Rozmery a konštrukčný návrh serverového racku v dátovom centre: pohľady na U-priestor, tepelné riadenie, zaťaženie-kapacitu nosnosti a výber distribúcie energie

S neustálym vývojom technológií, ako sú cloud computing, veľké dáta, umelá inteligencia a edge computing, má infraštruktúra dátových centier-vrátane serverov, prepínačov, úložných zariadení a energetických zariadení{1}} stále väčší trend smerom k vysokej hustote, modularite a konfiguráciám založeným na stojanoch-. Keďže ide o kritickú infraštruktúru, v ktorej sú umiestnené IT zariadenia, organizuje kabeláž, riadi distribúciu energie a uľahčuje odvod tepla, dizajn serverových skríň už nie je len záležitosťou „ukladania zariadení“. Namiesto toho priamo ovplyvňuje využitie priestoru, tepelnú účinnosť, spoľahlivosť napájania a{5}}dlhodobú efektivitu prevádzky a údržby (O&M).

 

Pri konštrukcii dátového centra si výber skrine vyžaduje komplexné posúdenie faktorov, ako sú rozmery zariadenia, počet rackových jednotiek (U), šírka a hĺbka skrine, hmotnosť zariadenia, hustota výkonu a vedenie káblov. Pre inžinierov a špecialistov na obstarávanie je pochopenie štandardných rozmerov skrine a konštrukčných parametrov základom efektívneho plánovania serverovej miestnosti a konfigurácie zariadenia.

 

 

 

"U" bežne nájdené v serverových skriniach znamená "Unit" a slúži ako štandardná miera výšky racku. Zariadenia na montáž-do racku sú zvyčajne navrhnuté na základe prírastkov výšky U-, čo zaisťuje, že servery, prepínače, úložné zariadenia a ďalší hardvér-pre montáž do racku od rôznych výrobcov je možné nainštalovať v rámci jednotného systému skríň.

 

Štandardná výška pre 1U je 44,45 mm (4,445 cm). V dôsledku toho je zariadenie 2U vysoké približne 88,9 mm a zariadenie 4U má výšku približne 177,8 mm. Je dôležité poznamenať, že hodnotenie U sa vzťahuje konkrétne na montážnu-výšku stojana a nezodpovedá skutočným fyzickým rozmerom zariadenia; komponenty ako podvozok, koľajnice, montážne uši a iné konštrukčné prvky môžu zaberať dodatočný priestor.

 

V štandardnom 19-palcovom rackovom systéme je montážna šírka 19 palcov (482,6 mm). Skutočná šírka samotného serverového šasi je zvyčajne menšia ako tento údaj, pretože zariadenie je pripevnené k vertikálnym montážnym koľajničkám skrine pomocou montážnych uší, posuvných koľajníc alebo iných montážnych mechanizmov.

 

Servery 1U, 2U a 4U sú najbežnejšími formovými faktormi. 1U zariadenia umožňujú väčší počet výpočtových uzlov v rámci obmedzeného priestoru v stojane, vďaka čomu sú ideálne pre prostredia s vysokou-hustotou. Naproti tomu zariadenia 2U a 4U ponúkajú väčší vnútorný objem, do ktorého sa zmestí viac pevných diskov, rozširujúcich kariet, chladiacich komponentov a ďalších funkčných modulov.

 

Rozhodnutia o výbere by mali vychádzať z komplexného hodnotenia výpočtového výkonu, úložnej kapacity, rozšíriteľnosti a spotreby energie. Napríklad niektoré malé-projekty môžu využívať 6U serverový stojan na umiestnenie okrajových výpočtových jednotiek, sieťových zariadení alebo laboratórnych prístrojov. Hoci tieto stojany ponúkajú obmedzený vertikálny priestor (U-priestor), efektívne spĺňajú požiadavky na centralizovanú inštaláciu malých IT systémov, komunikačných terminálov a riadiacich zariadení.

