理想状态下，一个完美的模块化数据中心架构可以适用于所有应用环境。但是，数据中心需求千差万别，催生了对不同架构的需求，所有设计的模块化数据中心架构都必须与现实相符。本文将剖析影响模块化架构颗粒度的四大要素，以及如何设计数据中心模块化架构的颗粒度。
一、影响模块化颗粒度的四大要素
数据中心的需求千差万别， 但总结来看，影响模块化架构颗粒度的要素可概括为如下四个方面：
1. 数据中心规模
2. 成长计划
3. 可用性要求
4. 用户偏好和场地限制
要素1：数据中心规模对模块化颗粒度的影响
数据中心容量以瓦特（Watt）为单位，它对数据中心模块化方式有重大影响。为便于理解，这里以分支机房、小型数据中心和大型数据中心为例，如下表所示。
然而，数据中心经理对成长计划中部署IT设备的规模有着完全不同的想法，如下表所示。
这表明，对于不同规模的数据中心来说，最有效的物理基础设施颗粒度也非常不同。对于分支机构机房，IT机柜是适合的数据中心模块化部署容量单元。而对于小型数据中心，IT区域部署可能才是部署数据中心容量单元的最佳层面。IT机房则是最适用于大型数据中心的模块大小。
设计理念：为支持不同规模的数据中心，至少有三种完全不同的模块化架构。这些架构将机柜、区域部署或机房作为核心部署模块的颗粒度。
要素2：成长计划对模块化颗粒度的影响
一些数据中心已预先确定了稳定的IT负载，负载在数据中心的整个生命周期中都保持不变。而另一些数据中心，数据中心制订了一个长期、缓慢的IT负载扩容计划，或对于负载的最终规模相当不确定。在负载稳定的数据中心，前期一次性建设基础设施是必须的，不会造成任何损失。这种情况下，模块化颗粒度的可扩展优势无从体现。但模块化设计的其它优势仍很明显，极具吸引力，如：设计投入减少、因使用成熟设计而获得质量提升，以及交付周期缩短等。当IT负载固定且明确定义，模块化颗粒度倾向于采用较大模块，并且基础设施各子系统宜采用集中方式部署。
但是，如果数据中心的负载增长缓慢或者成长计划不确定，可扩展性的优势就在设计中占主要地位。这种情况下，前期一次性部署基础设施就有可能会遭受巨大损失：大笔投资购置的设备闲置或使用率低下，这些无法提供价值的资产却还需要维护开支，而且过度配置造成不必要的能源浪费，甚至数据中心设施有可能在生命周期中途被弃用而使高额投资付诸东流的现象。此时，能够根据IT负载，扩展数据中心基础设施的能力，会对数据中心的TCO，乃至投资回报造成极大影响。对于这些数据中心来说，尽量精简前期部署、最大程度地实现子系统模块化的数据中心架构是最好的选择。
设计理念：负载稳定、可预测的数据中心将受益于模块体量较大的集中式基础设施的模块化颗粒度，通常在前期就一次性完全部署完毕。而未来负载不确定且具有长期扩容计划的数据中心，则适合采用基础设施分散、模块体量较小的模块化颗粒度。它们的要求不同，从而采用的颗粒度也不尽相同。
要素3：可用性要求对模块化颗粒度的影响
许多数据中心设计都包括一定程度的冗余，以便实现容错或并行维护。冗余意味着子系统由多个组件组成，其中部分组件为冗余组件。因此，所有具备冗余的数据中心都必须有一定的模块化属性。在传统数据中心设计中，分析和预测整个数据中心生命周期内冗余系统的性能是非常复杂的。这也是传统数据中心普遍在前期完成全面构建的原因之一。
高效的模块化数据中心架构必须明确地说明如何在确保数据中心所需冗余的同时部署IT容量模块。在数据中心扩展的同时，此冗余也须保持不变。在理想状态下，模块化数据中心架构应能为数据中心的不同部分提供不同水平的冗余性，以便最为经济高效地满足不同的IT需求。
在数据中心实现冗余的方式多种多样。经常被提及的冗余级别有很多，如N+1、2N或双系统冗余，但这些说法并不完整，因为实现各冗余级别的方法也千差万别；以N+1 UPS系统为例，冗余可在UPS设备中实施、可通过并联UPS设备实施、通过分布式冗余或“环型”架构实现，也可通过采用静态转换开关的“热备份”设计实现。如此多种类的实施方法造就了不同的架构和不同的模块化途径。
