‌چگونه توان مصرفی یک مرکز داده را بر مبنای تعداد رک‌ها محاسبه کنیم؟

هنگامی که صحبت از طراحی و نظارت بر مراکز داده به میان می‌آید، یکی از پیچیده‌ترین فعالیت‌های مرتبط با طراحی مراکز داده، نحوه محاسبه توان مصرفی تجهیزاتی است که قرار است در یک دیتاسنتر مستقر شوند. محاسبه توان مصرفی یک مرکز داده بر اساس تعداد رک‌ها، نیازمند دو مرحله اصلی است: تعیین بار فناوری اطلاعات و سپس اضافه کردن بار زیرساختی با استفاده از معیار PUE. دو مفهوم کلیدی که قصد داریم در این مطلب از مفتاح رایانه‌افزار مورد بررسی قرار دهیم.

ما می‌توانیم از رویکرد محاسبه سنتی وات‌ بر مترمربع هنوز هم استفاده کنیم؟

پاسخ منفی است. الگوی سنتی محاسبه توان مصرفی مرکز داده بر اساس وات بر متر مربع (W/m2) دیگر یک الگوی مناسب و دقیق نیست و منسوخ شده است. این الگو با ظهور سرورهای پرقدرت و مجازی‌سازی، کارایی خود را از دست داده است. به بیان دقیق‌تر، در گذشته که تجهیزات فناوری اطلاعات توان مصرفی کمی داشتند و در فضای فیزیکی گسترده‌ای پخش می‌شدند،W/m2 یک معیار قابل قبول برای توزیع برق و خنک‌سازی بود.

امروزه، به دلیل استفاده روزافزون از سرورهای بلید (Blade Servers)، واحدهای ذخیره‌سازی تمام فلش (Flash Storage) و بارهای محاسباتی سنگین هوش مصنوعی و محاسبات فراهم‌گرا (HPC)، چگالی توان (Power Density) در هر رک به طور چشمگیری افزایش یافته است. یک رک مدرن ممکن است 15 کیلووات یا بیشتر توان مصرف کند، در حالی که رک مجاور تنها 3 کیلووات مصرف داشته باشد. استفاده از الگویW/m2 باعث می‌شود میانگین‌گیری صورت گیرد و مناطق داغ (Hot Spots) پرچگالی نادیده گرفته شوند. در نتیجه، محاسبات خنک‌سازی بر مبنای مساحت کف، به جای نیاز واقعی رک‌های پرچگالی، طراحی می‌شود که منجر به عدم توانایی در خنک‌سازی مؤثر و هدر رفت انرژی در سایر نقاط می‌شود. الگوی استاندارد و مورد تایید صنعت اکنون کیلووات بر رک (kW/rack) است که تمرکز را از فضای فیزیکی به بار محاسباتی و امنیتی منتقل می‌کند.

یک الگوی مناسب محاسبه میزان توان مصرفی یک مرکز باید چه ویژگی‌هایی داشته باشد؟

الگوی مناسب و مدرن برای محاسبه میزان توان مصرفی یک مرکز داده باید تمرکز خود را از مساحت کف برداشته و بر چگالی توان و بهره‌وری انرژی متمرکز کند. ویژگی اصلی این الگو، استفاده از معیار کیلووات بر رک (kW/rack) است. این معیار، توان الکتریکی مورد نیاز برای هر رک سرور را به طور دقیق مشخص می‌کند، که برای طراحی سیستم‌های توزیع برق و مهم‌تر از آن، سیستم‌های خنک‌کننده بسیار حیاتی است. بر خلاف الگوی سنتی W/m2 که منجر به میانگین‌گیری و نادیده گرفتن مناطق داغ می‌شود،kW/rack به مهندسان اجازه می‌دهد تا سیستم‌های خنک‌کننده را دقیقا بر اساس محل قرارگیری رک‌های پرمصرف و با چگالی بالا طراحی کنند. ویژگی دیگر و ضروری این الگو، لحاظ کردن بهره‌وری مصرف انرژی (PUE) است. PUE نسبت کل توان مصرفی ساختمان شامل خنک‌سازی، UPS و روشنایی به توان مصرفی تجهیزات فناوری اطلاعات است. یک الگوی محاسبه مناسب باید بتواند کل بار فناوری اطلاعات را بر اساس kW/rack محاسبه کرده و سپس با ضرب آن در PUE مورد انتظار، کل توان مصرفی ساختمان را به دست آورد. این شیوه، نه تنها یک برآورد واقع‌بینانه از هزینه‌های عملیاتی و نیازهای خنک‌سازی ارائه می‌دهد، بلکه استاندارد صنعت بوده و امکان مقایسه عملکرد مرکز داده را با سایرین فراهم می‌کند و همچنین امکان برنامه‌ریزی دقیق برای رشد آینده و افزایش چگالی‌های محاسباتی سنگین مانند هوش مصنوعی را فراهم می‌سازد.