 

 

42U je jednou zo štandardných výšok stojanov, ktoré sa často vyskytujú v dátových centrách. Na základe štandardného výpočtu 44,45 mm na U je teoretický vertikálny montážny priestor pre 42U rack približne 1,866.9 mm. Skutočná vonkajšia výška však zahŕňa dodatočný priestor pre horný panel, základňu, kolieska alebo iné konštrukčné prvky; preto nie je možné určiť skutočné vonkajšie rozmery stojana iba na základe jeho U-priestorového hodnotenia.

 

Bežné šírky stojanov zahŕňajú 600 mm a 800 mm. Stojany so šírkou 600 mm sú vhodné pre štandardné inštalácie serverov a sieťových zariadení, zatiaľ čo stojany so šírkou 800 mm zvyčajne ponúkajú viac bočného priestoru na vedenie káblov, vďaka čomu sú ideálne pre servery s vysokou{5}}hustotou, zložité káblové systémy a dátové centrá s prísnymi požiadavkami na správu káblov.

 

Hĺbky stojanov sa výrazne líšia, pričom bežné veľkosti sa pohybujú od 600 mm do 1 200 mm (vrátane 600, 800, 900, 960, 1 000, 1 100 a 1 200 mm). S vývojom serverových platforiem sa podstatne zvýšili požiadavky na hĺbku, hmotnosť a tepelnú správu niektorých zariadení s vysokým{14}}výkonným výpočtovým systémom (HPC) a serverov GPU, čo si vyžaduje zhodu medzi hĺbkou stojana a skutočnými rozmermi zariadenia.

 

V prostrediach s obmedzeným priestorom-ako sú kancelárie, laboratóriá alebo serverové miestnosti na okraji{1}} možno použiť malé dátové skrine. Tieto skrine zvyčajne ponúkajú obmedzenú montážnu kapacitu, ale sú vhodné na centralizovanú inštaláciu sieťových prepínačov, komunikačných zariadení, jednotiek UPS a iných malých IT zariadení.

 

Ak je počet zariadení nízky a sieťové zariadenia je potrebné inštalovať v blízkosti steny, vhodnou možnosťou je nástenná-sieťová skrinka. Kým nástenné-jednotky šetria podlahovú plochu, je dôležité overiť-únosnosť steny, hmotnosť zariadenia a potrebné podmienky na rozptyl tepla.

 

 

42U rack nemusí nutne obsahovať 42 1U servery. Teoretický U-priestor predstavuje iba vertikálnu montážnu plochu; skutočné nasadenie vyžaduje zohľadnenie rozostupov medzi zariadeniami, ako aj priestoru, ktorý zaberajú prepínače, jednotky PDU, komponenty na správu káblov a kanály prúdenia vzduchu na chladenie.

 

Zatiaľ čo rack by teoreticky mohol pojať vysoký počet zariadení, ak by bol úplne obsadený jednotkami 1U, skutočné nasadenie vyžaduje úpravy založené na faktoroch, ako je spotreba energie zariadenia, metódy chladenia, kapacita napájacieho zdroja a priestor na údržbu. Pre 2U a 4U servery sa počet inštalovateľných jednotiek zodpovedajúcim spôsobom zníži v dôsledku väčšieho vertikálneho priestoru, ktorý každé zariadenie zaberá.

 

Určenie počtu zariadení zvyčajne vyžaduje vyváženie troch dimenzií: priestor, napájanie a chladenie. Úvahy o priestore zahŕňajú výpočet jednotiek racku (U-priestor) potrebných pre zariadenia a správu káblov. Úvahy o napájaní zahŕňajú posúdenie vstupnej kapacity stojana a zaťaženia PDU. Úvahy o chladení vyžadujú konfiguráciu založenú na skutočnom tepelnom výkone IT zariadenia a chladiacej kapacite dátového centra.

 

Pri výpočtových scenároch s vysokou{0}}hustotou sa kapacita napájania často stáva limitujúcim faktorom hustoty stojana skôr, ako sa stane fyzický priestor. Preto by sa plánovanie stojanov nemalo zameriavať len na maximalizáciu počtu zariadení, ale malo by zahŕňať integrovaný dizajn, ktorý zohľadňuje zaťaženie IT, napájanie a chladenie.

