‌شوند. این کلمات جایگزین معانی مختلفی در طراحی مرکز داده داشته و چندان مفید نخواهند بود. در مراکز داده‌ی کوچک ممکن است این سطح حذف شده و به سادگی رک‌های IT در اتاق‌ها اجرا شوند.

[5] – مجددا توجه شود که بالاترین ظرفیت برای لحاظ شده در بعضی رک ها در اوج مصرف، ارائه شده است. کل مصرف برق رک ها نمی‌تواند از مقدار برق محاسبه شده از مقدار متوسط طراحی فراتر رود.

[6] – در نظر گرفتن فضای لازم برای دسترسی از جلو و عقب، به عنوان قسمتی از سطح اشغال رک، مفید خواهد بود چرا که در زمان اضافه یا خارج کردن رک از منطقه، این دسترسی‌های مورد نیاز و فضاهای خروجی به طور اتوماتیک محاسبه می‌شوند و در نتیجه، محاسبه‌ی جداگانه‌ی این فضای کلی خروجی دیگر نیاز نخواهد بود.

[7] – White Paper 160, Specification of Modular Data Center Architecture