供電系統的模塊化設計與模塊化UPS

系統模塊化是數據中心基礎設施設計的重要理念和基本策略，數據中心設計建造中的很多問(wèn)題都與系統模塊化程度有關(guān)。模塊化以及與之關(guān)系緊密的標準化，為數據中心帶來(lái)了廣泛的好處，它不僅簡(jiǎn)化了從初始規劃到日常操作的每一個(gè)流程，還顯著(zhù)改進(jìn)了數據中心商業(yè)價(jià)值的所有三個(gè)主要組成部分 – 可用性、適應性和總擁有成本。模塊化UPS是可用性級別最高的模塊化系統，引領(lǐng)著(zhù)數據中心基礎設施設計建造的理念和方向。

一、可修復和可快速修復功能是提高系統可用性的關(guān)鍵

現代數據中心基礎設施設計和運行的一個(gè)最基本也是最重要的要求是系統必須能連續工作。而工作連續性的程度通常是用系統的可用性來(lái)描述的。系統可用性A(t)的定義為：電子系統在使用過(guò)程中(尤其在不間斷連續使用的條件下)可以正常使用的時(shí)間與總時(shí)間之比?？捎眯允怯煽煽啃詤礛TBF(平均無(wú)故障時(shí)間)和故障后平均修復時(shí)間參數MTTR表示的。

可靠性MTBF愈高，系統的可用性愈高，這是不言而喻的事，但設備的可靠性是有限的，特別是由若干不同功能不同廠(chǎng)家的設備組成的復雜的系統，可靠性很難達到設計要求的水平，使數據中心基礎設施特別是供電系統變得很脆弱。于是，設計者和用戶(hù)很自然的想到必須從系統的可修復和可快速修復上找出路，因為盡管系統和設備的可靠性達不到要求的高度，故障隨時(shí)都可能發(fā)生，但只要系統中的所有設備故障后都是可修復并可快速修復的，故障后平均修復時(shí)間MTTR數值很小甚至趨近于零，那末系統的可用性同樣可以很高。

可修復和可快速修復成為數據中心用戶(hù)和設計者在系統設計時(shí)追求的首要目標。只要組成系統的所有具備獨立功能的子系統，在系統投入運行后都是可拆卸、可移動(dòng)、可更換的，那末這個(gè)系統必然是可修復的。

可快速修復通常指可無(wú)工具拆卸和可拔插更換子系統和設備。但是，如果功能相同的兩個(gè)設備可冗余配置，當一個(gè)設備故障停止運行后，另一個(gè)與之冗余并機的設備可繼續工作而保證系統正常運行，那末，對于整個(gè)系統而言，我們可以認為冗余并機環(huán)節沒(méi)有發(fā)生造成系統宕機的故障，可靠性很高;也可以認為雖然設備發(fā)生故障，但是在修復過(guò)程中沒(méi)有影響整個(gè)系統正常運行，修復時(shí)間為零。

以上設計理念已在數據中心基礎設施用戶(hù)和設計者中取得了最廣泛的共識，并在系統方案設計和建造中取得了廣泛的應用和顯著(zhù)的效果。

二、“系統模塊化”是可修復和可快速修復的根本條件

我們把具有獨立功能，在系統中可整體安裝、拆卸、移動(dòng)、更換的子系統稱(chēng)之為模塊，那末上面的設計理念可概括為以下三句話(huà)：

1、現代的數據中心要求基礎設施必須是一個(gè)能連續工作的系統;

2、一個(gè)能連續工作的系統必然是可修復和可快速修復的系統;

3、一個(gè)可修復和可快速修復的系統，組成該系統的所有子系統必然要具備模塊化特征;

模塊化即將完整的產(chǎn)品或流程按功能分成小塊，即模塊。根據上面講的，模塊的特征應該是：

模塊是系統中一個(gè)具有獨立功能和可獨立運行的單元;

結構上可整體安裝、拆卸、更換、移動(dòng);

相同單元可冗余并機運行;

