模块化ups——全新的电源供电系统

系统模块化是数据中心基础设施设计的重要理念和基本策略，数据中心设计建造中的很多问题都与系统模块化程度有关。模块化以及与之关系紧密的标准化，为数据中心带来了广泛的好处，它不仅简化了从初始规划到日常操作的每一个流程，还显著改进了数据中心商业价值的所有三个主要组成部分 – 可用性、适应性和总拥有成本。模块化设计，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。逐步求精的结果是得到一系列以功能块为单位的算法描述。以功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。模块化的目的是为了降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。模块化UPS是可用性级别最高的模块化系统，引领着数据中心基础设施设计建造的理念和方向。 

一、“系统模块化”是可修复和可快速修复的根本条件

    我们把具有独立功能，在系统中可整体安装、拆卸、移动、更换的子系统称之为模块，那末上面的设计理念可概括为以下三句话：

1、现代的数据中心要求基础设施必须是一个能连续工作的系统;

2、一个能连续工作的系统必然是可修复和可快速修复的系统;

3、一个可修复和可快速修复的系统，组成该系统的所有子系统必然要具备模块化特征;

    模块化即将完整的产品或流程按功能分成小块，即模块。根据上面讲的，模块的特征应该是：

    模块是系统中一个具有独立功能和可独立运行的单元;

    结构上可整体安装、拆卸、更换、移动;

    相同单元可冗余并机运行;

    在系统中，根据需要对这些模块进行组装，以产生原始产品/流程的各种变体。以我们很熟悉的手电筒电池为例：可以将不同数量的电池(模块)进行组合，从而获得不同功率的电源。在IT 设备中，刀片式服务器（一种HAHD的低成本服务器平台，是专门为特殊应用行业和高密度计算机环境设计的，其中每一块“刀片”实际上就是一块系统母板，类似于一个个独立的服务器。）和 RAID 阵列（一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据备份技术。）也是模块化的典型例子 – 将多个设备组合在一起获得不同数量的服务器或不同大小的存储容量。模块无需完全相同：以 Lego（乐高）积木为例，这些模块在某些方面相同，某些方面却不同，譬如，其颜色、大小和形状各不相同，但连接方式和尺寸均采用标准形式，以便可以将积木(模块)组装成一个集成系统。不同的模块化系统可以根据所需的功能划分目标，将不同数量的相同模块或不同模块(表示不同的标准化级别)并入集成的模块或系统中。

    数据中心基础设施是集成了多种功能的复杂系统，需要进行仔细的工程设计，以按照在标准化级别与用户灵活性之间取得最佳平衡的方式进行模块化。系统中存在各种级别的模块化设计的可能性。下面是一些示例：

    可互换的 UPS 功率模块和电池模块：在功率、冗余和运行时间方面均实现了可扩展性，而且能够进行热插拔，从而在不需要停止系统运行的条件下进行维修;

    标准化的模块化布线：将房间布线细分为行级模块或机架级模块。避免了混乱并易于出错的布线状态，并简化和加速了断开-重新排列-重新连接的流程。模块化配电系统的方式很多，可以采用为整排负载供电的机架大小的模块化设备，也可以采用服务于单个机架的电源插板(机架PDU);

    机架级通风装置：将房间气流细分为各机架局部控制，以便对高温区域进行精确制冷。

    高密度机架系统：将机架、配电系统和制冷系统集成为一个独立的封闭“空间”，以冷却和隔离发热量密集的 IT 设备。(此时，“模块”指集成的整个系统);

        模块是模块化设计和制造的功能单元，具有三大特征：

    1.相对独立性，可以对模块单独进行设计、制造、调试、修改和存储，这便于由不同的专业化企业分别进行生产；
    2.互换性，模块接口部位的结构、尺寸和参数标准化，容易实现模块间的互换，从而使模块满足更大数量的不同产品的需要；
    3.通用性，有利于实现横系列、纵系列产品间的模块的通用，实现跨系列产品间的模块的通用
    根据模块的特征，在数据中心基础设施中，一根线缆、一台整机UPS或空调机，都是一个模块，但是由于设计时的疏忽，有时它们在系统中却失去了模块化功能：一根线缆可能因为数量多并相互挤压而无法识别和更换，以至于一个老鼠啃坏一条线缆的绝缘就会使系统瘫痪而且不能迅速恢复;一台大型UPS或空调机因走道空间狭窄或搬运工具进不去而不能运出更换;一台装入机柜的变压器故障后因工具无法在机柜内伸展而无法更换等，这些事例屡见不鲜，使具有这种隐患的系统也就不再具备可修复或可快速修复的功能。

