Dimensiunile rack-ului pentru servere ale centrului de date și designul structural: informații despre spațiul U-, managementul termic, capacitatea de încărcare- și selecția distribuției de energie

Odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiilor precum cloud computing, big data, inteligența artificială și edge computing, infrastructura centrelor de date-inclusiv servere, comutatoare, dispozitive de stocare și echipamente de alimentare-tend din ce în ce mai mult către configurații bazate pe densitate mare, modularitate și rack-. Fiind o infrastructură critică care găzduiește echipamente IT, organizează cablarea, gestionează distribuția de energie și facilitează disiparea căldurii, proiectarea dulapurilor pentru servere nu mai este doar o chestiune de „stocare a echipamentelor”. În schimb, afectează direct utilizarea spațiului, eficiența termică, fiabilitatea puterii și eficiența operațiunilor și întreținerii pe termen lung-(O&M).

 

La construirea unui centru de date, selecția cabinetului necesită o evaluare cuprinzătoare a factorilor cum ar fi dimensiunile echipamentului, numărul de unități de rack (U), lățimea și adâncimea cabinetului, greutatea echipamentului, densitatea puterii și traseul cablurilor. Pentru ingineri și specialiști în achiziții, înțelegerea dimensiunilor standard ale dulapului și a parametrilor structurali este fundamentală pentru planificarea eficientă a camerei serverului și configurarea echipamentelor.

 

 

 

„U” care se găsește în mod obișnuit în dulapurile serverelor înseamnă „Unitate” și servește ca măsură standard a înălțimii rack-ului. Echipamentele montabile în rack-de obicei sunt proiectate pe baza incrementelor de înălțime U-, asigurând că serverele, comutatoarele, dispozitivele de stocare și alt hardware de montare în rack-de la diverși producători pot fi instalate într-un sistem de cabinet unificat.

 

Înălțimea standard pentru 1U este de 44,45 mm (4,445 cm). În consecință, un dispozitiv 2U are aproximativ 88,9 mm înălțime, iar un dispozitiv 4U are aproximativ 177,8 mm înălțime. Este important să rețineți că ratingul U se referă în mod specific la înălțimea de montare a rack-și nu echivalează cu dimensiunile fizice reale ale dispozitivului; componente precum șasiul, șinele, urechile de montare și alte elemente structurale pot ocupa spațiu suplimentar.

 

Într-un sistem standard de rack de 19 inchi, lățimea de montare este de 19 inchi (482,6 mm). Lățimea reală a șasiului serverului în sine este de obicei mai mică decât această cifră, deoarece dispozitivul este fixat pe șinele verticale de montare ale dulapului prin urechi de montare, șine glisante sau alte mecanisme de montare.

 

Serverele 1U, 2U și 4U sunt cei mai obișnuiți factori de formă. 1Dispozitivele U permit un număr mai mare de noduri de calcul într-un spațiu limitat de rack, ceea ce le face ideale pentru mediile de-densitate mare. În schimb, dispozitivele 2U și 4U oferă un volum intern mai mare, găzduind mai multe hard disk-uri, plăci de expansiune, componente de răcire și alte module funcționale.

 

Deciziile de selecție ar trebui să se bazeze pe o evaluare completă a performanței de calcul, a capacității de stocare, a expansibilității și a consumului de energie. De exemplu, unele proiecte-la scară mică pot utiliza un rack de server 6U pentru a găzdui unități de calcul edge, echipamente de rețea sau aparate de laborator. Deși aceste rafturi oferă spațiu vertical limitat (spațiu U-), ele îndeplinesc efectiv cerințele pentru instalarea centralizată a sistemelor IT mici, terminalelor de comunicații și echipamentelor de control.