تعیین ظرفیت مرکز داده و میزان توان مصرفی مرکز داده

تعیین ظرفیت توان مصرفی یک مرکز داده فرآیندی حیاتی است که برای اطمینان از تامین انرژی کافی و خنک‌سازی مناسب برای تجهیزات فناوری اطلاعات انجام می‌شود. این فرآیند بر خلاف روش‌های منسوخ مبتنی بر متر مربع، باید بر اساس چگالی توان رک متمرکز باشد. ابتدا، بار کل فناوری اطلاعات محاسبه می‌شود؛ این میزان با ضرب تعداد کل رک‌ها در متوسط توان مصرفی هر رک (بر حسب کیلووات) به دست می‌آید. معیار kW/rack به دلیل افزایش استفاده از سرورهای پرقدرت برای بارهای سنگین پردازشی به ویژه در حوزه هوش مصنوعی و مجازی‌سازی، ضروری است. در مرحله بعد، برای دستیابی به کل توان مصرفی ساختمان، باید بار IT در ‌ PUE مورد انتظار مرکز داده ضرب شود. PUE ضریبی است که میزان برق مورد نیاز برای پشتیبانی زیرساخت و تلفات توزیع را نشان می‌دهد؛ هر چه PUE به 1.0 نزدیک‌تر باشد، کارایی بیشتر است. در نهایت، برای ظرفیت‌بندی نهایی تجهیزات زیرساختی مانند یو‌پی‌اس‌ها و ژنراتورها، کل توان مصرفی ساختمان باید در یک ضریب اطمینان معمولا 1.25 برابر ضرب شود تا هم الزامات قانونی رعایت شود و هم فضای رزرو کافی برای نوسانات بار و رشد آینده فراهم گردد. این روش سه ‌مرحله‌ای، یک برآورد واقع‌بینانه و دقیق از نیازهای انرژی و خنک‌سازی ارائه می‌دهد که برای طراحی مطمئن و اقتصادی زیرساخت کاملا ضروری است. اکنون اجازه دهید این مفاهیم را با جزییات بیشتری مورد بررسی قرار دهیم.

1. تعیین بار فناوری اطلاعات بر اساس چگالی توان رک

اولین قدم، محاسبه کل توان مصرفی تجهیزات فناوری اطلاعات مثل سرورها، سوئیچ‌ها، ذخیره‌سازها است که به آن بار فناوری اطلاعات می‌گویند. این محاسبه از مفهوم چگالی توان رک (Rack Power Density) استفاده می‌کند که بر حسب کیلووات بر رک (kW/rack) اندازه‌گیری می‌شود. برای محاسبه کل بار کافی است چگالی توان متوسط هر رک را در تعداد کل رک‌ها ضرب کنید. شایان ذکر است چگالی توان (kW/rack) بر اساس نوع کاری که در رک انجام می‌شود، متغیر است. برای مثال چگالی استاندارد: <10 kW/rack به طور معمول معمولا 7 kW/rack تا 10 kW/rack است، در حالی که چگالی بالا برای حوزه‌هایی مثل هوش مصنوعی 10 kW/rack تا 30 kW/rack و در موارد بسیار بالا، حتی بیش از 60 kW/rack است. بنابراین، برای دقیق‌ترین محاسبه، باید توان مصرفی نامی (Nameplate Power) یا توان واقعی اندازه‌گیری شده هر دستگاه در رک (از جمله سرور، سوئیچ و PDU) را جمع بزنید تا چگالی دقیق رک خود را به دست آورید.

