Rozměry a konstrukční návrh serverového racku datového centra: pohledy na U-prostor, tepelnou správu, zatížení-nosnou kapacitu a výběr distribuce energie

S neustálým vývojem technologií, jako je cloud computing, velká data, umělá inteligence a edge computing, infrastruktura datových center-včetně serverů, přepínačů, úložných zařízení a napájecího zařízení- stále více směřuje ke konfiguracím s vysokou hustotou, modularitou a-skříňovými konfiguracemi. Vzhledem k tomu, že kritická infrastruktura obsahuje IT vybavení, organizuje kabeláž, řídí distribuci energie a usnadňuje odvod tepla, není návrh serverových skříní pouze záležitostí „úložiště zařízení“. Místo toho přímo ovlivňuje využití prostoru, tepelnou účinnost, spolehlivost napájení a dlouhodobou-efektivitu provozu a údržby (O&M).

 

Při stavbě datového centra vyžaduje výběr skříně komplexní posouzení faktorů, jako jsou rozměry zařízení, počet rackových jednotek (U), šířka a hloubka skříně, hmotnost zařízení, hustota výkonu a vedení kabelů. Pro inženýry a specialisty na nákup je porozumění standardním rozměrům skříně a konstrukčním parametrům zásadní pro efektivní plánování serverové místnosti a konfiguraci zařízení.

 

 

 

"U" běžně používané v serverových skříních znamená "Unit" a slouží jako standardní míra výšky racku. Zařízení pro montáž do racku-je obvykle navrženo na základě přírůstků výšky U-, což zajišťuje, že servery, přepínače, úložná zařízení a další hardware pro montáž do racku- od různých výrobců lze nainstalovat do jednotného systému skříně.

 

Standardní výška pro 1U je 44,45 mm (4,445 cm). V důsledku toho je zařízení 2U vysoké přibližně 88,9 mm a zařízení 4U je vysoké přibližně 177,8 mm. Je důležité si uvědomit, že hodnocení U se vztahuje konkrétně na montážní výšku- racku a neodpovídá skutečným fyzickým rozměrům zařízení; součásti, jako je podvozek, kolejnice, montážní uši a další konstrukční prvky, mohou zabírat další prostor.

 

Ve standardním 19palcovém rackovém systému je montážní šířka 19 palců (482,6 mm). Skutečná šířka samotného šasi serveru je obvykle menší než tento údaj, protože zařízení je připevněno k vertikálním montážním lištám skříně pomocí montážních uší, posuvných lišt nebo jiných montážních mechanismů.

 

Servery 1U, 2U a 4U jsou nejběžnějšími formovými faktory. 1U zařízení umožňují vyšší počet výpočetních uzlů v omezeném prostoru racku, takže jsou ideální pro prostředí s vysokou-hustotou. Oproti tomu 2U a 4U zařízení nabízí větší vnitřní objem, pojme více pevných disků, rozšiřujících karet, chladicích komponent a dalších funkčních modulů.

 

Rozhodnutí o výběru by měla být založena na komplexním vyhodnocení výpočetního výkonu, kapacity úložiště, rozšiřitelnosti a spotřeby energie. Některé malé-projekty mohou například využívat 6U serverový rack pro umístění okrajových výpočetních jednotek, síťového vybavení nebo laboratorních přístrojů. Přestože tyto racky nabízejí omezený vertikální prostor (U-prostor), efektivně splňují požadavky na centralizovanou instalaci malých IT systémů, komunikačních terminálů a řídicích zařízení.

 

 

42U je jednou ze standardních výšek racků, které se často vyskytují v datových centrech. Na základě standardního výpočtu 44,45 mm na U je teoretický vertikální montážní prostor pro 42U rack přibližně 1,866.9 mm. Skutečná vnější výška však zahrnuje další prostor pro horní panel, základnu, kolečka nebo jiné konstrukční prvky; proto nelze určit skutečné vnější rozměry stojanu pouze na základě jeho U-prostoru.

 

Běžné šířky stojanu jsou 600 mm a 800 mm. Rozvaděče o šířce 600 mm jsou vhodné pro standardní instalace serverů a síťových zařízení, zatímco rozvaděče o šířce 800 mm obvykle nabízejí větší boční prostor pro vedení kabelů, takže jsou ideální pro servery s vysokou-hustotou, komplexní kabelážní systémy a datová centra s přísnými požadavky na správu kabelů.