 

 

42U este una dintre înălțimile standard de rack întâlnite frecvent în centrele de date. Pe baza calculului standard de 44,45 mm per U, spațiul de montare vertical teoretic pentru un rack de 42U este de aproximativ 1,866.9 mm. Cu toate acestea, înălțimea exterioară reală include spațiu suplimentar pentru panoul superior, bază, roțile sau alte elemente structurale; prin urmare, nu se poate determina dimensiunile exterioare reale ale rack-ului numai pe baza evaluării U-spațiului.

 

Lățimile comune ale raftului includ 600 mm și 800 mm. Rack-urile cu o lățime de 600 mm sunt potrivite pentru instalațiile standard de server și echipamente de rețea, în timp ce rafturile cu lățime de 800 mm oferă de obicei mai mult spațiu lateral pentru rutarea cablurilor, făcându-le ideale pentru servere de înaltă-densitate, sisteme complexe de cablare și centre de date cu cerințe stricte de gestionare a cablurilor.

 

Adâncimile raftului variază semnificativ, cu dimensiuni comune variind de la 600 mm la 1.200 mm (inclusiv 600, 800, 900, 960, 1.000, 1.100 și 1.200 mm). Pe măsură ce platformele de servere evoluează, cerințele de adâncime, greutate și management termic ale anumitor dispozitive de calcul de înaltă{14}}performanță (HPC) și servere GPU au crescut substanțial, necesitând o potrivire între adâncimea rack-ului și dimensiunile reale ale echipamentului.

 

Pentru medii cu spațiu limitat-cum ar fi birouri, laboratoare sau săli de server edge-pot fi folosite dulapuri de date mici. Aceste dulapuri oferă de obicei o capacitate de montare limitată, dar sunt potrivite pentru instalarea centralizată a comutatoarelor de rețea, echipamentelor de comunicații, unităților UPS și a altor dispozitive IT mici.

 

Dacă numărul de echipamente este scăzut și dispozitivele de rețea trebuie instalate lângă un perete, un dulap de rețea cu montare pe perete-este o opțiune viabilă. În timp ce unitățile montate pe perete economisesc spațiu pe podea, este esențial să verificați capacitatea portantă-peretelui, greutatea echipamentului și condițiile necesare de disipare termică.

 

 

Un rack de 42U nu găzduiește neapărat servere 42 1U. Spațiul U-teoretic reprezintă doar zona de montare verticală; implementarea efectivă necesită luarea în considerare a distanței dintre dispozitive, precum și a spațiului ocupat de comutatoare, PDU-uri, componente de gestionare a cablurilor și canale de flux de aer pentru răcire.

 

În timp ce un rack ar putea găzdui teoretic un număr mare de dispozitive dacă este populat în întregime cu unități 1U, implementarea efectivă necesită ajustări bazate pe factori precum consumul de energie al dispozitivului, metodele de răcire, capacitatea de alimentare și autorizația de întreținere. Pentru serverele 2U și 4U, numărul de unități instalabile scade în mod corespunzător datorită spațiului vertical mai mare pe care îl ocupă fiecare dispozitiv.

 

Determinarea numărului de dispozitive necesită de obicei echilibrarea a trei dimensiuni: spațiu, putere și răcire. Considerentele legate de spațiu implică calcularea unităților de rack (spațiu U-) necesare pentru dispozitive și gestionarea cablurilor. Considerațiile privind puterea implică evaluarea capacității de putere de intrare a rack-ului și a sarcinii PDU. Considerațiile de răcire necesită o configurare bazată pe puterea termică reală de proiectare a echipamentului IT și capacitatea de răcire a centrului de date.

 

În scenariile de calcul cu densitate mare-, capacitatea de putere devine adesea factorul limitativ pentru densitatea rack-urilor înainte ca spațiul U-fizic. Prin urmare, planificarea rack-urilor nu ar trebui să se concentreze doar pe maximizarea numărului de dispozitive, ci ar trebui să implice un design integrat care să țină cont de sarcina IT, alimentarea cu energie și capabilitățile de răcire.

