[協會技術文章] 淺談預製型數據中心之演進與發展

台達電子工業股份有限公司

關鍵基礎架構事業部 數據中心解決方案

市場開發 經理 賴俊吉

 

對大多數的IT經理人來說, 要建置一個新的數據中心往往是一個沉重且複雜的任務.從規劃到啟用往往歷時一年半載, 若需要從建物本身重新建置,所需要的時間就更為冗長.

然而在這期間所需要的工作包含 需求評估,設計,介面整合,施工, 基礎設備安裝, 系統連接到測試及正式上電運行, 所花費的時間及人力在正式執行專案後往往因為諸多的整合性問題而超出了原本規劃的目標.

但在資訊爆炸的年代,時間往往是建置一個新的數據中心最大的挑戰.如何在最短的時間內建置完成能符合需求的數據中心 也變成現代數據中心產業的一個新的課題.而預製型數據中心( Pre-Fabricated Data Center 或稱貨櫃式數據中心, Container Data Center)的概念也應運而生.

 

全球第一款的預製型數據中心- BlackBox ,由美國 Sun Microsystems公司於2006年正式發佈,也開啟後續10多年預製型數據中心發展的熱潮.包含資訊業界的巨擘 IBM , HP , Dell.數據中心基礎設備的方案提供商 Vertiv (前身為 Emerson Network Power ) , Schneider APC 以及 台灣品牌的 Delta (台達電) 等也相繼發表了相同設計概念的解決方案

 

然而,到底 預製型數據中心到底是甚麼樣的設計概念, 具備了甚麼優勢, 帶給了用戶甚麼好處,以及往後的發展前景. 本文將針對這幾個議題做分享與探討 .

 

預製型數據中心的設計概念與類型

預製型數據中心, 簡單說就是在客戶現場以外的地方譬如工廠,將用戶所需要的設備預先安裝於一個設計,製造完成的箱體或平台上並完成測試後再運至客戶的使用現場

其中又針對不同應用場景而衍生出不同的設計.

一般而言在數據中心的應用上概略可分為下列幾種 預製型數據中心 的設計

 

一、一體式預製型數據中心 ( All in One Pre-Fabricated Data Center )

一體式預製型數據中心即將所有數據中心中所會運用到之基礎設備於工廠全部安裝於一個單獨的箱體之中.經過運輸至客戶現場, 只要現場提供相關之電力, 冷源及通訊網絡即可運行.其中基礎設備約略包含了如下系統

1. 電力系統 : 包含不斷電系統(含電池系統) ,分配電系統,防雷系統
2. 空調系統 : 風冷,冷凍水或自然冷卻空調系統
3. 消防系統
4. 機櫃系統
5. 監控系統
6. 照明系統
7. 其他

因運輸及箱體的尺寸限制, 一般的一體式預製型數據中心通常應用在小型數據中心的場景, 如10~12個(或以下) 19英吋 IT機櫃之數據中心

                                                                         圖一 : 一體式 預製型數據中心

 

二、模組式 預製型數據中心 ( Modular Pre-Fabricated Data Center )

 

不同於 上述一體式 預製型數據中心 ,模組式 預製型數據中心的設計概念是將不同的數據中心設備安裝於多個箱體中, 運至用戶使用現場再將數個箱體拼接而成為一個完整的數據中心.

 

如下圖所示, 三個不同功能的系統分別安裝於單一個箱體貨櫃中,而在用戶現場再將三個貨櫃組合而成一個數據中心.

 

其優點在於可以依照用戶的需求增加設計箱體的數量以擴充空間,故可以運用於中型規模之數據中心部屬. 但相較於一體式預製型數據中心 ,模組式預製型數據中心於用戶現場則需要較多的組裝工程. 

 

                                                  圖二 : 模組式預製型數據中心

 

三、單系統 預製型數據中心( Functional Pre-Fabricated Data Center )

不同於上述兩種將所有數據中心基礎設備安裝於預製箱體中而成為一個完整數據中心的設計, 單系統預製型數據中心之設計理念是將數據中心所會使用到之單一系統如電力系統( Power Train Unit , 簡稱 PTU ) 或空調管路系統預先安裝於設計好之箱體內, 運至客戶現場與其他系統組合而成一個完整的數據中心

 

以實際應用而言, 電力系統包含不斷電系統或柴油發電機系統及空調系統屬較常見的應用方式.