高效的模块化架构根据冗余目标，来优化模块的大小。例如在N+1架构中，较小的模块能够缩小“+1”冗余模块，降低成本、提高效率，但模块规模小意味着部署的模块数量较多，有可能增加复杂性。
设计理念：数据中心模块化颗粒度受冗余要求的影响很大，单一颗粒度既要成本低廉，又要支持高度可靠的数据中心应用，是不切实际的。
定义可用颗粒度的另一关键要素是，通过使子系统中的设备相互隔离，来进行故障分区。包括冷水机组等大量设备的模块化数据中心架构能够将这些设备汇总到单一总线。或不采用并联，而将这些设备独立分配到不同区域部署或机房部署。并联的优势在于能将另一设备添加到总线，实现N+1冗余，因为此冗余设备可作为备用设备，所以在总线上某个设备发生故障时，也不会影响数据中心运行。
总线并联有一个关键问题，即总线必须针对每种可行配置单独设计和分析。采用并联冷水机组的冷水机组管线系统必须针对冷水机组的所有组合，对管线进行分析，而且在前期就必须根据最大配置来确定容量。此外，将UPS并联连接到大型配电总线，在布线和开关设备方面也面临类似问题。所以，将设备并联到大型总线的作法，会造成严重损失，抵消很多模块化优势。而如果采取每个区域部署或机房配备专用设备的作法，则可解决上述复杂问题。
当子系统中的设备相互独立，没有公共总线时，整个总线基础设施可提前进行良好定义，便于预生产。在部署新数据中心容量单元时，不会干扰现有供电和制冷总线，但是每个独立设备必须具有冗余。而如果必须为每个设备都提供一个冗余设备的话，这会造成大量成本支出，高昂的成本是这种方法一直未能在高可用性数据中心使用的原因。为解决此问题，支持设备模块化的新型设备已经面世，这些设备一般内置 N+1冗余，而成本仅相当于甚或低于传统的并联总线方法。
设计理念：模块化架构中不同的供电和制冷总线并联方法，是区分不同设计方案的要素之一。总线间相互独立（并联程度最低）的系统，可扩展性最高、最为灵活且最易于维护，无需停机就能升级。但是采用这种方式，如需经济高效地支持冗余性，则通常会要求UPS和冷水机组等设备具备冗余（设备采用内置N+1架构）。
要素4：用户偏好和场地限制对模块化颗粒度的影响
理想情况下，选择一个标准数据中心架构，然后建造数据中心大楼来部署架构中的模块。虽然这是最优作法，但在现实中不具可行性。在大部分数据中心项目中，数据中心使用已建成的楼宇设施。因此会面临来自各方面的限制，包括IT设施物理空间、现有中央空调或通风系统、现有市电接入、IT机房净高或是部分数据中心已有电源和制冷设备等。为适用于此类环境，模块化架构必须能够通过一定的途径来克服这些限制。
此外，数据中心运营人员的偏好也会对设计产生影响。例如各种需求包括：数据中心需要供访客频繁访问、隔离某些IT设备组，或是某些布线方式可能会影响空气流通或配电。随着时间的推移，一个公司可能会采用很多与数据中心设计相关的标准，之后它们会被定义成设计的输入信息。一般来说，标准架构是无法满足所有类型的偏好的。
模块化数据中心架构所具有的灵活性可以满足一些常见的偏好和限制。可以采取一些定制化架构改造措施，但这有很大可能会削弱或抵消标准化和模块化架构的部分优势。
设计理念：与改变架构来符合预先设定的各种规定相比，评估并调整某些特定的偏好和场地限制以配合架构会取得更好的效果。对于数据中心来说，最常见的限制就是已存在的机房的面积和形状是固定的，而一个实用的模块化数据中心架构可以支持各种机房面积及形状。
综合考虑以上因素，可以清楚地得出借助多样化的标准化数据中心架构，能够满足大多数数据中心应用的需要，这些标准化数据中心架构的不同之处，主要在于模块大小的增量和冗余特性。采用数十个或数百个不同架构是不必要的。这意味着在不远的将来，会在行业范围内实现标准化数据中心架构。
二、模块化架构的颗粒度设计
在了解影响模块化数据中心颗粒度包含的基础内容后，现在可以开始介绍具体架构的颗粒度设计。本文基于以下三个元素来阐述模块化数据中心架构的颗粒度设计理念：
1. 模块如何在各子系统中部署和关联
2. 模块化架构的重要技术参数规格
3. 各模块占地空间的布局图