在系統中，根據需要對這些模塊進(jìn)行組裝，以產(chǎn)生原始產(chǎn)品/流程的各種變體。以我們很熟悉的手電筒電池為例：可以將不同數量的電池(模塊)進(jìn)行組合，從而獲得不同功率的電源。在 IT 設備中，刀片式服務(wù)器和 RAID 陣列也是模塊化的典型例子 – 將多個(gè)設備組合在一起獲得不同數量的服務(wù)器或不同大小的存儲容量。模塊無(wú)需完全相同：以 Lego? 積木為例，這些模塊在某些方面相同，某些方面卻不同，譬如，其顏色、大小和形狀各不相同，但連接方式和尺寸均采用標準形式，以便可以將積木(模塊)組裝成一個(gè)集成系統。不同的模塊化系統可以根據所需的功能劃分目標，將不同數量的相同模塊或不同模塊(表示不同的標準化級別)并入集成的模塊或系統中。

數據中心基礎設施是集成了多種功能的復雜系統，需要進(jìn)行仔細的工程設計，以按照在標準化級別與用戶(hù)靈活性之間取得最佳平衡的方式進(jìn)行模塊化。系統中存在各種級別的模塊化設計的可能性。下面是一些示例：

可互換的 UPS 功率模塊和電池模塊：在功率、冗余和運行時(shí)間方面均實(shí)現了可擴展性，而且能夠進(jìn)行熱插拔，從而在不需要停止系統運行的條件下進(jìn)行維修;

標準化的模塊化布線(xiàn)：將房間布線(xiàn)細分為行級模塊或機架級模塊。避免了混亂并易于出錯的布線(xiàn)狀態(tài)，并簡(jiǎn)化和加速了斷開(kāi)-重新排列-重新連接的流程。模塊化配電系統的方式很多，可以采用為整排負載供電的機架大小的模塊化設備，也可以采用服務(wù)于單個(gè)機架的電源插板(機架PDU);

機架級通風(fēng)裝置：將房間氣流細分為各機架局部控制，以便對高溫區域進(jìn)行精確制冷。

高密度機架系統：將機架、配電系統和制冷系統集成為一個(gè)獨立的封閉“空間”，以冷卻和隔離發(fā)熱量密集的 IT 設備。(此時(shí)，“模塊”指集成的整個(gè)系統);

根據模塊的特征，在數據中心基礎設施中，一根線(xiàn)纜、一臺整機UPS或空調機，都是一個(gè)模塊，但是由于設計時(shí)的疏忽，有時(shí)它們在系統中卻失去了模塊化功能：一根線(xiàn)纜可能因為數量多并相互擠壓而無(wú)法識別和更換，以至于一個(gè)老鼠啃壞一條線(xiàn)纜的絕緣就會(huì )使系統癱瘓而且不能迅速恢復;一臺大型UPS或空調機因走道空間狹窄或搬運工具進(jìn)不去而不能運出更換;一臺裝入機柜的變壓器故障后因工具無(wú)法在機柜內伸展而無(wú)法更換等，這些事例屢見(jiàn)不鮮，使具有這種隱患的系統也就不再具備可修復或可快速修復的功能。

這里引伸出的是一個(gè)新的概念-系統模塊化概念。在一個(gè)復雜的系統中，盡管組成系統地所有子系統都是模塊化的，但是由于缺乏系統模塊化設計，使部分模塊失去可更換、可移動(dòng)的功能，最終使整個(gè)系統變成一個(gè)不可修復或不可快速修復的系統，可用性大大降低。

“系統模塊化設計”已經(jīng)成為數據中心設計建造必須遵守的原則。模塊化使一切事情變得更加便利、更可預測、更為經(jīng)濟、更易于理解以及更加安全?！跋到y模塊化設計”觀(guān)念在行業(yè)中已上升到一個(gè)新的高度，成為了一種富有創(chuàng )造性并具突出戰略意義的設計哲學(xué)。

三、模塊化系統的優(yōu)勢

從上面所述可知，模塊化系統設計是建造可修復和可快速修復系統的基礎，采用標準化結構和連接方式的模塊化組件使一切變得更容易、更迅速，且成本更低。從供應商的制造與庫存，到設計與工程規劃過(guò)程，再到客戶(hù)現場(chǎng)的安裝與運營(yíng)，無(wú)不如此。以下幾點(diǎn)突顯了模塊化系統的優(yōu)勢：