 

以不斷電系統而言, 若以標準海運40尺高櫃的尺寸為一個單位來說.一個單位的空間即可滿足約 1MW 的不斷電系統配置, (包含滿載情況下5分鐘電力備援的電池及相關配電系統) 或者以柴油發電機系統, 相同的空間 也可以安裝1600kVA 的柴油發電機, 另可配置滿載條件下12個小時油槽.

 

也因為單系統 預製型數據中心並非容納全部的基礎設備, 而是依單一個單獨的系統作為設計的主軸. 在空間利用上就較為充裕, 容量設計可以較大.故通常應用在較為大型的數據中心, 甚至是MW 規模的數據中心

 

類似的應用, 於澳洲雪梨,墨爾本,以及美國,香港等MW等級大型數據中心 皆已陸續採用

                                                             圖三 : 單系統 預製型數據中心 – 不斷電系統

 

預製型數據中心的優勢與好處

 

預製型數據中心的特點在於可依照設計, 將整體系統於工廠事先安裝及測試再經由運輸至客戶現場使用. 對比傳統建物式的數據中心主要的優勢及好處概略可分為以下八大項 .

 

一、快速佈署

快速部屬的優勢主要來自於 同步工程, 安裝及測試

預製型數據中心由於具備在工廠組裝的優勢, 所以與客戶現場的建築基礎工程可以同步施工, 不因客戶現場還在做建築施工所以無法安裝.同步工程的做法可以大大縮短整體的時程.如在傳統的建築物內施作, 所有的基礎設備需要等建物完成後才能將所有設備安排進場, 安裝, 連結, 測試.

另外,在安裝及測試方面. 工廠內以幾近量產方式設計生產. 大部分的工程需求在設計階段都已經可以掌握及量化.所以在組裝及測試方面,可以大大減少傳統建物方式因各項的變動因素所產生的延誤.

 

而於大型數據中心的建置上,因投入資金巨大, 往往需要向銀行等相關金融機構爭取投資.如果能夠提早投入運行, 將可以提早帶來營收以清償相關借貸降低資金運作壓力. 所以在使用 電力系統 預製型數據中心 的條件下,電力系統的建置可以與建築物工程同步進行.不需要等到建物完成後再將設備進場, 安裝, 系統連接.測試. 建物完成的時間幾乎與電力系統完成的時間相同.

以筆者的實務經驗上來看.類似的設計方案將可比傳統建物式的建置方式提早約2~3個月投入運行.​

 

下圖以一個小型數據中心在傳統建物與預製型數據中心 時間上的差異做一個簡單的比較

                                                             圖四 : 傳統數據中心與預製行數據中心建置周期比較

 

 

二、高可預測性

由於預製型數據中心 於設計初期是連同裝載數據中心的載體都一併納入設計考量及模擬包含空間及相關的設計如隔熱係數氣流模擬等等都能更精準地透過科學計算方式做設計驗證使設計值與實際產出的結果更能相符

 

三、高可靠性

與傳統數據中心建置方式於客戶現場將所有設備一一安裝, 連結後再進行測試相比. 預製型數據中心將所有的設備及介面在工廠內做組裝及連結, 出廠前執行完整整體系統測試 ( FAT/Factory Acceptance Test ). 大大降低現場施工的不可預測性及因介面連接產生的問題甚至是責任不清的問題

 

四、降低不可預期之成本

預製型數據中心 將所有設備於工廠組裝, 可降低工程施工階段因為不可預期或不可抗力因素所造成的影響. 包含不同介面的連結與劃分, 天候的影響.所有的影響都會產生出大大小小不一的成本影響.