元素1：模块如何在各子系统中部署和关联
下图所示为一个数据中心架构模块化颗粒度设计图示例。在此图中，我们可看到各种类型的模块，包括设备、子系统和模块关联，它们分别部署在IT模块、机房和设施层面。通过该图，能够了解大量架构信息，具体解释如下。
在图的左侧，列出了构成数据中心的各子系统。灰色条块代表设备。如果所有设备块都存在，则数据中心采用了最大配置，但实际上，设备块在图中是按从左到右的部署顺序逐步扩展数据中心，以满足不断提高的IT负载要求。左侧列出的所有子系统的容量都需要与给定的IT容量（kW）相匹配。子系统的灰色模块必须以符合数据中心扩容需求的方式添加。图中还提供了不同子系统模块间的关联。如图所示，CRAC模块连接到区域部署，每三个CRAC设备就有一个备份的机房空调构成N+1冗余，每十二个CRAH模块就部署一个加湿器，且每个机房都与一个加湿器相关联。
在该图所示的架构中的最上方，相互关联的子系统以60kW的大小为单位。这些相关联的子系统构成了一个IT模块（Pod），作为这种架构的核心部署模块。在这一架构中，区域部署包括机柜、机架式PDU、配电列头柜、UPS、机房空调以及热通道气流遏制系统。
正如前面所讨论的那样，以IT模块为单位部署某些子系统是最有效的方式。在该图所示架构中，加湿器、制冷分配单元、冷水泵和照明进行关联和匹配，这样可以同时支持三个IT模块的部署。在此架构中，这些子系统和三个IT模块的方式构成了机房层面的部署。机房的边界可以是实体墙壁，也可以是一个大型机房中的某个分区，用虚拟边界隔离。
在数据中心之中，还有一些需要在整个设施级别优化部署的子系统，作为集中基础设施。在该图所示的架构中，这些子系统包括冷水机组、自然冷却热交换器、冷却塔、发电机和开关设备。其中部分子系统，如发电机等，不是模块化的，而另一些子系统，如冷水机组，是模块化的。
该图还展示了在模块化架构中是如何实现冗余的。部署模块的目的可以是为了实现扩容，也可以是为了实现冗余，在对架构的说明中必须明确指出其目的。如下图中所示子系统为一组从左到右堆叠，以增加容量的模块。在表示用以增加容量的模块堆叠下方，还可显示一个模块，该模块是冗余模块。
如需了解本架构中如何部署机房空调子系统冗余性，请参见下图，其中显示了CRAH子系统的详细信息：
在图中，每三个用于增加容量的模块，会部署一个冗余N+1模块。N+1冗余是在区域部署层面实现的。请注意本架构中以紧靠热源的行级制冷系统为例，如果在其它层面（比如每两个区域部署或每个机房）部署N+1模块，不会达到应有效果。该架构定义了如何实施冗余。通过图中冗余模块的放置位置，可以清楚地看到，冗余模块与系统总容量无关。
下图是另一个示例，显示该架构的制冷基础设施是如何实现冗余的。
在此例中，我们部署了一个N+1制冷基础设施，其中每个模块能支持4.5个区域部署。本例表明，集中部署的模块化基础设施并不一定要和区域部署或机房边界相对应。此架构中，部署第一天就必须安装左边的两个冷水机组，以提供N+1冗余，而当系统添加了第五个区域部署时，再安装右边的另一个冷水机组。上面一行冷水机组间的一条蓝线表示，它们都连接至同一总管线，因此，下面的N+1冷水机组是这两个冷水机组的冗余设备。一开始看起来部署较小的冷水机组能够提供较高可扩展性，与区域部署相一致，但目前，冷水机组如果划分为较小模块，则成本高昂、复杂度增加。在此架构示例中，一个冷水机组必须支持相当庞大的区域部署容量，出于节能目的应选择配有变频压缩机的型号。这里要强调的重点是，选择架构中的模块大小和类型是一个复杂的优化问题，需要分析与测试，因此开发一个架构远非像将模块放到图中如此简单。图表只是一种显示、记录架构并进行交流的有效方式。
元素2：模块化架构的重要技术参数规格
一个数据中心会有一些系统级别的性能指标，如表示基于IT负载的PUE值、功率密度、市电接入容量要求、建筑面积、地板承重、采购成本、运营成本等。虽然这其中很多指标是可以测量的，但事先对这些指标进行定义或确定设计方案是否符合规范要求还是有相当难度的。这是因为从所用设备组件的规格，常常很难推断出整个系统的性能。