 

 

În primul rând, rafturile pentru servere asigură structura mecanică pentru montarea echipamentului. Folosind șine de montare standardizate, șine de ghidare și hardware de montare, servere, comutatoare, dispozitive de stocare, unități UPS și alte echipamente de montare în rack-poate fi consolidate într-un ansamblu unificat și organizat.

 

În al doilea rând, rafturile facilitează configurarea organizată a echipamentelor și gestionarea cablurilor. Dacă un număr mare de cabluri de rețea, cabluri de alimentare și cabluri de fibră-optică ar fi lăsate libere în centrul de date, întreținerea ar fi dificilă, iar tiparele fluxului de aer ar fi întrerupte. Rack-urile bine-proiectate au de obicei puncte de intrare a cablurilor de sus sau de jos, canale verticale de gestionare a cablurilor și accesorii orizontale de gestionare a cablurilor, rezultând o conectivitate mai clară a echipamentelor.

 

Pentru implementările de servere de-densitate mare, rafturile joacă, de asemenea, un rol crucial în gestionarea fluxului de aer și a disipării căldurii. Centrele de date moderne utilizează, în general, un design al fluxului de aer din față-la-în spate, în care aerul rece intră în partea de admisie a echipamentului și este evacuat în culoarul fierbinte de ventilatoarele interne. Structurile rack-urilor trebuie proiectate astfel încât să se asigure că cablurile, panourile de obturare și alte accesorii nu obstrucționează căile de flux de aer primar.

 

În plus, rafturile oferă securitate fizică pentru echipament. Caracteristici precum ușile, panourile laterale, încuietori, sistemele de împământare și alte accesorii ajută la minimizarea riscului de acces neautorizat și protejează echipamentul de factorii de mediu cum ar fi praful și impactul mecanic.

 

 

În funcție de locația de instalare, rafturile pot fi clasificate pe larg în rafturi-pe podea și rafturi-montate pe perete. Dulapurile-pe podea oferă o capacitate de instalare mai mare și sunt potrivite pentru implementarea centralizată a serverelor, echipamentelor de rețea, dispozitivelor de stocare și sistemelor de alimentare. Dulapurile montate pe perete sunt mai compacte și sunt utilizate în principal pentru telecomunicații, rețele și echipamente de calcul de vârf.

 

Dulapurile pot fi clasificate în continuare în funcție de mediul de aplicare în modele de interior și exterior. Pentru dulapurile de rețea exterioare, proiectarea structurală trebuie să abordeze nu numai instalarea echipamentelor și disiparea căldurii, ci și factorii de mediu, cum ar fi pătrunderea prafului și a apei, rezistența la coroziune, fluctuațiile de temperatură și radiația solară.

 

Pe baza tipului de echipament, dulapurile sunt clasificate în dulapuri de server, dulapuri de rețea, dulapuri de telecomunicații și dulapuri de control industrial. Dulapurile de server necesită de obicei o capacitate de încărcare-mai mare și o adâncime mai mare. Dulapurile de rețea acordă prioritate spațiului de cablare, structurilor de gestionare a cablurilor și instalării comutatoarelor. Dulapurile industriale necesită protecție îmbunătățită și caracteristici de control termic adaptate mediului de operare specific.

 

În mediile de server de acasă, de stocare media și de laborator personal, rafturile de servere de acasă, în general, nu necesită capacități de încărcare-extreme găsite în dulapurile mari ale centrelor de date; cu toate acestea, factori precum adâncimea echipamentului, nivelurile de zgomot, ventilația și gestionarea energiei rămân considerații importante.

 

Pentru nodurile de rețea compacte, rafturile de rețea mici pot fi utilizate pentru a găzdui central switch-uri, routere, echipamente de distribuție cu fibră optică și unități de putere-la scară mică.