2. محاسبه کل توان مصرفی مرکز داده با استفاده از PUE

بار فناوری اطلاعات تنها بخشی از کل مصرف توان است. مراکز داده برای خنک‌سازی، تامین برق اضطراری، روشنایی و توزیع انرژی، توان زیادی مصرف می‌کنند که به آن بار زیرساختی گفته می‌شود. برای محاسبه کل توان مصرفی مرکز داده، از معیار استاندارد جهانی به نام PUE سرنام (Power Usage Effectiveness) استفاده می‌کنیم. PUE نسبت کل توان مصرفی مرکز داده به توان مصرفی تجهیزات فناوری اطلاعات است که به شکل زیر محاسبه می‌شود.

PUE=Total Facility Energy / IT Equipment Energy

برای محاسبه کل توان مرکز داده (بر اساس تعداد رک‌ها)، از همین فرمول استفاده معکوس می‌کنیم:

Total Facility Power (kW)=Total IT Load (kW)×PUE

در فرمول بالا مقدار PUE یک معیار بازدهی است. هر چه این عدد به 1.0 نزدیک‌تر باشد، مرکز داده کارآمدتر است. میانگین صنعت تقریبا 1.58 است. این مقدار برای مراکز داده مدرن و کارآمد معمولا بین 1.2 تا 1.4 است. با ضرب کل بار IT (که در مرحله اول محاسبه شد) در مقدار PUE مرکز داده، می‌توان کل توان مورد نیاز مرکز را بر حسب کیلووات به دست آورید. این عدد شامل برق مورد نیاز برای تجهیزات IT، سیستم‌های خنک‌کننده، UPS و روشنایی است.

3. ملاحظات نهایی برای دقت بیشتر در محاسبه

محاسبات فوق یک برآورد کلی ارائه می‌دهند، اما برای طراحی دقیق و ظرفیت‌بندی سیستم‌های (یو‌پی‌اس و ژنراتور باید چند نکته کلیدی دیگر را نیز در نظر بگیرید:

• ضریب توان (Power Factor – pF): توان مصرفی واقعی (وات یا kW) از توان ظاهری (VA یا kVA) متفاوت است. در محاسبات تجهیزات فناوری اطلاعات، معمولا ضریب توان سرورها نزدیک به 1.0 است، اما برای تجهیزاتی مانند یو‌پی‌اس و سیستم‌های توزیع، باید ضریب توان را لحاظ کنید: Watts=VA×Power Factor.

• اضافه‌بار (Derating) و ظرفیت رزرو: مهندسان معمولا ظرفیت کل محاسبه‌شده را در یک ضریب ایمنی ضرب می‌کنند (مثلا 125%) تا الزامات برق و همچنین نیاز به رزرو توان برای آینده و افزایش ناگهانی بار را برآورده سازند.

• سنجش مداوم: دقیق‌ترین راه برای دانستن میزان مصرف، استفاده از رویکردهایی مثل DCIM سرنام (Data Center Infrastructure Management) و اندازه‌گیری توان در سطح PDU و تجهیزات IT به صورت لحظه‌ای است.

مثالی از نحوه محاسبه توان مصرفی برای یک مرکز داده با تعداد مشخصی رک

اکنون برای درک بهتر مفاهیمی که مورد بحث قرار گرفتند، بهتر است به ذکر مثالی بپردازیم تا جزییات را به شکل دقیق‌تری متوجه شوید. فرض کنید قصد طراحی یا ارزیابی یک مرکز داده با مشخصات زیر را داریم:

شاخص	مقدار	توضیح
تعداد کل رک‌ها	رک	تعداد رک‌های فعال در طبقه فناوری اطلاعات.
چگالی توان متوسط هر رک		میانگین توان مصرفی تجهیزات فناوری اطلاعات (سرور، ذخیره‌ساز و سوئیچ) در هر رک.
PUE مورد انتظار (طراحی)		معیار بازدهی کل مرکز داده .
ضریب اطمینان (Safety Factor)		ضریبی برای لحاظ کردن ظرفیت رزرو و انطباق با استانداردهای برق (مثلا NEC).