为解决此问题，较大规模的数据中心用户一般会创建内部设计标准，或尝试反复利用它们开发的标准化设计方案，藉此提高预测可靠性、效率、密度功能等性能的能力。虽然这种方法在一定程度上是成功的，但它却使用户很难利用最新技术。如果能提前制订各种数据中心备选方案的系统级性能规范，特别是将新的方法融入进去，则效果会明显好得多。
虽然某些系统级特性是因数据中心而异，但很多指标都能作为数据中心架构的基本属性，为能够使用此架构的所有数据中心所共享。例如，从组件列表中，很难预测采用特定负载的某一数据中心的PUE，但如果该数据中心采用一个性能已提前记录归档的架构，则确定其PUE就很容易。部分应定义的架构指标类型包括：
基于IT负载的PUE曲线，因部署规模和层次的不同而变化
子系统冗余性（N+1, 2N等）
每个IT模块中的可用机柜空间
每个IT模块的地板承重
每个机房的地板承重
每个IT模块的空间要求
每个机房的空间要求
每kW成本概算
可用性级别
每kW用水量因地理环境而异
每机架机柜的平均功率
每机架机柜的峰值功率
IT机房的平均功率密度
安装管路和布线的要求
在设计流程伊始，就获得这些指标，能够大大提高数据中心项目规划设计流程的速度和质量。无需为详细地评估概念设计而延误任何时间，通过快速比较不同架构作出合适选择。一旦选定了架构，深化设计的很多方面就可明确，还有可能提前开始设计甚至提前开始生产，这大大加快了项目进度，改进了项目质量和可预测性。
元素3：各模块占地空间的布局图
在传统数据中心架构中，确定新建筑物或已有建筑中所有子系统的布局，通常是一个反复修改且耗时的流程，需要对大量设备进行空间和位置分析，包括对备选设备的考虑。不同的备选设备对于所占空间、操作和接口的要求也不同。在模块化架构中，如前所示，需要考虑的设备空间数目明显减少。例如，将IT模块作为核心部署单元，即将多个设备的占地布局整合为单一IT模块占地布局。
针对模块化架构一个争议是其太过受限于系统平面布局；IT模块或其它子系统的尺寸不够灵活，可能会使系统无法充分利用可用空间。用户往往需要在各种大小和形状的已有空间中安置数据中心。尽管有很多例子表明，实施标准化的IT模块无法充分利用地面空间。但经验显示这个问题并不严重，理由如下：
如果事先知道IT模块大小，通常可通过规划，确保留出相应大小的空间
一个有效的架构能够提供容纳多种功率但占地面积相同的模块，以适应机房的特殊形状
与使用传统方法部署IT设备的效率相比，采用IT模块设计的IT设备密度通常要高得多，这是因为后者对作业通道和功率密度都进行了优化；基于IT模块的设计，一般能容纳更多IT设备，且设备运行效率更高，远优于看似没有浪费空间的传统设计。
三、定义模块化颗粒度的方法
根据以上各部分内容可以得出，为特定数据中心环境选择最优模块化颗粒度的标准方法如下：
基于功率容量、可用性、扩容计划和功率密度等关键设计参数，确定整体设计方案
根据IT参数选择一个最符合各种要求的标准架构（使用预定工具、方法或选择准则）
确定项目的特殊限制（现有物理空间、电源或制冷子系统）
考虑限制和已选架构，确定满足IT参数要求所需的模块和其它项
验证这些模块能在当前项目限制的情况下部署
如果限制导致已选架构无法采用最优设计，那么则需要考虑架构中其它的备
选方案、备选架构，或者尝试调整限制条件
明确或选定最终架构
确立数据中心设计规格参数，包括满足IT需求所需的各种模块
开始深化设计
请注意以上规划流程通常只需若干个工作时就可完成（包括成本预测），而传统方法则可能需要数月时间。这是因为借助标准化架构，能够迅速查看最优可选设计。
四、结论
本文探讨了影响模块化数据中心架构颗粒度的四大要素。另外，本文还进一步说明了如何进行模块化颗粒度的设计及定义模块化颗粒度的方法。该方法可以帮助数据中心运营人员、设计公司、建筑公司和供应商进行高效率地模块化数据中心设计。
文章摘自施耐德电气信息技术
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