理想狀態下，一個完美的模塊化數據中心架構可以適用于所有應用環境。但是，數據中心需求千差萬別，催生了對不同架構的需求，所有設計的模塊化數據中心架構都必須與現實相符。本文將剖析影響模塊化架構顆粒度的四大要素，以及如何設計數據中心模塊化架構的顆粒度。
一、影響模塊化顆粒度的四大要素
數據中心的需求千差萬別， 但總結來看，影響模塊化架構顆粒度的要素可概括為如下四個方面：
1. 數據中心規模
2. 成長計劃
3. 可用性要求
4. 用戶偏好和場地限制
要素1：數據中心規模對模塊化顆粒度的影響
數據中心容量以瓦特（Watt）為單位，它對數據中心模塊化方式有重大影響。為便于理解，這里以分支機房、小型數據中心和大型數據中心為例，如下表所示。
然而，數據中心經理對成長計劃中部署IT設備的規模有著完全不同的想法，如下表所示。
這表明，對于不同規模的數據中心來說，最有效的物理基礎設施顆粒度也非常不同。對于分支機構機房，IT機柜是適合的數據中心模塊化部署容量單元。而對于小型數據中心，IT區域部署可能才是部署數據中心容量單元的最佳層面。IT機房則是最適用于大型數據中心的模塊大小。
設計理念：為支持不同規模的數據中心，至少有三種完全不同的模塊化架構。這些架構將機柜、區域部署或機房作為核心部署模塊的顆粒度。
要素2：成長計劃對模塊化顆粒度的影響
一些數據中心已預先確定了穩定的IT負載，負載在數據中心的整個生命周期中都保持不變。而另一些數據中心，數據中心制訂了一個長期、緩慢的IT負載擴容計劃，或對于負載的最終規模相當不確定。在負載穩定的數據中心，前期一次性建設基礎設施是必須的，不會造成任何損失。這種情況下，模塊化顆粒度的可擴展優勢無從體現。但模塊化設計的其它優勢仍很明顯，極具吸引力，如：設計投入減少、因使用成熟設計而獲得質量提升，以及交付周期縮短等。當IT負載固定且明確定義，模塊化顆粒度傾向于采用較大模塊，并且基礎設施各子系統宜采用集中方式部署。
但是，如果數據中心的負載增長緩慢或者成長計劃不確定，可擴展性的優勢就在設計中占主要地位。這種情況下，前期一次性部署基礎設施就有可能會遭受巨大損失：大筆投資購置的設備閑置或使用率低下，這些無法提供價值的資產卻還需要維護開支，而且過度配置造成不必要的能源浪費，甚至數據中心設施有可能在生命周期中途被棄用而使高額投資付諸東流的現象。此時，能夠根據IT負載，擴展數據中心基礎設施的能力，會對數據中心的TCO，乃至投資回報造成極大影響。對于這些數據中心來說，盡量精簡前期部署、最大程度地實現子系統模塊化的數據中心架構是最好的選擇。
設計理念：負載穩定、可預測的數據中心將受益于模塊體量較大的集中式基礎設施的模塊化顆粒度，通常在前期就一次性完全部署完畢。而未來負載不確定且具有長期擴容計劃的數據中心，則適合采用基礎設施分散、模塊體量較小的模塊化顆粒度。它們的要求不同，從而采用的顆粒度也不盡相同。
要素3：可用性要求對模塊化顆粒度的影響
許多數據中心設計都包括一定程度的冗余，以便實現容錯或并行維護。冗余意味著子系統由多個組件組成，其中部分組件為冗余組件。因此，所有具備冗余的數據中心都必須有一定的模塊化屬性。在傳統數據中心設計中，分析和預測整個數據中心生命周期內冗余系統的性能是非常復雜的。這也是傳統數據中心普遍在前期完成全面構建的原因之一。
高效的模塊化數據中心架構必須明確地說明如何在確保數據中心所需冗余的同時部署IT容量模塊。在數據中心擴展的同時，此冗余也須保持不變。在理想狀態下，模塊化數據中心架構應能為數據中心的不同部分提供不同水平的冗余性，以便最為經濟高效地滿足不同的IT需求。
在數據中心實現冗余的方式多種多樣。經常被提及的冗余級別有很多，如N+1、2N或雙系統冗余，但這些說法并不完整，因為實現各冗余級別的方法也千差萬別；以N+1 UPS系統為例，冗余可在UPS設備中實施、可通過并聯UPS設備實施、通過分布式冗余或“環型”架構實現，也可通過采用靜態轉換開關的“熱備份”設計實現。如此多種類的實施方法造就了不同的架構和不同的模塊化途徑。