 

Hloubky stojanů se výrazně liší, běžné velikosti se pohybují od 600 mm do 1 200 mm (včetně 600, 800, 900, 960, 1 000, 1 100 a 1 200 mm). S vývojem serverových platforem se podstatně zvýšily požadavky na hloubku, hmotnost a tepelnou správu určitých zařízení s vysokým výkonem (HPC) a GPU serverů, což vyžaduje shodu mezi hloubkou stojanu a skutečnými rozměry zařízení.

 

Pro prostředí s omezeným prostorem,-jako jsou kanceláře, laboratoře nebo serverové místnosti na okrajích{1}}, lze použít malé datové skříně. Tyto skříně obvykle nabízejí omezenou montážní kapacitu, ale jsou vhodné pro centralizovanou instalaci síťových přepínačů, komunikačních zařízení, jednotek UPS a dalších malých IT zařízení.

 

Pokud je počet zařízení nízký a síťová zařízení je třeba instalovat u zdi, je schůdnou možností{0}}síťová skříň pro montáž na zeď. Zatímco nástěnné-jednotky šetří prostor na podlaze, je důležité ověřit-únosnost stěny, hmotnost zařízení a nezbytné podmínky pro odvod tepla.

 

 

42U rack nemusí nutně pojmout 42 1U servery. Teoretický U-prostor představuje pouze vertikální montážní plochu; skutečné nasazení vyžaduje zohlednění vzdálenosti mezi zařízeními a také prostoru, který zabírají přepínače, jednotky PDU, komponenty pro správu kabelů a kanály proudění vzduchu pro chlazení.

 

Zatímco rack by teoreticky mohl pojmout velký počet zařízení, pokud by byl plně obsazen jednotkami 1U, skutečné nasazení vyžaduje úpravy založené na faktorech, jako je spotřeba energie zařízení, způsoby chlazení, kapacita napájecího zdroje a prostor pro údržbu. U serverů 2U a 4U se počet instalovatelných jednotek odpovídajícím způsobem snižuje kvůli většímu vertikálnímu prostoru, který každé zařízení zabírá.

 

Určení počtu zařízení obvykle vyžaduje vyvážení tří dimenzí: prostoru, napájení a chlazení. Úvahy o prostoru zahrnují výpočet jednotek racku (U-prostoru) potřebných pro zařízení a správu kabelů. Úvahy o napájení zahrnují posouzení vstupní kapacity stojanu a zatížení PDU. Úvahy o chlazení vyžadují konfiguraci na základě skutečného tepelného výkonu IT zařízení a chladicí kapacity datového centra.

 

Ve scénářích s vysokou{0}}hustotou počítačů se kapacita napájení často stává limitujícím faktorem pro hustotu racku dříve, než fyzický prostor. Proto by se plánování racku nemělo soustředit pouze na maximalizaci počtu zařízení, ale mělo by místo toho zahrnovat integrovaný návrh, který zohledňuje zatížení IT, napájení a chlazení.

 

 

Za prvé, serverové stojany poskytují mechanickou konstrukci pro montáž zařízení. Pomocí standardizovaných montážních lišt, vodicích lišt a montážního hardwaru lze servery, přepínače, úložná zařízení, jednotky UPS a další zařízení pro montáž do racku- sloučit do jednotné organizované sestavy.

 

Za druhé, stojany usnadňují organizované uspořádání zařízení a správu kabelů. Pokud by v datovém centru zůstalo volné velké množství síťových kabelů, napájecích kabelů a optických kabelů-, údržba by byla obtížná a proudění vzduchu by bylo narušeno. Dobře-navržené stojany obvykle obsahují horní nebo spodní vstupní body kabelů, vertikální kanály pro správu kabelů a příslušenství pro horizontální správu kabelů, což vede k přehlednějšímu připojení zařízení.

 

U nasazení serverů s vysokou{0}}hustotou hrají racky také klíčovou roli při řízení proudění vzduchu a odvodu tepla. Moderní datová centra obecně používají design proudění vzduchu zepředu{2}}do{3}}zadní, kde studený vzduch vstupuje na sací stranu zařízení a je odváděn do horké uličky vnitřními ventilátory. Konstrukce stojanu musí být navržena tak, aby zajistila, že kabely, záslepky a další příslušenství nebudou bránit primárním cestám proudění vzduchu.