 

 

 

Pe măsură ce puterea serverului și densitatea echipamentelor cresc, capacitatea de încărcare-a dulapurilor a devenit din ce în ce mai critică. Serverele de-densitate mare, matricele de stocare, unitățile UPS și sistemele de baterii pot fi foarte grele; dacă cadrul dulapului, șinele de montare, baza sau rotile nu au suficientă capacitate de încărcare-, siguranța operațională-pe termen lung a echipamentului poate fi compromisă.

 

Specificațiile de încărcare-cabinetului fac de obicei o distincție între sarcinile statice și dinamice. Capacitatea de sarcină statică se referă la greutatea pe care o poate suporta dulapul odată ce echipamentul este instalat, în timp ce capacitatea de încărcare dinamică ține cont de solicitările mecanice suportate în timpul mișcării dulapului, transportului și procesului de instalare a echipamentului.

 

Când selectați un rack pentru server de computer, capacitatea portantă-ar trebui verificată în funcție de greutatea echipamentului, metodele de montare și specificațiile structurale ale dulapului. Pentru serverele grele, ar trebui folosite șine sau rafturi dedicate, în loc să se bazeze doar pe șuruburi de montare pentru a susține întreaga greutate.

 

Factori precum materialul cadrului, grosimea șinei, structura traversei-, designul bazei și configurația de montare influențează toți rigiditatea structurală generală. Implementările de centre de date cu densitate mare- necesită o analiză sistematică a acestor parametri, mai degrabă decât să se concentreze doar pe dimensiunile externe.

 

 

Managementul termic este un aspect critic al designului rack-urilor. Componentele precum procesoarele, GPU-urile, modulele de memorie, hard disk-urile și unitățile de alimentare generează căldură în timpul funcționării serverului. Dacă această căldură nu este disipată prompt, temperaturile interne cresc, ceea ce poate duce la limitarea termică, defecțiunea echipamentului sau o durată de viață scurtă a componentelor.

 

În timp ce rafturile tradiționale se pot baza pe ventilatoare-montate de sus pentru a ajuta la evacuarea căldurii, centrele de date moderne pun un accent mai mare pe gestionarea fluxului de aer între rafturi și sistemul general de aer condiționat al unității. Strategiile obișnuite de proiectare includ configurații de culoar cald/rece, izolarea culoarului rece, reținerea culoarului cald și răcirea la nivel-rack.

 

Pentru serverele cu putere mare-, simpla adăugare a mai multor ventilatoare de rack este insuficientă. Este necesară o abordare holistică de proiectare, factori de coordonare cum ar fi raportul de perforare al ușilor din față și din spate, direcția fluxului de aer al serverului, configurația panoului de golire, aspectul cablurilor și fluxul de aer general al centrului de date.

 

Implementările cu densitate mare-poate utiliza răcirea cu lichid sau alte metode de gestionare termică de-eficiență ridicată. Aceste abordări modifică cerințele de spațiu intern, structurile de conducte și structurile portante-; prin urmare, metoda de răcire a platformei server trebuie confirmată în timpul etapei de achiziție a rack-ului.

 

Rack-urile pentru servere izolate fonic sunt utilizate în principal în medii cu cerințe stricte de control al zgomotului, cum ar fi birouri, laboratoare sau anumite site-uri de calcul edge. Aceste rafturi necesită un echilibru atent între materialele de izolare fonică, gestionarea fluxului de aer și performanța termică.

 

 

Pe măsură ce numărul de servere și conexiuni la rețea crește, gestionarea eficientă a cablurilor în rack devine din ce în ce mai importantă. Fără o planificare adecvată, cablurile de alimentare, cablurile de cupru, fibră optică și cablurile de gestionare pot împiedica întreținerea echipamentului și pot împiedica fluxul de aer.

 

Rafturile bine-proiectate oferă de obicei puncte de intrare a cablurilor atât în ​​partea superioară, cât și în cea inferioară, cu spații dedicate de gestionare a cablurilor orizontale și verticale, aliniate la locațiile interfeței serverului. Rack-urile cu densitate mare-ar trebui să încorporeze, de asemenea, gestionarea cablurilor pe niveluri pentru a preveni încurcarea cablurilor de alimentare, a cablurilor de rețea și a fibrelor optice.