高效的模塊化架構根據冗余目標，來優化模塊的大小。例如在N+1架構中，較小的模塊能夠縮小“+1”冗余模塊，降低成本、提高效率，但模塊規模小意味著部署的模塊數量較多，有可能增加復雜性。
設計理念：數據中心模塊化顆粒度受冗余要求的影響很大，單一顆粒度既要成本低廉，又要支持高度可靠的數據中心應用，是不切實際的。
定義可用顆粒度的另一關鍵要素是，通過使子系統中的設備相互隔離，來進行故障分區。包括冷水機組等大量設備的模塊化數據中心架構能夠將這些設備匯總到單一總線。或不采用并聯，而將這些設備獨立分配到不同區域部署或機房部署。并聯的優勢在于能將另一設備添加到總線，實現N+1冗余，因為此冗余設備可作為備用設備，所以在總線上某個設備發生故障時，也不會影響數據中心運行。
總線并聯有一個關鍵問題，即總線必須針對每種可行配置單獨設計和分析。采用并聯冷水機組的冷水機組管線系統必須針對冷水機組的所有組合，對管線進行分析，而且在前期就必須根據最大配置來確定容量。此外，將UPS并聯連接到大型配電總線，在布線和開關設備方面也面臨類似問題。所以，將設備并聯到大型總線的作法，會造成嚴重損失，抵消很多模塊化優勢。而如果采取每個區域部署或機房配備專用設備的作法，則可解決上述復雜問題。
當子系統中的設備相互獨立，沒有公共總線時，整個總線基礎設施可提前進行良好定義，便于預生產。在部署新數據中心容量單元時，不會干擾現有供電和制冷總線，但是每個獨立設備必須具有冗余。而如果必須為每個設備都提供一個冗余設備的話，這會造成大量成本支出，高昂的成本是這種方法一直未能在高可用性數據中心使用的原因。為解決此問題，支持設備模塊化的新型設備已經面世，這些設備一般內置 N+1冗余，而成本僅相當于甚或低于傳統的并聯總線方法。
設計理念：模塊化架構中不同的供電和制冷總線并聯方法，是區分不同設計方案的要素之一?？偩€間相互獨立（并聯程度最低）的系統，可擴展性最高、最為靈活且最易于維護，無需停機就能升級。但是采用這種方式，如需經濟高效地支持冗余性，則通常會要求UPS和冷水機組等設備具備冗余（設備采用內置N+1架構）。
要素4：用戶偏好和場地限制對模塊化顆粒度的影響
理想情況下，選擇一個標準數據中心架構，然后建造數據中心大樓來部署架構中的模塊。雖然這是最優作法，但在現實中不具可行性。在大部分數據中心項目中，數據中心使用已建成的樓宇設施。因此會面臨來自各方面的限制，包括IT設施物理空間、現有中央空調或通風系統、現有市電接入、IT機房凈高或是部分數據中心已有電源和制冷設備等。為適用于此類環境，模塊化架構必須能夠通過一定的途徑來克服這些限制。
此外，數據中心運營人員的偏好也會對設計產生影響。例如各種需求包括：數據中心需要供訪客頻繁訪問、隔離某些IT設備組，或是某些布線方式可能會影響空氣流通或配電。隨著時間的推移，一個公司可能會采用很多與數據中心設計相關的標準，之后它們會被定義成設計的輸入信息。一般來說，標準架構是無法滿足所有類型的偏好的。
模塊化數據中心架構所具有的靈活性可以滿足一些常見的偏好和限制。可以采取一些定制化架構改造措施，但這有很大可能會削弱或抵消標準化和模塊化架構的部分優勢。
設計理念：與改變架構來符合預先設定的各種規定相比，評估并調整某些特定的偏好和場地限制以配合架構會取得更好的效果。對于數據中心來說，最常見的限制就是已存在的機房的面積和形狀是固定的，而一個實用的模塊化數據中心架構可以支持各種機房面積及形狀。
綜合考慮以上因素，可以清楚地得出借助多樣化的標準化數據中心架構，能夠滿足大多數數據中心應用的需要，這些標準化數據中心架構的不同之處，主要在于模塊大小的增量和冗余特性。采用數十個或數百個不同架構是不必要的。這意味著在不遠的將來，會在行業范圍內實現標準化數據中心架構。
二、模塊化架構的顆粒度設計
在了解影響模塊化數據中心顆粒度包含的基礎內容后，現在可以開始介紹具體架構的顆粒度設計。本文基于以下三個元素來闡述模塊化數據中心架構的顆粒度設計理念：
1. 模塊如何在各子系統中部署和關聯
2. 模塊化架構的重要技術參數規格
3. 各模塊占地空間的布局圖
元素1：模塊如何在各子系統中部署和關聯