 

Kromě toho stojany poskytují fyzické zabezpečení zařízení. Funkce, jako jsou dveře, boční panely, zámky, uzemňovací systémy a další příslušenství, pomáhají minimalizovat riziko neoprávněného přístupu a chrání zařízení před faktory prostředí, jako je prach a mechanické nárazy.

 

 

Na základě umístění instalace lze stojany obecně rozdělit na stojany-stojící a stojany na stěnu-. Podlahové-skříně nabízejí větší instalační kapacitu a jsou vhodné pro centralizované nasazení serverů, síťových zařízení, úložných zařízení a napájecích systémů. Nástěnné-skříně jsou kompaktnější a používají se především pro telekomunikační, síťové a okrajové počítačové vybavení.

 

Skříně lze dále rozdělit podle aplikačního prostředí na vnitřní a venkovní modely. U venkovních síťových skříní musí konstrukční návrh řešit nejen instalaci zařízení a odvod tepla, ale také faktory prostředí, jako je vnikání prachu a vody, odolnost proti korozi, kolísání teplot a sluneční záření.

 

Na základě typu zařízení se skříně dělí na serverové skříně, síťové skříně, telekomunikační skříně a průmyslové řídicí skříně. Serverové skříně obvykle vyžadují vyšší-nosnost a větší hloubku. Síťové skříně upřednostňují prostor pro kabeláž, struktury správy kabelů a instalaci přepínačů. Průmyslové skříně vyžadují zvýšenou ochranu a funkce tepelné regulace přizpůsobené konkrétnímu provoznímu prostředí.

 

V prostředí domácích serverů, úložišť médií a osobních laboratoří nevyžadují stojany pro domácí servery obecně extrémní zátěžové-kapacity, jaké mají skříně velkých datových center; faktory jako hloubka zařízení, hladina hluku, ventilace a řízení spotřeby však zůstávají důležitými faktory.

 

U kompaktních síťových uzlů lze malé síťové stojany použít k centrálnímu umístění přepínačů, směrovačů, distribučních zařízení z optických vláken a malých-napájecích jednotek.

 

 

 

S rostoucím výkonem serverů a hustotou zařízení je stále důležitější{0}}zátěžová kapacita skříní. Servery s vysokou{2}}hustotou, úložná pole, jednotky UPS a bateriové systémy mohou být velmi těžké; pokud rám skříně, montážní lišty, základna nebo kolečka nemají dostatečnou nosnost-, může být ohrožena dlouhodobá-provozní bezpečnost zařízení.

 

Specifikace nosnosti skříně{0}} obvykle rozlišují statické a dynamické zatížení. Statická nosnost se vztahuje k hmotnosti, kterou může skříň unést po instalaci zařízení, zatímco dynamická nosnost zohledňuje mechanické namáhání vznikající během pohybu skříně, přepravy a procesu instalace zařízení.

 

Při výběru racku pro počítačový server by měla být nosnost ověřena-s ohledem na hmotnost zařízení, způsoby montáže a konstrukční specifikace skříně. U těžkých serverů by se měly používat vyhrazené kolejnice nebo police, než se spoléhat pouze na montážní šrouby, které udrží celou hmotnost.

 

Faktory, jako je materiál rámu, tloušťka kolejnice, příčná-struktura nosníku, konstrukce základny a montážní konfigurace, to vše ovlivňuje celkovou tuhost konstrukce. Nasazení datových center s vysokou-hustotou vyžaduje systematickou analýzu těchto parametrů, spíše než se zaměřovat pouze na externí dimenze.

 

 

Tepelný management je kritickým aspektem návrhu racku. Komponenty, jako jsou CPU, GPU, paměťové moduly, pevné disky a napájecí jednotky, vytvářejí během provozu serveru teplo. Pokud se toto teplo neodvede rychle, vnitřní teploty vzrostou, což může vést k tepelnému škrcení, selhání zařízení nebo zkrácení životnosti součástí.

 

Zatímco tradiční rozvaděče se mohou spoléhat na nahoře-namontované ventilátory, které pomáhají s odvodem tepla, moderní datová centra kladou větší důraz na řízení proudění vzduchu mezi rozvaděčem a celkovým klimatizačním systémem objektu. Mezi běžné strategie návrhu patří konfigurace horké/studené uličky, izolace studené uličky, izolace horké uličky a chlazení na úrovni stojanu-.

