Cómo diseñar y construir un centro de datos

Un centro de datos es el centro tecnológico de las operaciones empresariales modernas. El centro de datos proporciona la infraestructura de TI crítica necesaria para brindar recursos y servicios a empleados, socios y clientes comerciales de todo el mundo.

Una pequeña o mediana empresa a menudo puede implementar un "centro de datos" útil dentro de los límites de un armario u otra habitación conveniente con pocas modificaciones, si es que hay alguna. Sin embargo, la enorme escala involucrada en la informática empresarial exige un gran espacio dedicado que esté cuidadosamente diseñado para soportar las necesidades de espacio, energía, refrigeración, administración, confiabilidad y seguridad de la infraestructura de TI.

Como resultado, una instalación de centro de datos representa el activo más grande y más caro que poseerá la empresa, tanto en términos de inversión de capital como de gastos operativos recurrentes. Los líderes empresariales y de TI deben prestar mucha atención a los problemas involucrados en el diseño y la construcción del centro de datos para garantizar que la instalación resultante satisfaga las necesidades comerciales durante todo el ciclo de vida de la instalación y las circunstancias comerciales cambiantes.

Hay dos aspectos principales de cualquier centro de datos: las instalaciones y la infraestructura de TI que reside dentro de las instalaciones. Estos aspectos coexisten y funcionan juntos, pero pueden discutirse por separado.

Instalación. La instalación es el edificio físico utilizado para el centro de datos. En términos más simples, un centro de datos es simplemente un gran espacio abierto donde se implementará la infraestructura. Aunque casi cualquier espacio tiene el potencial para operar cierta cantidad de infraestructura de TI, una instalación diseñada adecuadamente considera la siguiente serie de factores:

Infraestructura. Una infraestructura representa la amplia gama de equipos de TI desplegados dentro de la instalación. Este es el equipo que ejecuta aplicaciones y brinda servicios a la empresa y sus usuarios. Una infraestructura de TI típica incluye los siguientes componentes:

Cuando una empresa decide diseñar y construir un centro de datos, la atención natural se centra en el diseño y la construcción de la instalación. Pero los líderes de TI también deben considerar la infraestructura que se utilizará en las instalaciones para validar el proyecto.

No existen estándares requeridos u obligados para el diseño o construcción de centros de datos; un centro de datos está destinado a satisfacer las necesidades únicas del negocio en general, y no al revés. Sin embargo, el objetivo principal de cualquier estándar es establecer una plataforma común de mejores prácticas. Existe una variedad de estándares actuales para centros de datos y una empresa puede incorporar uno o más estándares (o partes de estándares) en un proyecto de centro de datos. Las normas ayudan a garantizar que se preste la atención adecuada a estos factores, entre otros:

A continuación se detallan algunos de los principales estándares de infraestructura y diseño de centros de datos:

Además, existen muchos estándares regulatorios y operativos variados que se pueden aplicar a los centros de datos. Los estándares regulatorios incluyen HIPAA, Ley Sarbanes-Oxley, SAS 70 Tipo I o II y Ley Gramm-Leach-Bliley. Los estándares operativos pueden incluir ISO 9000 para calidad, ISO 14000 para gestión ambiental, ISO 27001 para seguridad de la información, Estándar de seguridad de datos de la industria de tarjetas de pago para seguridad de tarjetas de pago y EN 50600-2-6 con respecto a información operativa y de gestión.

Los estándares ayudan a garantizar el diseño, la construcción y la operación adecuados del centro de datos. Además, la adopción y la documentación cuidadosa del uso de estándares relevantes pueden ayudar a una empresa a garantizar el cumplimiento adecuado mediante la resiliencia adecuada de las instalaciones, la gestión y los preparativos de continuidad del negocio.

En esencia, una instalación de centro de datos es poco más que un gran espacio abierto: un almacén cuidadosamente preparado destinado a albergar y operar una infraestructura de TI exigente. Aunque un centro de datos de clase empresarial puede ser una tarea grande y compleja, el problema más importante es una simple cuestión de espacio expresado en pies o metros cuadrados.