模塊化系統是可擴展的：模塊化的基礎設施可以根據當前的 IT 需求進(jìn)行部署，并且能在以后根據需要添加更多組件。這種“系統規模塊化”能力顯著(zhù)降低了總擁有成本;

模塊化系統是可更改的：在系統中可通過(guò)模塊的重新配置，為滿(mǎn)足不斷變化的 IT 需求提供了極大的靈活性;

模塊化系統是可移植的：在安裝、升級、重新配置或移動(dòng)模塊化時(shí)，獨立組件、標準接口以及易于理解的結構既節省了時(shí)間又節約了資金;

模塊化組件是可替換的：發(fā)生故障的模塊可以很容易被換下，以便進(jìn)行升級或修理，而且通常無(wú)需停止系統運行;

模塊化可提高故障修復的質(zhì)量：模塊的可移植和可插拔特性使得很多工作可以在工廠(chǎng)進(jìn)行，既包括交貨之前(如配電設備的預先布線(xiàn))，也包括交貨之后(如電源模塊的修理)。從統計學(xué)角度上分析，同樣的工作，在工廠(chǎng)內完成要比在現場(chǎng)操作的性能降低、降容使用和再故障率低得多，例如，與在現場(chǎng)修復的 UPS 電源模塊相比，在工廠(chǎng)修復的模塊在引起斷電、發(fā)生新的故障或無(wú)法恢復到滿(mǎn)負荷工作狀態(tài)方面的概率要低上千倍。

模塊化是標準化的基礎，是標準化不可或缺的基本條件。幾乎所有好處都能以某種方式追溯至標準化的兩個(gè)強大的基礎屬性：模塊化構件結構和提高的人類(lèi)學(xué)習能力，如圖1所示。

正是這兩個(gè)特征產(chǎn)生了遍及整個(gè)基礎設施的好處，為基礎設施的幾乎每個(gè)方面帶來(lái)了累積的正面影響。

人類(lèi)學(xué)習-理解的力量：

模塊化提高了設備的效率，易于理解性則提高了人的效率。模塊化標準化系統在各個(gè)層面上使人類(lèi)的學(xué)習更加方便。事物不僅更易于理解，而且可預測性和可重復性也更強，因而發(fā)生問(wèn)題的概率更低，并且當發(fā)生問(wèn)題時(shí)更容易識別。

事物越易于理解、可預測性越強，便越容易解釋、編制文檔、操作、查明問(wèn)題并修復。這些效應往往互為基礎，從而使安裝、維護工作可以做到：

減少人為錯誤：標準化對于人類(lèi)學(xué)習最突出的貢獻莫過(guò)于減少了數據中心中的人為錯誤，從標準化模塊化組裝流程到系統的故障診斷、文檔編制、培訓等都更加簡(jiǎn)單、有效，從而使員工更熟練、更不容易出錯;

預見(jiàn)問(wèn)題：對工作原理的了解，再加上此類(lèi)事物的標準化程序(如設備監控和預測性維護程序)，形成了一個(gè)足以應對那些“意外”事故的強大防御手段;

提高效率：由于這些學(xué)習效果相互影響并互相推動(dòng)，效率得到了全面提高。員工的知識越全面，在相關(guān)問(wèn)題上所花費時(shí)間的利用率就越高。人為錯誤的減少不但減少了在糾正人為引發(fā)問(wèn)題上所需的時(shí)間，而且也減少了答復與此類(lèi)問(wèn)題有關(guān)的電話(huà)幫助熱線(xiàn)的時(shí)間。使人力資源得到更好地釋放和合理使用;

批量生產(chǎn)的優(yōu)勢：部件和流程的標準化模塊化使批量生產(chǎn)成為可能，批量生產(chǎn)的優(yōu)勢體現在以下幾個(gè)方面：成本更低、質(zhì)量更高、更易于維修、產(chǎn)量更大、交貨速度更快。