 

U serverů s vysokým{0}}výkonem nestačí přidat další ventilátory do racku. Vyžaduje se holistický přístup k návrhu, který koordinuje faktory, jako je poměr perforace předních a zadních dveří, směr proudění vzduchu serverem, konfigurace záslepkového panelu, uspořádání kabelů a celkové proudění vzduchu v datovém centru.

 

Implementace s vysokou-hustotou mohou využívat kapalinové chlazení nebo jiné- vysoce účinné metody řízení teploty. Tyto přístupy mění požadavky na vnitřní prostor, uspořádání potrubí a nosné-konstrukce; proto musí být způsob chlazení serverové platformy potvrzen během fáze nákupu racku.

 

Zvukotěsné serverové stojany se primárně používají v prostředích s přísnými požadavky na kontrolu hluku, jako jsou kanceláře, laboratoře nebo určitá okrajová výpočetní místa. Tyto stojany vyžadují pečlivou rovnováhu mezi zvukově izolačními materiály, řízením proudění vzduchu a tepelným výkonem.

 

 

S rostoucím počtem serverů a síťových připojení je stále důležitější efektivní správa kabelů v rámci racku. Bez řádného plánování mohou napájecí kabely, měděné kabely, optická vlákna a kabely pro správu bránit údržbě zařízení a bránit proudění vzduchu.

 

Dobře{0}}navržené stojany obvykle poskytují kabelové vstupní body jak nahoře, tak dole, s vyhrazenými horizontálními a vertikálními prostory pro správu kabelů zarovnanými podle umístění serverového rozhraní. Stojany s vysokou-hustotou by také měly obsahovat vrstvenou správu kabelů, aby se napájecí kabely, síťové kabely a optika nezamotaly.

 

Poloměr ohybu kabelu je dalším kritickým konstrukčním parametrem. Nedostatečné poloměry ohybu-zejména u optických vláken a vysokorychlostních{2}}komunikačních kabelů- mohou ohrozit kvalitu přenosu signálu. Při nákupu rozvaděčů by měly být specifikace příslušenství pro správu kabelů vybrány na základě skutečného objemu kabeláže a orientace rozhraní. Rackové-skříně se obvykle používají k umístění konkrétního elektronického zařízení ve standardních rackových systémech. Jejich konstrukce se zaměřuje nejen na poskytnutí krytu, ale také na konstrukční požadavky, jako jsou montážní rozměry, ventilace, EMC stínění, uzemnění a snadná údržba.

 

 

V datových centrech s vysokou{0}}hustotou má rozvodný systém napájení přímo vliv na provozní spolehlivost serveru. Jednotky PDU jsou obvykle instalovány na zadní nebo boční straně skříně, aby poskytovaly napájecí připojení pro servery, přepínače a další IT zařízení.

 

Se zvyšujícím se podílem dvou{0}}napájecích serverů se může jedno zařízení připojit ke dvěma nezávislým napájecím obvodům současně; proto musí rozvod energie ve skříni plně zohledňovat nezávislost napájení A a B. U kritických zařízení-je také vyžadováno integrované plánování zahrnující jednotky UPS, rozvodné skříně a záložní napájecí systémy.

 

Kapacita distribuční soustavy by neměla být odhadována pouze na základě počtu serverů; místo toho musí výpočty zohlednit jmenovitý výkon jednotlivých zařízení, skutečné zatížení, zapínací proudy a budoucí potřeby rozšíření.

 

Ve skříních s vysokou{0}}hustotou musí být přípojné body napájení, umístění PDU a vedení kabelů koordinováno s požadavky na odvod tepla a přístupovým prostorem pro údržbu. Racionální uspořádání může zkrátit trasy dodávky energie a minimalizovat překážku proudění vzduchu způsobenou napájecími kabely.

 

 

Moderní skříně datových center se vyvíjejí z jednoduchých struktur mechanické montáže na inteligentní součásti infrastruktury. Senzory monitorující teplotu, vlhkost, kouř, proud, napětí a přístup do skříně umožňují-sledování provozního stavu skříně v reálném čase.

 

Monitorování teploty a vlhkosti pomáhá personálu provozu a údržby (O&M) určit, zda podmínky uvnitř a kolem skříně zůstávají v optimálních mezích. U serverů s vysokou-hustotou může monitorovací systém okamžitě detekovat potenciální problémy s chlazením, pokud teplota nasávaného vzduchu abnormálně stoupne.