Quizás el problema de espacio más importante y desconcertante sea el tamaño adecuado del centro de datos para la empresa. Los centros de datos son increíblemente caros: si son demasiado pequeños, es posible que el centro de datos no satisfaga las necesidades empresariales actuales o futuras; demasiado grande y se puede desperdiciar un enorme capital en proporcionar espacio no utilizado. Es fundamental establecer una instalación que ofrezca capacidad de crecimiento y al mismo tiempo optimice la utilización. El dimensionamiento del centro de datos a veces se considera un arte en sí mismo. Muchos otros factores a considerar dentro del espacio de un centro de datos incluyen los siguientes:

Más allá del espacio físico, los diseños de los centros de datos deben incluir una consideración cuidadosa de las ubicaciones y diseños de los equipos, es decir, dónde se ubica la infraestructura de TI dentro de las instalaciones. La característica más común de cualquier diseño de centro de datos es el bastidor del servidor o, simplemente, bastidor. Un bastidor es una estructura metálica vacía con espacio estándar y opciones de montaje destinadas a albergar equipos de TI estandarizados montados en bastidor, como servidores, subsistemas de almacenamiento, equipos de red, cableado, sistemas de energía auxiliar como dispositivos UPS y opciones de E/S como teclados y monitores para acceso administrativo.

Los racks también desempeñan un papel vital en los esquemas de refrigeración de los centros de datos. Los bastidores de equipos comúnmente se organizan para crear pasillos fríos y calientes que pueden mejorar la eficiencia de enfriamiento al permitir la introducción de aire enfriado en un pasillo frío, que se calienta mediante equipos y se entrega a un pasillo caliente, donde el aire caliente se puede eliminar de manera efectiva. el cuarto. La organización de pasillos también puede ayudar a facilitar la introducción de puertas adicionales y medidas de seguridad en los extremos de cada pasillo para limitar el acceso humano.

La seguridad del centro de datos normalmente implica tres aspectos distintos: seguridad del acceso, seguridad de las instalaciones y ciberseguridad.

Seguridad de acceso. Cualquier discusión sobre las instalaciones del centro de datos debe implicar una consideración de seguridad física. La seguridad física es la gestión del personal humano y la protección de las instalaciones físicas, así como de su infraestructura informática. Cuando se implementa correctamente, la seguridad garantiza que solo el personal autorizado tenga acceso a las instalaciones y al equipo, y que todas las actividades humanas estén documentadas. La seguridad puede implicar el siguiente conjunto de medidas:

Seguridad de las instalaciones. La seguridad física también se extiende a la integridad del entorno del centro de datos, incluida la temperatura, la humedad y las condiciones de humo/incendio/inundación. Este aspecto de la protección del centro de datos suele ser manejado por un BMS que monitorea e informa las condiciones ambientales o de emergencia a los administradores del edificio.

La seguridad cibernética. La ciberseguridad se centra en controlar el acceso a los datos y aplicaciones empresariales alojados dentro de la infraestructura de TI del centro de datos. La ciberseguridad tiene como objetivo garantizar que solo los usuarios debidamente autenticados puedan acceder a los datos o utilizar aplicaciones, y que cualquier infracción se informe y se solucione de inmediato. Por ejemplo, la seguridad física impide que un humano toque un disco en el centro de datos, mientras que la ciberseguridad impide que ese mismo humano acceda a los datos del disco desde cientos de kilómetros de distancia a través de una red. La ciberseguridad utiliza una combinación de antimalware, gestión de configuración, detección/prevención de intrusiones, registro de actividad y otras herramientas para supervisar la actividad de la red e identificar amenazas potenciales.

La energía es un desafío perpetuo para cualquier centro de datos de clase empresarial. Una instalación grande puede consumir alrededor de 100 megavatios (suficiente para alimentar a unos 80.000 hogares) y la energía representa el mayor gasto operativo para un centro de datos de clase empresarial. Por lo tanto, los operadores de centros de datos imponen las siguientes demandas a la energía eléctrica:

Estos problemas se abordan cada vez más con opciones generadas localmente y cada vez más renovables, incluidas la generación eólica, solar y in situ.

Pero para que una empresa comprenda los problemas de energía de cualquier centro de datos, es importante que los diseñadores del centro de datos y los líderes de TI calculen las demandas de energía de la instalación y su infraestructura de TI. Es este punto de referencia el que permite a una empresa comprender los costos aproximados de energía y discutir la capacidad con las empresas de servicios públicos regionales.

No existe un método único para estimar los requisitos de energía. Para la instalación, la energía es una estimación sencilla de las demandas de iluminación y HVAC. Las demandas de energía de la infraestructura de TI pueden ser más complicadas porque los requisitos de energía del servidor fluctúan con la carga de trabajo (es decir, cuánto trabajo realizan las aplicaciones) y la configuración de cada servidor, incluida la selección de CPU, memoria instalada y otros dispositivos de expansión, como GPU.

Las estimaciones de energía tradicionales incluyen enfoques basados ​​en bastidores y en placas de identificación.

El enfoque basado en rack generalmente asigna una estimación estandarizada de potencia por rack. Por ejemplo, un líder de TI podría asignar una estimación de 7 kW a 10 kW por rack. Si el centro de datos planea implementar 50 racks, la estimación de energía es un múltiplo simple. Un enfoque similar es una estimación general del centro de datos en vatios por pie cuadrado (W/ft2). Sin embargo, dado que este enfoque presta poca atención al equipo instalado en cada bastidor, suele ser el medio más inexacto de estimación de potencia.