    这里引伸出的是一个新的概念-系统模块化概念。在一个复杂的系统中，尽管组成系统地所有子系统都是模块化的，但是由于缺乏系统模块化设计，使部分模块失去可更换、可移动的功能，最终使整个系统变成一个不可修复或不可快速修复的系统，可用性大大降低。

    “系统模块化设计”已经成为数据中心设计建造必须遵守的原则。模块化使一切事情变得更加便利、更可预测、更为经济、更易于理解以及更加安全。“系统模块化设计”观念在行业中已上升到一个新的高度，成为了一种富有创造性并具突出战略意义的设计哲学。

二、可修复和可快速修复功能是提高系统可用性的关键

    现代数据中心基础设施设计和运行的一个最基本也是最重要的要求是系统必须能连续工作。而工作连续性的程度通常是用系统的可用性来描述的。系统可用性A(t)的定义为：电子系统在使用过程中(尤其在不间断连续使用的条件下)可以正常使用的时间与总时间之比。可用性是由可靠性参数MTBF(平均无故障时间)和故障后平均修复时间参数MTTR表示的。

    可靠性MTBF愈高，系统的可用性愈高，这是不言而喻的事，但设备的可靠性是有限的，特别是由若干不同功能不同厂家的设备组成的复杂的系统，可靠性很难达到设计要求的水平，使数据中心基础设施特别是供电系统变得很脆弱。于是，设计者和用户很自然的想到必须从系统的可修复和可快速修复上找出路，因为尽管系统和设备的可靠性达不到要求的高度，故障随时都可能发生，但只要系统中的所有设备故障后都是可修复并可快速修复的，故障后平均修复时间MTTR数值很小甚至趋近于零，那末系统的可用性同样可以很高。

    可修复和可快速修复成为数据中心用户和设计者在系统设计时追求的首要目标。只要组成系统的所有具备独立功能的子系统，在系统投入运行后都是可拆卸、可移动、可更换的，那末这个系统必然是可修复的。

    可快速修复通常指可无工具拆卸和可拔插更换子系统和设备。但是，如果功能相同的两个设备可冗余配置，当一个设备故障停止运行后，另一个与之冗余并机的设备可继续工作而保证系统正常运行，那末，对于整个系统而言，我们可以认为冗余并机环节没有发生造成系统宕机的故障，可靠性很高;也可以认为虽然设备发生故障，但是在修复过程中没有影响整个系统正常运行，修复时间为零。

    以上设计理念已在数据中心基础设施用户和设计者中取得了最广泛的共识，并在系统方案设计和建造中取得了广泛的应用和显著的效果。

三、模块化的趋势

　　模块化UPS是在传统设计基础上发展起来的一种新的设计思想，现已成为一种新技术被广泛应用，尤其是信息时代电子产品不断推陈出新，模块化设计的产品正在不断涌现。如何使产品的模块化设计全方位地满足市场的多样化需求，应当引起企业经营者、新产品开发人员及其标准化研究者的高度重视。模块化设计已被广泛应用于机床、电子产品、航天、航空等设计领域，但至今模块化术语尚未给出公认的权威性定义。企业一方面必须利用产品的批量化、标准化和通用化来缩短上市周期、降低产品成本、提高产品质量，另一方面还要不断地进行产品创新使产品越来越个性化，满足客户的定制需求。这样，如何平衡产品的标准化、通用化与定制化、柔性化之间的矛盾，成为赢得竞争的关键能力。平台化、模块化的产品设计和生产可以在保持产品较高通用性的同时提供产品的多样化配置，因此平台化、模块化的产品是解决定制化生产和批量化生产这对矛盾的一条出路。

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