 

Detekce kouře identifikuje kouř vznikající v důsledku poruch zařízení nebo jiných anomálií. Integrace s celopodnikovým-systémem hašení požáru dále urychluje detekci abnormálních událostí.

 

Inteligentní PDU mohou monitorovat parametry pro jeden nebo více napájecích obvodů a poskytují datový základ pro analýzu spotřeby energie zařízení, plánování kapacity a diagnostiku poruch. Připojení dat skříně k systému Data Center Infrastructure Management (DCIM) prostřednictvím komunikačních rozhraní také umožňuje centralizovanější správu O&M.

 

 

Výběr skříně by neměl být založen pouze na specifikacích výšky jako "42U" nebo "48U"; Je třeba vzít v úvahu také faktory, jako jsou rozměry zařízení, požadavky na napájení, odvod tepla,-únosnost a prostor pro údržbu.

 

U standardních serverových clusterů je nutné nejprve ověřit výšku a hloubku serverů, poté určit požadovaný počet rackových jednotek (U) a efektivní montážní hloubku. Pokud je k dispozici velký objem zařízení, musí být také vyhrazen prostor pro přepínače, PDU, organizéry pro správu kabelů a přístup pro údržbu.

 

Pro malé kanceláře nebo laboratoře jsou vhodnou volbou střední-až{1}}malé-rozvaděče (jako jsou 18U racky), protože splňují požadavky na instalaci zařízení a zároveň minimalizují fyzickou stopu.

 

U velkých-datových center je vyžadováno komplexní posouzení zahrnující výšku, šířku a hloubku skříně a také-nosnou kapacitu, způsoby chlazení, kapacitu distribuce energie a architekturu síťové kabeláže. Zatímco vyšší skříně (jako jsou 48U racky) nabízejí více vertikálního montážního prostoru, jejich skutečné rozmístění musí brát v úvahu výšku stropu, přepravní cesty, prostor pro údržbu a požární bezpečnostní předpisy.

 

U venkovních komunikačních uzlů kromě prostoru pro montáž zařízení patří mezi kritické faktory, které je třeba ověřit, stupeň ochrany proti vniknutí (IP), rozsah provozních teplot, těsnící struktura, metoda rozptylu tepla a odolnost proti korozi.

 

 

 

Díky pokrokům v serverech s umělou inteligencí, -high performance computing (HPC) a edge computingu se rozvaděče datových center vyvíjejí směrem k vysoké hustotě výkonu, vysoké{1}}nosné kapacitě, efektivnímu odvodu tepla a inteligentní správě.

 

Na jedné straně zvyšující se úrovně výkonu serverů kladou větší nároky na řízení teploty na tradiční vzduchem-chlazené skříně; Konstrukční design skříně dále ovlivní přijetí kapalinového chlazení, technologie studených desek a dalších- vysoce účinných řešení tepelného managementu.

 

Na druhou stranu, jak se zvyšuje hustota vybavení ve skříních,elektrické rozvodné systémymusí podporovat vyšší výkonové zatížení při zachování možností napájení A/B, redundance UPS a funkcí vzdáleného monitorování.

 

Modulární design se navíc stane klíčovým trendem pro skříňové systémy. Využitím standardizovaných rozměrů, nastavitelných montážních struktur, modulárních jednotek PDU a inteligentních monitorovacích komponent lze zvýšit flexibilitu počáteční výstavby datového centra i následného rozšíření.

 

Z hlediska technického designu nebudou budoucí skříně pouze samostatnými-plechovými konstrukcemi; spíše budou sloužit jako strukturální rozhraní integrující servery, rozvody napájení, chlazení, síťové připojení a inteligentní monitorovací systémy.

 

Konstrukční přístupy se proto musí posunout od zaměření na instalaci jednotlivých částí zařízení ke koordinované optimalizaci celé infrastruktury datového centra.

 

Pokud jde o inženýrské zakázky, výběr skříně vyžaduje technické ověření na základě praktických parametrů-, jako jsou rozměry zařízení, jednotky racku (U-prostor), nosná-kapacita, řízení teploty, distribuce napájení, správa kabelů a instalační prostředí-, než budou dokončeny konkrétní konstrukce a specifikace.