El enfoque basado en placas de identificación permite a los líderes de TI sumar los requisitos de energía que figuran en la placa de identificación de cada servidor u otro dispositivo de TI. Este es un enfoque más granular y normalmente puede generar mejores estimaciones. Aún así, la demanda de energía que figura en la placa de identificación de cada dispositivo puede ser notoriamente inexacta y no considera el trabajo real que realiza el dispositivo.

Un enfoque más reciente es utilizar mediciones de energía reales por servidor, tomadas con dispositivos de manejo de energía de TI, como unidades de distribución de energía (PDU) inteligentes, ubicadas dentro de cada rack. Las mediciones reales pueden producir estimaciones más precisas y brindar a los operadores de centros de datos una mejor idea de cómo las demandas y los costos de energía pueden fluctuar con las demandas de la carga de trabajo.

Finalmente, la energía eléctrica inevitablemente experimentará interrupciones ocasionales en la generación y distribución, por lo que los centros de datos deben incluir una o más opciones de energía redundante o de respaldo. Se pueden implementar varios niveles de poder secundario, dependiendo de los problemas contra los que la empresa pretenda protegerse.

A nivel de instalación, un centro de datos puede incorporar generadores de respaldo alimentados con diésel o gas natural capaces de hacer funcionar toda la instalación a largo plazo. La energía de respaldo puede complementarse con fuentes de energía renovables locales, como parques solares o eólicos. A nivel de infraestructura de TI, los racks pueden incorporar opciones de UPS, que proporcionan respaldos de batería a corto plazo para permitir un apagado ordenado del sistema cuando las interrupciones de energía se vuelven inevitables.

La energía entregada a un centro de datos se traduce en trabajo realizado por la infraestructura de TI, así como en un subproducto indeseable: el calor. Este calor debe eliminarse de los servidores y sistemas y luego expulsarse del centro de datos. En consecuencia, los sistemas de refrigeración son una preocupación fundamental para los diseñadores y operadores de centros de datos.

Hay dos problemas principales de enfriamiento. La primera cuestión es la cantidad de refrigeración necesaria, que en última instancia define el tamaño o la capacidad de los subsistemas HVAC del centro de datos. Sin embargo, los diseñadores deben traducir la demanda de energía del centro de datos en vatios (W) a la capacidad de enfriamiento medida en toneladas (t), es decir, la cantidad de energía térmica necesaria para derretir una tonelada de hielo a 32 grados Fahrenheit en una hora. . El cálculo típico requiere primero la conversión de vatios a unidades térmicas británicas (BTU) por hora, que luego se pueden convertir en toneladas:

Ancho x 3,41 = BTU/hora

BTU/hora / 12.000 = t

La clave es comprender las demandas de energía del centro de datos en vatios y la escalabilidad planificada, por lo que es importante dimensionar correctamente el subsistema de refrigeración del edificio. Si el sistema de refrigeración es demasiado pequeño, el centro de datos no puede contener ni escalar la cantidad esperada de infraestructura de TI. Si el sistema de refrigeración es demasiado grande, representa una utilidad costosa e ineficiente para la empresa.

El segundo problema de refrigeración para los centros de datos es el uso y manejo eficiente del aire enfriado y calentado. Para un espacio humano común, simplemente introducir aire enfriado desde un respiradero y luego expulsar aire caliente desde otro respiradero en otra parte de la habitación provoca una mezcla y un promedio de temperatura que produce un confort humano adecuado. Pero este enfoque común en el hogar y la oficina no funciona bien en los centros de datos, donde los bastidores de equipos generan un calor extremo en espacios concentrados. Los bastidores de equipos extremadamente calientes exigen la aplicación cuidadosa de aire enfriado y luego la contención y eliminación deliberada de los gases de escape calentados. Los diseñadores de centros de datos deben tener cuidado de evitar la mezcla de aire frío y caliente que mantiene tan cómodos los espacios humanos con aire acondicionado.

Los diseñadores abordan habitualmente el manejo del aire de la sala de servidores mediante el uso de esquemas de contención, como diseños de pasillo caliente/pasillo frío. Considere dos filas de bastidores para equipos, donde las partes traseras están enfrentadas (consulte el segundo diagrama a continuación). El aire frío del sistema HVAC se introduce en los pasillos frente a cada fila de bastidores, mientras que el aire caliente se recoge y se expulsa por el pasillo caliente común. Se agregan barreras físicas adicionales para evitar que el aire calentado se mezcle con el aire enfriado. Estos esquemas de contención ofrecen un uso muy eficiente de la capacidad HVAC.