 

 

Po prvé, serverové stojany poskytujú mechanickú štruktúru na montáž zariadenia. Pomocou štandardizovaných montážnych koľajníc, vodiacich koľajníc a montážneho hardvéru možno servery, prepínače, úložné zariadenia, jednotky UPS a ďalšie zariadenia na montáž do racku-skonsolidovať do jednotnej, organizovanej zostavy.

 

Po druhé, stojany uľahčujú organizované usporiadanie zariadení a správu káblov. Ak by v dátovom centre zostalo voľné veľké množstvo sieťových káblov, napájacích káblov a optických{1}kábov, údržba by bola náročná a prúdenie vzduchu by sa narušilo. Dobre-navrhnuté stojany majú zvyčajne horné alebo spodné vstupné body káblov, vertikálne kanály na správu káblov a horizontálne príslušenstvo na správu káblov, čo vedie k prehľadnejšiemu pripojeniu zariadení.

 

V prípade nasadení serverov s vysokou{0}}hustotou zohrávajú stojany kľúčovú úlohu aj pri riadení prúdenia vzduchu a odvodu tepla. Moderné dátové centrá vo všeobecnosti využívajú dizajn prúdenia vzduchu spredu{2}}do{3}}zadného, ​​kde studený vzduch vstupuje na saciu stranu zariadenia a je odvádzaný do horúcej uličky vnútornými ventilátormi. Konštrukcia stojanov musí byť navrhnutá tak, aby zabezpečila, že káble, záslepky a iné príslušenstvo nebudú prekážať primárnym dráham prúdenia vzduchu.

 

Okrem toho stojany poskytujú fyzické zabezpečenie zariadenia. Funkcie, ako sú dvere, bočné panely, zámky, uzemňovacie systémy a ďalšie príslušenstvo, pomáhajú minimalizovať riziko neoprávneného prístupu a chránia zariadenie pred faktormi prostredia, ako je prach a mechanické nárazy.

 

 

Na základe miesta inštalácie možno stojany rozdeliť na stojanové -stojace a nástenné- stojany. Podlahové-skrinky ponúkajú väčšiu inštalačnú kapacitu a sú vhodné na centralizované nasadenie serverov, sieťových zariadení, úložných zariadení a systémov napájania. Nástenné-skrinky sú kompaktnejšie a používajú sa predovšetkým pre telekomunikačné, sieťové a okrajové počítačové zariadenia.

 

Skrine je možné ďalej kategorizovať podľa aplikačného prostredia na vnútorné a vonkajšie modely. V prípade vonkajších sieťových skríň musí konštrukčný návrh riešiť nielen inštaláciu zariadenia a odvod tepla, ale aj faktory prostredia, ako je vnikanie prachu a vody, odolnosť proti korózii, kolísanie teploty a slnečné žiarenie.

 

Na základe typu zariadenia sa skrine delia na serverové skrine, sieťové skrine, telekomunikačné skrine a priemyselné riadiace skrine. Serverové skrine zvyčajne vyžadujú vyššiu nosnosť-a väčšiu hĺbku. Sieťové skrine uprednostňujú priestor pre kabeláž, štruktúry správy káblov a inštaláciu prepínačov. Priemyselné skrine vyžadujú zvýšenú ochranu a funkcie tepelnej kontroly prispôsobené konkrétnemu prevádzkovému prostrediu.

 

V prostredí domácich serverov, úložísk médií a osobných laboratórií stojany pre domáce servery vo všeobecnosti nevyžadujú extrémne zaťažovacie{0}}kapacity, aké sa vyskytujú vo veľkých skriniach dátových centier; faktory ako hĺbka zariadenia, hladina hluku, ventilácia a správa napájania však zostávajú dôležitými faktormi.

 

V prípade kompaktných sieťových uzlov možno malé sieťové stojany použiť na centrálne umiestnenie prepínačov, smerovačov, distribučných zariadení z optických vlákien a malých-napájacích jednotiek.

