演進中的機柜式架構設計

　　作者/MDTruongMolex數據中心架構總監

　　摘要：在現代化的超大規模數據中心內，重心已經從服務器的設計轉向了機架的設計——從而給予我們一種恰如其名的機柜式架構。成立Open19基金會的目的是圍繞該型的架構，為數據中心行業提供一個硬件平臺，并且還要創建一組可以定制、高度靈活并且極具經濟性的標準與設計——同時，這些標準與設計可配合任何19英寸機架環境使用。(因此，出現了Open19。)

　　通過與全球范圍內業界的技術領導者們開展廣泛的協作，Open19解決方案的重點圍繞在操作的簡易性、功率效率以及靈活的設計——對于機架式架構來說，這些都是主要的考慮事項。并且，隨著重心正在從以服務器為中心的世界轉向以機架為中心的環境，數據中心的管理人員可以突破常規，良好應對一個常見的挑戰：運營。

　　超大規模數據中心會涉及到浩大的運營范圍，所占據的區域往往會達到幾個足球場那么大的面積。在硬件采購成本的背后，大規模的運行硬件所產生的運營費用可以對總購置成本(TCO)產生顯著的影響。在如此大的一個空間中，電源效率(或者，更為常見的是效率不足)、氣流阻礙以及硬件的簡單維護都會迅速地積少成多起來。為了應對這一問題，這類場所的維護僅僅通過少數幾名現場的技術人員來完成，這就意味著維修和升級常會花很多的時間。

　　開發Open19的目的是應對大規模的挑戰。這一協作組織的發起人迄今為止已經包含了近30家公司——包括Molex在內，已經認識到機架集成、操作和維護的成本正在成為一項重大的財務負擔，其最初的目標非常簡單：降低整合成本，包括在機架上安置硬件、服務器布線和網絡連接上花費的時間，以及包扎線纜以利于氣流通過的時間。通過與其他領先的技術企業協作，Molex致力于開發出的解決方案可以消除掉這些高昂的整合成本：外部線纜化背板，能夠向每個服務器塊或者一個半寬的1U高度機架單元服務器提供高達100Gbps的以太網連接。

　　線纜化的背板解決方案基于背板連接器中所含的相同技術，這類連接器通常部署在內部盲插應用中。這一核心的背板技術經過增強后可以滿足新的Open19標準要求，意味著用戶可以不再使用高接觸的QSFP、QSFP至SFP分支DAC線纜，以及通常用于以太網的5類以太網電纜。成纜的背板改善了氣流效果，通過減少安裝錯誤而簡化了安裝過程，并且為高速以太網提高了信號的完整性。成纜背板安裝在殼體內部，可以為十二個服務器塊建立起脊狀的主干。

　　1 作為容器的服務器塊

　　運輸行業使用的都是一致的貨運集裝箱來運送貨物。在軟件世界里，也有容器來以一致的方式來輸送軟件。然而，在服務器領域，則尚未有統一的慣例。最接近的方法是一種統一的平臺，其單元的定義為寬19英寸、垂直高度1.75英寸。Open19致力于為此實現標準化，將Open19生態系統中最小的構建塊、也就是服務器塊，定義為一個機架單元的半寬服務器，可以支持速度高達100Gbps的連接以及400W的功率。

　　由于Open19是一種可擴展的架構，可以聚合起各服務器塊來擴展功率，并且支持高達100Gbps的以太網絡，服務器塊的尺寸可以達到標準的1U服務器的大小，而功率和實現的網絡速度則可達到標準服務器的兩倍，或者，在采用2U服務器的尺寸時，可用功率則可達到2U服務器的四倍(以及高達400Gbps的以太網絡連接能力)。背板連接器組專為這一架構開發而成，也將擴展到56GbpsPAM-4——而當今的25/50/500Gbps以太網使用的則是當前的25GbpsNRZ信號系統。隨著以太網硅技術的不斷演進，每個端口都具有使可用帶寬翻倍的潛力。

　　此外，服務器塊是完全自持式的獨立設備，含有安全與合規所需的全部相關認證。服務器塊可以放入到鈑金機殼中，這種機殼提供盲插供電以及成纜干線功能。機殼提供8U和12U的產品變型，分別可容納16和24個服務器塊。通常1U的電源框和1U的以太網交換機即可為這些服務器塊提供支持性的基礎設施。

　　2 統一的力量

　　一致而又統一的設計易于排除大規模操作過程中存在的困難。耗費時間在服務器后部操作的任何人員都懂得，操作以太網連接所需的各種RJ-45端口、SFP端口以及QSFP端口會產生無窮無盡的組合，更不用說還要花很多時間來與身處其他地方、收費高昂的技術人員進行交流，這對于技術人員以及負責解決問題的員工來說都會產生巨大的壓力。在開發自身的邊緣計算平臺的過程中，一家邊緣計算和裸金屬云計算領域領先的提供商認識到了這一問題。團隊立即就認識到了Open19的優勢：可以簡單而又統一地來部署服務器塊。每個服務器塊都只能在一個方向上插入并配對。沒有外部的以太網電纜會插入到錯誤的端口中。對于任何可用的插槽，只要尺寸足夠容納服務器塊，就可以進行填充。操作的復雜性降低到了接近零的程度。

　　3 功率的代價

　　功率、配電與冷卻在大規模數據中心內占到了總運營成本的31%。電源使用效率(PUE)是相對于為基礎設施提供支持而消耗的功率或者轉換損耗而對IT(信息技術)負載使用的電源效率的測量結果，這種損耗在電源將交流電轉換為直流電時發生。在接近額定功率下工作時，電源會以峰值效率運行。例如，與1500W電源上的400W負載相比，500W電源上的400W的負載受到的轉換損耗會低一些。通過動態的啟用和禁用電源框上每個獨立的電源，從而對負載需求作出響應，電源框可以降低此類的轉換損耗。數百個到數千個機架上的損耗累積起來，可以產生數以百萬美元計的運營成本。

　　Open19設計中的電源框可以為服務器塊提供12V的直流電源以及Open19網絡交換機。共享的電源框還采用了電纜配電系統，與其他系統中使用的外部直流母線有所不同。電源框還具有100V到277V交流的“通用”輸入電壓。這種通用的設計允許實施特定于部署地區的電源線，從而排除了部署的后勤方面一個令人頭疼的重大問題。

　　4 打破常規

　　在機架式的架構中，存在著打破常規的可能性，以全局的方式來解決問題。統一構建塊的應用可以使系統的設計人員在計算塊的內部創造價值。這類計算塊能夠部署在機殼的內部，使機殼以均勻一致的方式來供電并提供網絡基礎設施。從大規模上來看，Open19可以節省可觀的總購置成本。邊緣解決方案的提供商已經認識到了統一的設計以及架構的一致性所帶來的強大力量。

　　大規模上的運營可以說是孤注一擲的。Open19開發并部署了尺寸一致的硬件容器與硬件塊，為商業組織提供了創新性的機架式設計。通過使用成纜背板，在部署了硬件塊后可以滿足多種應用對于功率和網絡的要求，同時還可以解決成規模的運營問題。

　　在為數據中心的部署評估新的架構時，一個主要的考慮事項就是打破常規，將統一的設計與成纜背板整合起來。這種修改后的架構可使您在專注于自身業務的同時，簡化大規模部署中的許多運營問題。

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2019年第1期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處