 

Raza de îndoire a cablului este un alt parametru critic de proiectare. Raze de curbură insuficiente-în special pentru fibre optice și cabluri de comunicații de-viteză mare-poate compromite calitatea transmisiei semnalului. La achiziționarea de rafturi, specificațiile pentru accesoriile de gestionare a cablurilor trebuie selectate pe baza volumului real de cablare și a orientării interfețelor. Carcasele cu montare în rack-sunt utilizate de obicei pentru a găzdui echipamente electronice specifice în cadrul sistemelor standard de rack. Designul lor se concentrează nu doar pe furnizarea unei carcase, ci și pe cerințele structurale, cum ar fi dimensiunile de montare, ventilația, ecranarea EMC, împământarea și ușurința întreținerii.

 

 

În centrele de date cu densitate mare-, sistemul de distribuție a energiei din cabinet afectează direct fiabilitatea operațională a serverului. PDU-urile sunt de obicei instalate în spatele sau pe partea laterală a dulapului pentru a furniza conexiuni de alimentare pentru servere, comutatoare și alte echipamente IT.

 

Pe măsură ce proporția de servere de alimentare dublă-crește, un singur dispozitiv se poate conecta la două circuite de alimentare independente simultan; prin urmare, distribuția energiei din dulap trebuie să țină cont pe deplin de independența surselor de alimentare A și B. Pentru echipamentele esențiale de misiune-, este necesară o planificare integrată care implică unități UPS, dulapuri de distribuție a energiei și sisteme de alimentare de rezervă.

 

Capacitatea sistemului de distribuție a energiei nu trebuie estimată exclusiv pe baza numărului de servere; în schimb, calculele trebuie să ia în considerare puterea nominală a dispozitivelor individuale, ratele reale de sarcină, curenții de aprindere și nevoile viitoare de extindere.

 

În dulapurile cu densitate mare-, punctele de conectare la alimentare, amplasarea PDU-ului și rutarea cablurilor trebuie să fie coordonate cu cerințele de disipare a căldurii și spațiul de acces pentru întreținere. Un aspect rațional poate scurta traseele de alimentare și poate minimiza obstrucția fluxului de aer cauzată de cablurile de alimentare.

 

 

Dulapurile moderne ale centrelor de date evoluează de la structuri simple de montare mecanică la componente inteligente de infrastructură. Senzorii care monitorizează temperatura, umiditatea, fumul, curentul, tensiunea și accesul la dulap permit monitorizarea-în timp real a stării de funcționare a dulapului.

 

Monitorizarea temperaturii și umidității ajută personalul de operațiuni și întreținere (O&M) să determine dacă condițiile din interiorul și din jurul dulapului rămân în intervalele optime. Pentru serverele cu densitate mare-, sistemul de monitorizare poate detecta cu promptitudine potențiale probleme de răcire dacă temperatura aerului de admisie crește anormal.

 

Detectarea fumului identifică fumul rezultat din defecțiuni ale echipamentelor sau alte anomalii. Integrarea cu sistemul-de stingere a incendiilor la nivel de instalație accelerează și mai mult detectarea evenimentelor anormale.

 

PDU-urile inteligente pot monitoriza parametrii pentru circuite de alimentare unice sau multiple, oferind baza de date pentru analiza consumului de energie al echipamentelor, planificarea capacității și diagnosticarea defecțiunilor. Conectarea datelor din cabinet la sistemul de management al infrastructurii centrului de date (DCIM) prin intermediul interfețelor de comunicație permite, de asemenea, o gestionare mai centralizată a operațiunilor și întreținerii.