 

 

 

So zvyšujúcim sa výkonom servera a hustotou zariadení je nosnosť{0} skriniek čoraz kritickejšia. Servery, úložné polia, jednotky UPS a batériové systémy s vysokou hustotou môžu byť veľmi ťažké. ak rám skrine, montážne lišty, základňa alebo kolieska nemajú dostatočnú nosnosť-, môže byť ohrozená dlhodobá- prevádzková bezpečnosť zariadenia.

 

Špecifikácie nosnosti skrine{0}} zvyčajne rozlišujú medzi statickým a dynamickým zaťažením. Statická nosnosť sa vzťahuje na hmotnosť, ktorú môže skriňa uniesť po inštalácii zariadenia, zatiaľ čo dynamická nosnosť zodpovedá za mechanické namáhanie, ktoré vzniká počas pohybu skrine, prepravy a procesu inštalácie zariadenia.

 

Pri výbere stojana na počítačový server je potrebné overiť{0}}únosnosť vzhľadom na hmotnosť zariadenia, spôsoby montáže a konštrukčné špecifikácie skrine. V prípade ťažkých serverov by sa mali používať špeciálne koľajnice alebo police, a nie spoliehať sa iba na montážne skrutky na udržanie celej hmotnosti.

 

Na celkovú tuhosť konštrukcie majú vplyv faktory, ako je materiál rámu, hrúbka koľajnice,{0}}konštrukcia priečneho nosníka, konštrukcia základne a montážna konfigurácia. Nasadenia dátových centier s vysokou-hustotou vyžadujú systematickú analýzu týchto parametrov, a nie zameranie sa výlučne na externé dimenzie.

 

 

Tepelný manažment je kritickým aspektom konštrukcie racku. Komponenty ako CPU, GPU, pamäťové moduly, pevné disky a napájacie jednotky vytvárajú teplo počas prevádzky servera. Ak sa toto teplo neodvedie okamžite, vnútorné teploty sa zvýšia, čo môže viesť k tepelnému škrteniu, poruche zariadenia alebo skráteniu životnosti komponentov.

 

Zatiaľ čo tradičné stojany sa môžu spoliehať na horné-ventilátory, ktoré pomáhajú pri odvode tepla, moderné dátové centrá kladú väčší dôraz na riadenie prúdenia vzduchu medzi stojanom a celkovým klimatizačným systémom zariadenia. Bežné stratégie navrhovania zahŕňajú konfigurácie horúcej/studenej uličky, uzavretie studenej uličky, uzavretie horúcej uličky a chladenie na úrovni regálu-.

 

V prípade serverov s vysokým{0}}výkonom nestačí pridať ďalšie ventilátory do stojana. Vyžaduje sa holistický dizajnový prístup, ktorý koordinuje faktory, ako je pomer perforácie predných a zadných dverí, smer prúdenia vzduchu servera, konfigurácia zaslepovacieho panelu, usporiadanie káblov a celkové prúdenie vzduchu dátovým centrom.

 

Nasadenia s vysokou{0}}hustotou môžu využívať chladenie kvapalinou alebo iné- vysoko účinné metódy tepelného manažmentu. Tieto prístupy menia požiadavky na vnútorný priestor, rozloženie potrubí a nosné-štruktúry; preto musí byť spôsob chladenia serverovej platformy potvrdený počas fázy obstarávania racku.

 

Zvukotesné serverové stojany sa primárne používajú v prostrediach s prísnymi požiadavkami na kontrolu hluku, ako sú kancelárie, laboratóriá alebo niektoré okrajové výpočtové miesta. Tieto stojany vyžadujú starostlivú rovnováhu medzi zvukovo izolačnými materiálmi, riadením prúdenia vzduchu a tepelným výkonom.

 

 

S rastúcim počtom serverov a sieťových pripojení sa efektívna správa káblov v racku stáva čoraz dôležitejšou. Bez správneho plánovania môžu napájacie káble, medené káble, optické vlákna a riadiace káble brániť údržbe zariadenia a brániť prúdeniu vzduchu.