下圖所示為一個數據中心架構模塊化顆粒度設計圖示例。在此圖中，我們可看到各種類型的模塊，包括設備、子系統和模塊關聯，它們分別部署在IT模塊、機房和設施層面。通過該圖，能夠了解大量架構信息，具體解釋如下。
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在圖的左側，列出了構成數據中心的各子系統。灰色條塊代表設備。如果所有設備塊都存在，則數據中心采用了最大配置，但實際上，設備塊在圖中是按從左到右的部署順序逐步擴展數據中心，以滿足不斷提高的IT負載要求。左側列出的所有子系統的容量都需要與給定的IT容量（kW）相匹配。子系統的灰色模塊必須以符合數據中心擴容需求的方式添加。圖中還提供了不同子系統模塊間的關聯。如圖所示，CRAC模塊連接到區域部署，每三個CRAC設備就有一個備份的機房空調構成N+1冗余，每十二個CRAH模塊就部署一個加濕器，且每個機房都與一個加濕器相關聯。
在該圖所示的架構中的最上方，相互關聯的子系統以60kW的大小為單位。這些相關聯的子系統構成了一個IT模塊（Pod），作為這種架構的核心部署模塊。在這一架構中，區域部署包括機柜、機架式PDU、配電列頭柜、UPS、機房空調以及熱通道氣流遏制系統。
正如前面所討論的那樣，以IT模塊為單位部署某些子系統是最有效的方式。在該圖所示架構中，加濕器、制冷分配單元、冷水泵和照明進行關聯和匹配，這樣可以同時支持三個IT模塊的部署。在此架構中，這些子系統和三個IT模塊的方式構成了機房層面的部署。機房的邊界可以是實體墻壁，也可以是一個大型機房中的某個分區，用虛擬邊界隔離。
在數據中心之中，還有一些需要在整個設施級別優化部署的子系統，作為集中基礎設施。在該圖所示的架構中，這些子系統包括冷水機組、自然冷卻熱交換器、冷卻塔、發電機和開關設備。其中部分子系統，如發電機等，不是模塊化的，而另一些子系統，如冷水機組，是模塊化的。
該圖還展示了在模塊化架構中是如何實現冗余的。部署模塊的目的可以是為了實現擴容，也可以是為了實現冗余，在對架構的說明中必須明確指出其目的。如下圖中所示子系統為一組從左到右堆疊，以增加容量的模塊。在表示用以增加容量的模塊堆疊下方，還可顯示一個模塊，該模塊是冗余模塊。
如需了解本架構中如何部署機房空調子系統冗余性，請參見下圖，其中顯示了CRAH子系統的詳細信息：
在圖中，每三個用于增加容量的模塊，會部署一個冗余N+1模塊。N+1冗余是在區域部署層面實現的。請注意本架構中以緊靠熱源的行級制冷系統為例，如果在其它層面（比如每兩個區域部署或每個機房）部署N+1模塊，不會達到應有效果。該架構定義了如何實施冗余。通過圖中冗余模塊的放置位置，可以清楚地看到，冗余模塊與系統總容量無關。
下圖是另一個示例，顯示該架構的制冷基礎設施是如何實現冗余的。
在此例中，我們部署了一個N+1制冷基礎設施，其中每個模塊能支持4.5個區域部署。本例表明，集中部署的模塊化基礎設施并不一定要和區域部署或機房邊界相對應。此架構中，部署第一天就必須安裝左邊的兩個冷水機組，以提供N+1冗余，而當系統添加了第五個區域部署時，再安裝右邊的另一個冷水機組。上面一行冷水機組間的一條藍線表示，它們都連接至同一總管線，因此，下面的N+1冷水機組是這兩個冷水機組的冗余設備。一開始看起來部署較小的冷水機組能夠提供較高可擴展性，與區域部署相一致，但目前，冷水機組如果劃分為較小模塊，則成本高昂、復雜度增加。在此架構示例中，一個冷水機組必須支持相當龐大的區域部署容量，出于節能目的應選擇配有變頻壓縮機的型號。這里要強調的重點是，選擇架構中的模塊大小和類型是一個復雜的優化問題，需要分析與測試，因此開發一個架構遠非像將模塊放到圖中如此簡單。圖表只是一種顯示、記錄架構并進行交流的有效方式。
元素2：模塊化架構的重要技術參數規格
一個數據中心會有一些系統級別的性能指標，如表示基于IT負載的PUE值、功率密度、市電接入容量要求、建筑面積、地板承重、采購成本、運營成本等。雖然這其中很多指標是可以測量的，但事先對這些指標進行定義或確定設計方案是否符合規范要求還是有相當難度的。這是因為從所用設備組件的規格，常常很難推斷出整個系統的性能。