 

 

Selectarea dulapului nu ar trebui să se bazeze numai pe specificații de înălțime precum „42U” sau „48U”; De asemenea, trebuie luați în considerare factori precum dimensiunile echipamentului, cerințele de putere, disiparea căldurii, capacitatea portantă-de sarcină și spațiul de întreținere.

 

Pentru clusterele standard de servere, trebuie mai întâi să verificați înălțimea și adâncimea serverelor, apoi să determinați numărul necesar de unități de rack (U) și adâncimea efectivă de montare. Dacă există un volum mare de echipamente, trebuie să se aloce spațiu și pentru comutatoare, PDU-uri, organizatori de gestionare a cablurilor și acces la întreținere.

 

Pentru birouri sau laboratoare mici, dulapurile de dimensiuni medii-{-mici- (cum ar fi rafturile de 18U) sunt opțiuni potrivite, deoarece îndeplinesc nevoile de instalare a echipamentelor, reducând în același timp amprenta fizică.

 

Pentru centrele de date la scară mare-, este necesară o evaluare cuprinzătoare, care să acopere înălțimea, lățimea și adâncimea dulapului, precum și capacitatea de încărcare-, metodele de răcire, capacitatea de distribuție a energiei și arhitectura de cablare a rețelei. În timp ce dulapurile mai înalte (cum ar fi rafturile de 48U) oferă mai mult spațiu de montare vertical, desfășurarea lor efectivă trebuie să țină cont de înălțimea tavanului, căile de transport, spațiul de întreținere și reglementările de siguranță la incendiu.

 

Pentru nodurile de comunicație exterioare, pe lângă spațiul de montare a echipamentului, factorii critici de verificat includ gradul de protecție la pătrundere (IP), intervalul de temperatură de funcționare, structura de etanșare, metoda de disipare a căldurii și rezistența la coroziune.

 

 

 

Având în vedere progresele în serverele AI, calculul de înaltă{0}}performanță (HPC) și computerul de vârf, cabinetele centrelor de date evoluează către densitate mare de putere, capacitate de încărcare mare-, disipare eficientă a căldurii și management inteligent.

 

Pe de o parte, nivelurile în creștere ale puterii serverului impun cerințe mai mari de gestionare termică a dulapurilor tradiționale cu răcire cu aer-; adoptarea răcirii cu lichid, a tehnologiei cu plăci reci și a altor soluții de management termic de înaltă-eficiență va influența și mai mult proiectarea structurii cabinetului.

 

Pe de altă parte, pe măsură ce densitatea echipamentelor din interiorul dulapurilor crește,sisteme de distribuție a energiei electricetrebuie să suporte sarcini de putere mai mari, menținând în același timp capabilitățile de alimentare A/B, redundanța UPS și funcțiile de monitorizare de la distanță.

 

În plus, designul modular este setat să devină o tendință cheie pentru sistemele de cabinete. Prin utilizarea dimensiunilor standardizate, a structurilor de montaj reglabile, a PDU-urilor modulare și a componentelor inteligente de monitorizare, flexibilitatea atât a construcției inițiale a centrului de date, cât și a extinderii ulterioare poate fi îmbunătățită.

 

Dintr-o perspectivă de proiectare inginerească, viitoarele dulapuri nu vor fi doar structuri de tablă de sine stătătoare-; mai degrabă, acestea vor servi ca interfețe structurale care integrează servere, distribuție de energie, răcire, conectivitate la rețea și sisteme inteligente de monitorizare.

 

În consecință, abordările de proiectare trebuie să treacă de la concentrarea pe instalarea de echipamente individuale la optimizarea coordonată a întregii infrastructuri a centrului de date.

 

În ceea ce privește achizițiile de inginerie, selectarea cabinetului necesită validare tehnică bazată pe parametrii practici-cum ar fi dimensiunile echipamentului, unitățile de rack (spațiu U-), capacitatea de încărcare-, managementul termic, distribuția energiei, managementul cablurilor și mediul de instalare-înainte ca structura și specificațiile specifice să fie finalizate.