 

Dobre{0}}navrhnuté stojany zvyčajne poskytujú káblové vstupné body v hornej aj spodnej časti s vyhradenými horizontálnymi a vertikálnymi priestormi na správu káblov zarovnanými podľa umiestnení serverového rozhrania. Stojany s vysokou{2}}hustotou by mali zahŕňať aj viacúrovňovú správu káblov, aby sa zabránilo zamotaniu napájacích káblov, sieťových káblov a optických vlákien.

 

Polomer ohybu kábla je ďalším kritickým konštrukčným parametrom. Nedostatočné polomery ohybu-najmä pre optické vlákna a vysokorýchlostné{2}}komunikačné káble- môžu zhoršiť kvalitu prenosu signálu. Pri nákupe stojanov by sa špecifikácie príslušenstva na správu káblov mali vyberať na základe skutočného objemu kabeláže a orientácie rozhraní. Kryty-pre montáž do racku sa zvyčajne používajú na umiestnenie špecifických elektronických zariadení v rámci štandardných rackových systémov. Ich dizajn sa zameriava nielen na zabezpečenie krytu, ale aj na konštrukčné požiadavky, ako sú montážne rozmery, ventilácia, EMC tienenie, uzemnenie a jednoduchosť údržby.

 

 

V dátových centrách s vysokou{0}}hustotou má systém rozvodu elektrickej energie v skrini priamy vplyv na prevádzkovú spoľahlivosť servera. Jednotky PDU sa zvyčajne inštalujú na zadnú alebo bočnú stranu skrine, aby poskytovali napájacie pripojenia pre servery, prepínače a ďalšie IT zariadenia.

 

So zvyšujúcim sa podielom duálnych{0}}napájacích serverov sa jedno zariadenie môže súčasne pripojiť k dvom nezávislým napájacím okruhom; preto musí rozvod elektrickej energie v skrini plne zohľadňovať nezávislosť napájania A a B. V prípade kritických zariadení-je tiež potrebné integrované plánovanie zahŕňajúce jednotky UPS, rozvodné skrine a záložné napájacie systémy.

 

Kapacita distribučného systému napájania by sa nemala odhadovať len na základe počtu serverov; namiesto toho musia výpočty zohľadňovať menovitý výkon jednotlivých zariadení, skutočné rýchlosti zaťaženia, nábehové prúdy a budúce potreby rozšírenia.

 

V skriniach s vysokou{0}}hustotou musia byť prípojné body napájania, umiestnenie PDU a vedenie káblov koordinované s požiadavkami na odvod tepla a prístupovým priestorom pre údržbu. Racionálne usporiadanie môže skrátiť trasy dodávky energie a minimalizovať obštrukciu prúdenia vzduchu spôsobenú napájacími káblami.

 

 

Moderné skrine dátových centier sa vyvíjajú z jednoduchých mechanických montážnych štruktúr na inteligentné komponenty infraštruktúry. Senzory monitorujúce teplotu, vlhkosť, dym, prúd, napätie a prístup do skrine umožňujú-monitorovanie prevádzkového stavu skrine v reálnom čase.

 

Monitorovanie teploty a vlhkosti pomáha personálu prevádzky a údržby (O&M) určiť, či podmienky vo vnútri a okolo skrine zostávajú v optimálnom rozsahu. V prípade serverov s vysokou-hustotou môže monitorovací systém okamžite zistiť potenciálne problémy s chladením, ak sa teplota nasávaného vzduchu abnormálne zvýši.

 

Detekcia dymu identifikuje dym vznikajúci v dôsledku porúch zariadenia alebo iných anomálií. Integrácia s celopodnikovým-systémom na potlačenie požiaru ďalej urýchľuje detekciu abnormálnych udalostí.

 

Inteligentné jednotky PDU môžu monitorovať parametre pre jeden alebo viacero napájacích obvodov, čím poskytujú základ údajov pre analýzu spotreby energie zariadenia, plánovanie kapacity a diagnostiku porúch. Pripojenie dát skrine k systému Data Center Infrastructure Management (DCIM) prostredníctvom komunikačných rozhraní tiež umožňuje centralizovanejšiu správu O&M.