Otros enfoques de enfriamiento incluyen sistemas de aire acondicionado al final de la fila y en la parte superior de los racks, que introducen aire enfriado en partes de una fila de racks y expulsan el aire caliente hacia los pasillos calientes.

Algunos centros de datos incluso adoptan tecnologías emergentes de refrigeración líquida que sumergen los equipos de TI en baños de líquidos fríos y eléctricamente neutros, como los aceites minerales. El enfriador de líquido es pequeño y de bajo consumo, y los líquidos pueden ofrecer una eficiencia de transferencia de calor muchas veces mayor que el enfriamiento por aire. Sin embargo, la refrigeración líquida enfrenta otros desafíos, incluidas fugas/inundaciones, corrosión de piezas o susceptibilidad a la intrusión de líquidos, filtrado y limpieza de líquidos y seguridad humana.

Las preocupaciones actuales sobre el impacto ambiental de las emisiones de CO2 provenientes de la generación de energía han llevado a muchas organizaciones a poner un nuevo énfasis en la eficiencia y sostenibilidad del centro de datos.

La eficiencia es fundamentalmente una medida del trabajo realizado versus la cantidad de energía utilizada para realizar ese trabajo. Si toda esa energía de entrada se convierte con éxito en trabajo útil, la eficiencia es del 100%. Si nada de esa energía aportada da como resultado un trabajo exitoso, la eficiencia es del 0%. Las empresas buscan mejorar la eficiencia hasta alcanzar el 100 % para que cada dólar gastado en energía impulse un trabajo útil en el centro de datos.

Se encuentran disponibles medidas como la efectividad del uso de energía (PUE) para ayudar a las organizaciones a medir la eficiencia. El PUE se calcula como la energía que ingresa al centro de datos dividida por la energía utilizada en la infraestructura de TI. Esto produce una relación simple que se acerca a 1,0 a medida que la eficiencia se acerca al 100%, y el porcentaje correspondiente se expresa como eficiencia de la infraestructura del centro de datos. Las empresas pueden mejorar el ratio PUE reduciendo la cantidad de energía en usos no TI, como reduciendo la iluminación y la refrigeración en espacios no TI e implementando otros diseños de edificios energéticamente eficientes.

La sostenibilidad es otra preocupación. La generación de energía genera contaminación que se cree que impulsa el cambio climático y reduce la salud del planeta. Crear un centro de datos sostenible o ecológico significa luchar por lograr cero emisiones netas de carbono para la energía que impulsa los centros de datos. Net zero significa que la energía se obtiene de fuentes renovables que no añaden CO2 a la atmósfera.

En algunos casos, la empresa puede optar por acercarse al cero neto utilizando energía de fuentes no contaminantes, como parques solares o eólicos. En otros casos, la energía se puede comprar a proveedores de energía capaces de capturar o recuperar una cantidad equivalente de CO2 emitido en la producción de energía, lo que genera cero emisiones netas. Para lograr cero emisiones netas, las empresas deben adoptar la conservación de energía, la eficiencia energética (como las iniciativas PUE) y fuentes de energía renovables y no contaminantes.

No existe una única forma de diseñar un centro de datos y existen innumerables diseños que satisfacen las necesidades únicas de cada negocio. Pero las siguientes estrategias pueden producir un diseño de centro de datos con eficiencia y sostenibilidad superiores:

Aunque no existe una fórmula única y uniforme para el diseño y la construcción de centros de datos, los diseñadores y operadores de centros de datos enfrentan numerosos desafíos perpetuos. A continuación se presentan varias consideraciones y desafíos generales:

Los centros de datos son organismos complejos que requieren monitoreo y gestión continuos tanto a nivel de las instalaciones como de la infraestructura de TI. Los operadores de centros de datos suelen emplear herramientas DCIM para proporcionar una perspectiva del funcionamiento tanto de las instalaciones como de la infraestructura. Una serie de tareas de gestión comunes necesarias para operar un centro de datos incluye lo siguiente:

La gestión es un elemento fundamental en la garantía de servicios empresariales y los acuerdos de nivel de servicio (SLA). Muchos centros de datos están sujetos a algún tipo de SLA, ya sea con departamentos o divisiones internos o con socios comerciales y clientes externos. El monitoreo y la gestión con DCIM y otras herramientas son esenciales para garantizar el cumplimiento de un SLA o identificar violaciones de SLA que puedan aislarse y remediarse rápidamente. Además, la supervisión y la gestión integrales ayudan a garantizar la continuidad del negocio y la recuperación ante desastres, lo que puede ser vital para las obligaciones de cumplimiento normativo actuales.