在數(shù)據(jù)中心設計層面，一個重要的趨勢是提高功率密度。鑒于數(shù)據(jù)中心的空間限制，其需要更高效的運作，以應對電力需求和成本的上升，很明顯，將每臺機架投入更多的資源是一個非常實用的解決方案。但是，這一方案除了擁有其固有的好處之外，提高功率密度也為一些數(shù)據(jù)中心運營商帶來了一些必須解決的問題和挑戰(zhàn)。

功率密度的趨勢

低功率密度往往等同于效率低下。如此寶貴的空間資源僅僅由如此少的IT設備資源所消耗，同時其還需要消耗更多的設備維護成本。位于圣克拉拉的高密度托管提供商Colovore公司的CFO兼聯(lián)合創(chuàng)始人本·庫格林指出：“當前，典型數(shù)據(jù)中心的客戶部署的機架都是大約每臺機架8–12千瓦的系列，雖然某些數(shù)據(jù)中心的密度要求更高，但接近20+千瓦的現(xiàn)象在大多數(shù)進行大數(shù)據(jù)分析處理的密集型應用程序來說仍然是罕見的。但與此同時，美國仍然有某些沿海地區(qū)的典型的數(shù)據(jù)中心的機架為4–5千瓦(而這還是10年前修訂的標準)。”

在托管空間，只支持低功率密度的造價是非常昂貴的，因為全租用機架空間可能由于缺乏足夠的電源而無法使用。盡管機架上裝備了大量的設備，但托管空間的基礎設施配套能力不匹配。“客戶可以在他們現(xiàn)有的服務器基礎設施上輕松地完成每臺機架8-10千瓦的部署，但因為大多數(shù)數(shù)據(jù)中心設計建成的是僅支持4-5千瓦的，這樣他們就必須跨機架實施半機架裝備運行，否則就不能很好的實施冷卻。但客戶已經(jīng)為全機架買單了，盡管其實只是用了半機架的負載資源。這無疑是一種浪費。”

對于功率密度最為明顯的約束之一便是配電基礎設施，公用電力公司提供的電源和數(shù)據(jù)中心的備用設施的水平都會影響到功率密度。對于公用電力公司所提供的每瓦的電力，數(shù)據(jù)中心必須有足夠的UPS和柴油發(fā)電機，以便在停電的情況下繼續(xù)保持其運營能力。當然，布線、配電單元(PDU)等提供電源給專用機架。庫格林指出，“大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心并沒有太多的電力以供給給其設施，所以他們希望能夠從公共電力公司獲得更多的電力資源，并在數(shù)據(jù)中心的核心基礎設施(電氣和機械基礎設施、發(fā)電機，配電設備等)上面花了很多錢。因此，對數(shù)據(jù)中心而言，獲得更多的電力和成本問題是兩個重要的變量。”

但也許數(shù)據(jù)中心面臨的更為迫切的需要是冷卻：設備每消耗一瓦的電力，就會產(chǎn)生一瓦的余熱，必須除去，以保持數(shù)據(jù)中心所需的操作溫度。這也是數(shù)據(jù)中心最初不打算將設備安置為更高密度所希望規(guī)避的最大的挑戰(zhàn)。“當你數(shù)據(jù)中心機架層面的密度增加，服務器必然會生成更多的熱量，因此更多的冷卻也是必需的。” 庫格林說。“冷卻基礎設施是非常昂貴的，但最大的挑戰(zhàn)可能來自于試圖改造舊的數(shù)據(jù)中心。大多數(shù)這些舊的數(shù)據(jù)中心建設初期屋頂設得都很低，在許多情況下，實在沒有簡單的方法來提高密度。除了拆毀之外幾乎沒有什么方法，但這對于數(shù)據(jù)中心而言是非常難的，特別是當其還托管著某些客戶的時候。”

不幸的是，對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心企業(yè)而言，將其數(shù)據(jù)中心改造成具備更高密度的數(shù)據(jù)中心意味著除了等待半導體摩爾定律帶來的改進之外，其數(shù)據(jù)中心的設施沒有多大實際潛力能夠繼續(xù)擴大計算能力了。但是，這種方法需要購買新的IT設備，更好的工藝技術，以及摩爾定律的不斷進步，才能實現(xiàn)更高的效率，而這可能需要十年左右的時間。庫格林指出，在這種情況下，“主機托管提供商只能簡單地使用‘分散負載’，或迫使客戶來跨半機架來使用他們的基礎設施。但是，這顯然是不可持續(xù)的，他們最終將隨著客戶服務器的刷新，耗盡他們的空間、電力、冷卻資源。”