 

 

Výber skrinky by nemal byť založený výlučne na špecifikáciách výšky ako „42U“ alebo „48U“; Je potrebné vziať do úvahy aj faktory, ako sú rozmery zariadenia, požiadavky na energiu, odvod tepla,-únosnosť a voľný priestor pre údržbu.

 

Pri štandardných serverových klastroch je potrebné najprv overiť výšku a hĺbku serverov, potom určiť požadovaný počet rackových jednotiek (U) a efektívnu montážnu hĺbku. Ak je k dispozícii veľký objem zariadení, musí byť vyhradený priestor aj pre prepínače, PDU, organizéry na správu káblov a prístup údržby.

 

Pre malé kancelárie alebo laboratóriá sú vhodnými možnosťami stredné-až{1}}malé-skrinky (ako sú 18U stojany), pretože spĺňajú požiadavky na inštaláciu zariadenia a zároveň minimalizujú fyzické nároky.

 

V prípade veľkých-dátových centier sa vyžaduje komplexné posúdenie, ktoré zahŕňa výšku, šírku a hĺbku skrine, ako aj kapacitu-nosnosti, spôsoby chladenia, kapacitu distribúcie energie a architektúru sieťovej kabeláže. Zatiaľ čo vyššie skrine (napríklad 48U racky) ponúkajú viac vertikálneho montážneho priestoru, ich skutočné rozmiestnenie musí brať do úvahy výšku stropu, prepravné cesty, vzdialenosť pri údržbe a požiarne bezpečnostné predpisy.

 

V prípade vonkajších komunikačných uzlov okrem priestoru na montáž zariadenia medzi kritické faktory, ktoré je potrebné overiť, patrí stupeň ochrany proti vniknutiu (IP), rozsah prevádzkových teplôt, tesniaca štruktúra, metóda rozptylu tepla a odolnosť proti korózii.

 

 

 

Vďaka pokrokom v serveroch AI, vysoko{0}}výkonnej výpočtovej technike (HPC) a okrajovej výpočtovej technike sa skrine dátových centier vyvíjajú smerom k vysokej hustote výkonu,{1}}vysokej nosnej kapacite, efektívnemu odvodu tepla a inteligentnému riadeniu.

 

Na jednej strane zvyšujúce sa úrovne výkonu serverov kladú väčšie požiadavky na riadenie tepla na tradičné vzduchom{0}}chladené skrine; Prijatie chladenia kvapalinou, technológie studených dosiek a ďalších- riešení vysokoúčinného tepelného manažmentu ďalej ovplyvní konštrukčný dizajn skrine.

 

Na druhej strane, ako sa zvyšuje hustota vybavenia v skriniach,rozvody elektrickej energiemusí podporovať vyššie energetické zaťaženie pri zachovaní možností napájania A/B, redundancie UPS a funkcií vzdialeného monitorovania.

 

Okrem toho sa modulárny dizajn stane kľúčovým trendom pre systémy skríň. Využitím štandardizovaných rozmerov, nastaviteľných montážnych štruktúr, modulárnych PDU a inteligentných monitorovacích komponentov možno zvýšiť flexibilitu počiatočnej výstavby dátového centra a následného rozšírenia.

 

Z hľadiska inžinierskeho dizajnu nebudú budúce skrine iba samostatnými plechovými-konštrukciami; skôr budú slúžiť ako štrukturálne rozhrania integrujúce servery, distribúciu energie, chladenie, sieťovú konektivitu a inteligentné monitorovacie systémy.

 

Konštrukčné prístupy sa preto musia posunúť od zamerania sa na inštaláciu jednotlivých zariadení smerom ku koordinovanej optimalizácii celej infraštruktúry dátového centra.

 

Pokiaľ ide o inžinierske obstarávanie, výber skrinky si vyžaduje technické overenie na základe praktických parametrov-, ako sú rozmery zariadenia, jednotky racku (U-priestor), nosnosť-, tepelné riadenie, distribúcia napájania, vedenie káblov a inštalačné prostredie-pred dokončením konkrétnej konštrukcie a špecifikácií.