گام اول: محاسبه کل بار فناوری اطلاعات

اولین گام محاسبه کل توانی است که توسط تمام تجهیزات فناوری اطلاعات در رک‌ها مصرف می‌شود. این بار، صرفا توان مصرفی برای محاسبات است و شامل خنک‌سازی یا توزیع برق نمی‌شود.

فرمول محاسبه:

Total IT Load (kW)=Number of Racks×Average Power Density per Rack (kW)

محاسبه:

Total IT Load=80 racks×12 kW/rack=960 kW

این مرکز داده به طور خالص 960 کیلووات توان برای اجرای سرورها و تجهیزات شبکه نیاز دارد. این رقم، نقطه شروع برای ظرفیت‌بندی تمام سیستم‌های برق و خنک‌کننده است.

گام 2: محاسبه کل توان مصرفی مرکز داده

در این گام، توان مورد نیاز برای زیرساخت پشتیبان (شامل سیستم‌های خنک‌کننده، تهویه، یو‌پی‌‌اس، روشنایی و تلفات توزیع) را به بار فناوری اطلاعات اضافه می‌کنیم. این کار با استفاده از معیار PUE انجام می‌شود.

فرمول PUE:

Total Facility Power (kW)=Total IT Load (kW)×PUE

محاسبه:

Total Facility Power=960 kW×1.4=1344 kW

کل توان مصرفی مورد نیاز برای کل ساختمان مرکز داده 1344 کیلووات است. این 1344 kW شامل 960 kW برای تجهیزات فناوری اطلاعات و 384 kW (اختلاف 1344 kW−960 kW) برای پشتیبانی زیرساخت (خنک‌سازی و غیره) است.

گام 3: محاسبه ظرفیت نهایی با اعمال ضریب اطمینان

برای طراحی و نصب تجهیزات برق اضطراری (مانند یو‌پی‌اس و ژنراتورها)، همیشه باید یک ضریب اطمینان (Safety Factor) لحاظ شود. این ضریب به دلیل رعایت استانداردها است که بسیاری از استانداردها حداقل 125% ظرفیت را برای بارهای پیوسته الزامی می‌کنند و دوم ظرفیت رزرو است که تامین فضای کافی برای رشد آینده یا افزایش موقت بار را شامل می‌شود.

فرمول محاسبه ظرفیت نهایی:

Final Design Capacity (kW)=Total Facility Power (kW)×Safety Factor

محاسبه:

Final Design Capacity=1344 kW×1.25=1680 kW

برای پشتیبانی مطمئن و استاندارد از این مرکز داده 80 رک با چگالی 12 kW/rack سیستم‌های برق اصلی (از جمله خروجی یو‌پی‌اس و ظرفیت ژنراتور) باید حداقل ظرفیت 1680 کیلووات را داشته باشند.

گام 4: تعیین توان خنک‌کننده مورد نیاز (Cooling Capacity)

همان طور که ما در گام ۲ محاسبه کردیم، توانی است که سیستم خنک‌کننده باید آن را مدیریت کند:

Power for Cooling and Infrastructure=Total Facility Power−Total IT Load

محاسبه:

Power for Cooling and Infrastructure=1344 kW−960 kW=384 kW

این عدد نشان دهنده برق مصرفی سیستم‌های خنک‌سازی، تلفات UPS و توزیع برق و روشنایی می‌شود. این تلفات گرمایی باید توسط سیستم‌های تهویه و خنک‌کننده جذب و دفع شود، بنابراین ظرفیت سیستم خنک‌کننده نیز باید بر اساس این بارهای گرمایی طراحی شود.

کلام آخر

همان‌گونه که مشاهده کردید، محاسبه توان مصرفی یک مرکز داده، رویکرد دقیق و مهندسی شده است که باید بر مبنای محاسبات دقیق ریاضی انجام شود. در صورتی که محاسبات دقت کافی را نداشته باشند، دو مشکل به وجود می‌آید، مرکز داده با کمبود برق موردنیاز تجهیزات روبرو می‌شود یا ظرفیت فراتر از انتظار محاسبه می‌شود که در بلندمدت هزینه‌های زیادی را به مرکز داده وارد خواهد کرد.

حمیدرضا تائبی