 

五、可複製性

傳統數據中心的建置往往會受限於既有建築的空間限制而造成不同地區的數據中心需要有不同的設計. 以一個跨國企業來說, 在全球各地可能都會有生產或研發據點. 但對企業IT 管理人員來說. 在各個不同的地點如何建置數據中心就需要不同的設計方案.但如果以預製型數據中心來說,可以使用相同的設計, 只要在需要設置數據中心區域提供足夠的安裝空間及提供電力等基本的資源即可投入運行. 相同的設計就方便於IT 管理人員將A地的設計複製到B 地

 

六、易於管理

在可複製性的優勢下, IT 管理人員由於有了相同設計的預製型數據中心, 不管在A地, B 地或C地. 管理相同設計,相同設備的數據中心, 不管在運行上, 維護上都大大提高可管理性的優勢.

 

七、再利用性

傳統的數據中心, 於建置完成投入使用後若有遷址的需求, 基本上所有的設備,佈線,配管等等就無法再使用.然而預製型數據中心因為所有設備及接線都安裝在一個可以運輸的載體上,若有遷址的需求. 只需要將用戶現場與數據中心對接的電力及相關的管線拆除,即可以透過陸運或海運運至新的場址安裝繼續使用. 對企業或相關的單位在機房建置上的投入成本及建置時間上達到相當可觀的節約 .

 

八、易擴充

在傳統的數據中心建置上, 因為需要在建物裡佈署相關的機房設備. 然而在建物內若要做到不影響既有系統的運作及同時進行新系統的擴充建置往往需要耗費相當大的協調與管理已達到互不干涉的目的. 所以往往在數據中心建置的初期就需考慮往後5~10年的需求. 這樣的做法往往導致了初期建置成本的提高, 而因為擴大了系統的容量設計更導致了系統效率低落.

對預製型數據中心而言, 將大幅降低了上述的限制. 因為預製型數據中心本身就搭配了載體,所以對用戶而言不需要考慮室內的空間, 可以於室外取得足夠的空間及配置的電力等相關的資源後,即可做容量的擴充. 用戶也可以依照目前的需求做規劃 , 待日後若有新的需求出現, 再另行購買相同設計的預製型數據中心裝設即可.

簡單說,預製型數據中心 已經是將所有繁雜的系統整合成一個單元型的產品. 用戶可以依照不同時間的需求購買不同數量的單元做搭配.

 

綜上所述,預製型數據中心 在一定的程度上的確可以對數據中心的建置帶來一定的好處與優勢. 但在不同的案例上可能會因為不同的需求及考量而有所不同的結果.包含對安裝現場安全性評估, 是否易淹水等相關的環境因素做綜合考量而取得一個對用戶最有利的方案.

 

預製型數據中心的發展前景

 

任何一個新的技術或產品的發展都需要一定的市場需求作為支撐.而從目前的市場需求而言, 不論在西方已開發國家或其他區域開發中國家的數據中心都已有採用預製型數據中心的案例. 包含微軟於芝加哥的數據中心即裝設了數十個預製型數據中心, 澳洲雪梨某大型租賃式數據中心 ( Colocation Data Center ) 也採用 預製型 數據中心的概念裝設數十個以標準40尺高櫃尺寸設計的不斷電及柴油發電機系統.第一期裝設總容量將近 28MW.  澳洲最大電信公司Telstra 於墨爾本建置, 2017 啟用的數據中心也採用模組式 預製型數據中心,利用9個20呎標準尺寸的貨櫃搭建成一個IT容量約250kW 的數據中心

 

而於開發中國家, 因為基礎建設的能力,管理及速度相對不足,加上智慧型手機帶動的資訊流通需求快速增長.對基礎建設品質要求較高的數據中心而言將是一大挑戰. 所以不論在緬甸,印尼等等的東南亞開發中國家都已出現對預製型數據中心的需求.主要的目的即在於需要滿足市場需求的條件下快速的發展.

 

而相關的應用主要出現在幾種場景或需求上. 

 

不論從 預製型數據中心 的優點或技術發展,市場可接受度層面來看. 預製型數據中心在往後的數據中心市場已逐漸站穩一席之地.而在實際案例逐漸地增加之下也更提高IT 管理人員對新技術, 新方案接受度.這對數據中心產業的發展也增加了不一樣的活力更提供了IT管理人員在建置數據中心時的另一個新的解決方案.