整合基礎設施驅動更大的功率密度

向更高的密度的推進可以歸納為長期的基礎設施整合：基本上，將更多計算機資源打包到更小體積，可以通過數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有的趨勢來實現(xiàn)，如采用虛擬化技術、刀片服務器和微服務器。整合基礎設施“對于數(shù)據(jù)中心的運營效率有著非常積極的作用。”庫格林說，“因為IT部署的物理尺寸較小，IT經(jīng)理管理的權限更有限，而當服務器的數(shù)量減少了30-50%時，帶給總功率的節(jié)約才會更有意義。”

這種方法旨在通過提升機架層面的電力，降低數(shù)據(jù)中心的總功率(其具有雙重的好處，因為其同時也降低了冷卻要求)。“其實，每一臺服務器的電力需求大大增加，但總體而言，總功率是可以下降的，因為所需要的服務器數(shù)量更少了。這便是高密度數(shù)據(jù)中心為何變得如此重要的原因了，他們是讓一切基礎設施得以整合的關鍵。今天的服務器可以輕松地實現(xiàn)每臺機架單元達到500瓦到1千瓦! ”

高密度帶來的散熱問題

當然，通過高密度可以帶來更高的效率，每臺機架均安置了盡可能多的設備，從而幫助數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)盡可能的節(jié)省成本、占地空間和解決管理難題。但好東西都是需要權衡的：在這種情況下，會造成冷卻問題。低密度部署通常是采用空氣冷卻，并且，在大部分地區(qū)，都是采用免費的室外空氣冷卻的方法。但隨著數(shù)據(jù)中心功率密度的上升，空氣冷卻變得令人望而卻步，而且會變得造價昂貴。

較之均勻分布的直接冷卻源，產(chǎn)熱的解決方案更類似于提供點源：產(chǎn)熱的究竟是由于機架、服務器、甚至處理器的級別。“服務器芯片級的處理能力似乎在持續(xù)增加，但在某些時候，他們將需要內(nèi)部冷卻，立即在服務器附近實施冷卻，以防止產(chǎn)生的熱量增加太多。”因此僅僅對一個點采用空氣冷卻可能仍然不夠，需要采用水資源(或其它液體)提供更大的冷卻能力，但是，這需要犧牲掉一部分的基礎設施交付能力，提升執(zhí)行上也存在一定的困難，如實現(xiàn)冷卻水與設備電子元件的嚴格隔離。

部署一個基于水的冷卻方案可能會導致某些問題，特別是對于老舊的數(shù)據(jù)中心而言尤其如此，必須改造現(xiàn)有的基礎設施。但對于那些能夠支持不斷增長的功率密度的新設施而言，水冷卻的方案能夠將冷卻能力輸送到任何需要的地方，而不是僅僅試圖讓整個房間保持足夠低的溫度，以確保服務器空間整體運行溫度。諸如熱通道/冷通道的方案可以讓冷卻空氣有一些回旋的余地，但這種方案也有其局限性。最后，隨著數(shù)據(jù)中心高密度要求的不斷提升，浸泡技術可能會成為必要的技術。現(xiàn)在已經(jīng)有一些公司在提供這方面的產(chǎn)品，包括不導電的流體，以及將冷卻液體輸入服務器機箱。

高密度的回報

對于客戶，無論他們是托管服務的客戶，或者就是數(shù)據(jù)中心運營商，高密度在在總擁有成本(TCO)方面能夠為他們提供重要且豐厚的利潤回報。庫格林說， “當一家公司可以整合其IT基礎設施到虛擬化的刀片服務器，其可以立馬節(jié)省20%至30% 以上的經(jīng)營成本，以及每臺機架4-5千瓦的遺留部署。這在很大程度上是由于節(jié)省了每月機柜需要容納服務器所消耗的電力費用，以及降低了交叉連接和頂級機架交換機的成本。”對于托管服務客戶和數(shù)據(jù)中心運營商，這意味著進一步擴大了現(xiàn)有機架的可用空間，賣弄去了構建新的數(shù)據(jù)中心的麻煩和費用，其收益絕不僅僅是直接的成本節(jié)約。

對于那些想要繼續(xù)保持其舊有的數(shù)據(jù)中心建筑或走托管路線的企業(yè)而言，隨著能源價格上漲和IT服務需求的增長，他們需要提高效率和節(jié)省地面和機架空間。因此，數(shù)據(jù)中心實施高密度功率是一大趨勢，但同時也是一項挑戰(zhàn)：將更多的容量打包到機架需要建設相關的配電設備，備份基礎設施、冷卻能力也需要提供相關的部署支持，以保持管理操作溫度。雖然冷卻液的方法目前可能還不是一個較為普遍的趨勢，但隨著空氣冷卻方法在高密度環(huán)境開始逐漸變得不太實用和實惠，其會變得更加普遍。然而，無論從空氣冷卻過度到液體冷卻方法需要多久的時間，數(shù)據(jù)中心功率密度無疑將繼續(xù)攀升，因為企業(yè)都在試圖最大限度地利用自己的資源。

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