為解決此問題，較大規模的數據中心用戶一般會創建內部設計標準，或嘗試反復利用它們開發的標準化設計方案，藉此提高預測可靠性、效率、密度功能等性能的能力。雖然這種方法在一定程度上是成功的，但它卻使用戶很難利用最新技術。如果能提前制訂各種數據中心備選方案的系統級性能規范，特別是將新的方法融入進去，則效果會明顯好得多。
雖然某些系統級特性是因數據中心而異，但很多指標都能作為數據中心架構的基本屬性，為能夠使用此架構的所有數據中心所共享。例如，從組件列表中，很難預測采用特定負載的某一數據中心的PUE，但如果該數據中心采用一個性能已提前記錄歸檔的架構，則確定其PUE就很容易。部分應定義的架構指標類型包括：
基于IT負載的PUE曲線，因部署規模和層次的不同而變化
子系統冗余性（N+1, 2N等）
每個IT模塊中的可用機柜空間
每個IT模塊的地板承重
每個機房的地板承重
每個IT模塊的空間要求
每個機房的空間要求
每kW成本概算
可用性級別
每kW用水量因地理環境而異
每機架機柜的平均功率
每機架機柜的峰值功率
IT機房的平均功率密度
安裝管路和布線的要求
在設計流程伊始，就獲得這些指標，能夠大大提高數據中心項目規劃設計流程的速度和質量。無需為詳細地評估概念設計而延誤任何時間，通過快速比較不同架構作出合適選擇。一旦選定了架構，深化設計的很多方面就可明確，還有可能提前開始設計甚至提前開始生產，這大大加快了項目進度，改進了項目質量和可預測性。
元素3：各模塊占地空間的布局圖
在傳統數據中心架構中，確定新建筑物或已有建筑中所有子系統的布局，通常是一個反復修改且耗時的流程，需要對大量設備進行空間和位置分析，包括對備選設備的考慮。不同的備選設備對于所占空間、操作和接口的要求也不同。在模塊化架構中，如前所示，需要考慮的設備空間數目明顯減少。例如，將IT模塊作為核心部署單元，即將多個設備的占地布局整合為單一IT模塊占地布局。
針對模塊化架構一個爭議是其太過受限于系統平面布局；IT模塊或其它子系統的尺寸不夠靈活，可能會使系統無法充分利用可用空間。用戶往往需要在各種大小和形狀的已有空間中安置數據中心。盡管有很多例子表明，實施標準化的IT模塊無法充分利用地面空間。但經驗顯示這個問題并不嚴重，理由如下：
如果事先知道IT模塊大小，通常可通過規劃，確保留出相應大小的空間
一個有效的架構能夠提供容納多種功率但占地面積相同的模塊，以適應機房的特殊形狀?
與使用傳統方法部署IT設備的效率相比，采用IT模塊設計的IT設備密度通常要高得多，這是因為后者對作業通道和功率密度都進行了優化；基于IT模塊的設計，一般能容納更多IT設備，且設備運行效率更高，遠優于看似沒有浪費空間的傳統設計。
三、定義模塊化顆粒度的方法
根據以上各部分內容可以得出，為特定數據中心環境選擇最優模塊化顆粒度的標準方法如下：
基于功率容量、可用性、擴容計劃和功率密度等關鍵設計參數，確定整體設計方案
根據IT參數選擇一個最符合各種要求的標準架構（使用預定工具、方法或選擇準則）
確定項目的特殊限制（現有物理空間、電源或制冷子系統）
考慮限制和已選架構，確定滿足IT參數要求所需的模塊和其它項
驗證這些模塊能在當前項目限制的情況下部署
如果限制導致已選架構無法采用最優設計，那么則需要考慮架構中其它的備
選方案、備選架構，或者嘗試調整限制條件
明確或選定最終架構
確立數據中心設計規格參數，包括滿足IT需求所需的各種模塊
開始深化設計
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請注意以上規劃流程通常只需若干個工作時就可完成（包括成本預測），而傳統方法則可能需要數月時間。這是因為借助標準化架構，能夠迅速查看最優可選設計。
四、結論
本文探討了影響模塊化數據中心架構顆粒度的四大要素。另外，本文還進一步說明了如何進行模塊化顆粒度的設計及定義模塊化顆粒度的方法。該方法可以幫助數據中心運營人員、設計公司、建筑公司和供應商進行高效率地模塊化數據中心設計。
文章摘自施耐德電氣信息技術
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