Dátové centrum

Dátové centrum je budova alebo skupina budov, slúžiaca na uloženie počítačových systémov a ich komponentov na telekomunikačné účely alebo ako úložné systémy. Keďže IT operácie sú dôležité pre podnikanie a mnoho ďalších odvetví, zahŕňajú redundantné alebo záložné komponenty a infraštruktúru pre napájanie, komunikačné pripojenia a rôzne ďalšie zariadenia. 
História.
História dátových centier sa začala písať v obrovských počítačových miestnostiach v 40. rokoch 20. storočia. Ako vzor môžeme použiť ENIAC - príklad prvého dátového centra. Prvé počítačové systémy boli zložité na prevádzku a údržbu, vyžadovali si špeciálne prostredie a pod. Na pripojenie všetkých komponentov bolo potrebných veľa káblov. Aby v tom bol poriadok, boli navrhnuté metódy na správne umiestnenie a usporiadanie káblov, ako napríklad stojany na montáž, vyvýšené podlahy a káblové žľaby. Sálový počítač vyžadoval veľa energie a musel byť neustále chladený, aby nedošlo k prehriatiu. Bezpečnosť sa vtedy stala dôležitou vlastnosťou – počítače boli drahé a často sa používali na vojenské účely. Preto boli navrhnuté základné pokyny na kontrolu prístupu do počítačovej miestnosti.
Počas rozmachu mikropočítačového priemyslu, najmä počas 80. rokov, sa počítače začali používať všade. V mnohých prípadoch ich používali s minimálnym alebo žiadnym ohľadom na ich prevádzkové požiadavky. Keď však začali byť IT operácie zložitejšie, organizácie si začali uvedomovať potrebu kontrolovania informačných technológií. Dostupnosť lacného sieťového vybavenia a nových štandardov pre sieťovú štruktúru im umožnila používať hierarchický dizajn. Vďaka nemu sa mohli servery umiestniť do špecifickej miestnosti v rámci spoločnosti. Používanie termínu „dátové centrum“ si v tomto období začalo získavať svoju popularitu.
Najväčší rozmach dátových centier nastal počas "dot-com" bubliny v rokoch 1997–2000. Spoločnosti potrebovali rýchle internetové pripojenie a nepretržitú prevádzku svojich systémov. Inštalácia takéhoto vybavenia nebola pre mnohé menšie spoločnosti výhodná. Mnoho spoločností začalo stavať veľmi veľké zariadenia, nazývané internetové dátové centrá (IDC), ktoré začali poskytovať aj rozšírené možnosti využitia, ako je crossover zálohovanie: „Ak sa preruší linka Bell Atlantic, môžeme ju preniesť do..., aby sme minimalizovali čas výpadku.“
Začal sa používať termín "cloudové dátové centrá" (CDC). Budovanie a údržba dátových centier je finančne náročná. Čím ďalej, tým viac sa vytráca rozdelenie týchto pojmov a spája sa do jedného pojmu: „dátové centrum“.
Požiadavky moderného dátového centra.
Modernizácia a transformácia dátových centier zvyšuje ich výkon a energetickú efektívnosť. Problémom je čím ďalej, tým viac informačná bezpečnosť, a preto sa musí dátové centrum nachádzať v bezpečnom prostredí, kde je minimálne riziko narušenia bezpečnosti. Dátové centrum aj preto musí dodržiavať vysoké štandardy zabezpečenia integrity a funkčnosti svojho počítačového prostredia.
International Data Corporation (IDC) odhaduje priemerný vek dátového centra na deväť rokov. Ďalšia výskumná spoločnosť Gartner tvrdí, že dátové centrá staršie ako sedem rokov sú už zastarané. Nárast veľkosti dát (odhaduje sa na 163 zettabajtov do roku 2025) je jedným z faktorov, ktoré vyvolávajú potrebu modernizácie dátových centier.
Zameranie sa na modernizáciu nie je nič nové: obavy zo zastaraného vybavenia boli kritizované už v roku 2007. V roku 2011 mal inštitút Uptime obavy z veku vybavenia dátových centier. Do roku 2018 sa obavy presunuli na vek zamestnancov: „Personál dátového centra starne rýchlejšie ako vybavenie."
Transformácia dátového centra.
Transformácia prebieha krok za krokom prostredníctvom integrovaných projektov realizovaných v priebehu funkčného času. To sa líši od tradičnej metódy vylepšovania dátových centier, ktorá využíva sériový a tichý prístup. Typické projekty v rámci iniciatívy transformácie dátového centra zahŕňajú štandardizáciu, virtualizáciu, automatizáciu a bezpečnosť.
Vyvýšená podlaha.
V dnešnej dobe sa preferuje v datacentrách chladenie vedúce popod podlahu. Štandardy pre vyýšenú podlahu - GR-2930 - vyvinula spoločnosť Telcordia Technologies, dcérska spoločnosť Ericsson. Hoci prvú počítačovú miestnosť s vyvýšenou podlahou vyrobila spoločnosť IBM v roku 1956 a „existuje už od 60. rokov“, práve v 70. rokoch minulého storočia bolo pre dátové centrá bežnejšie, aby umožnili prúdenie chladného vzduchu cirkulovať efektívnejšie. Prvým účelom vyvýšenej podlahy bolo umožniť prístup k rozvodom.
"Lights out".
Známe aj ako tmavé dátové centrum, je dátové centrum, ktoré úplne eliminuje potrebu priameho prístupu personálu, s výnimkou mimoriadnych okolností. Vzhľadom na to, že do dátového centra nie je potrebný vstup personálu, môže byť prevádzkované bez osvetlenia. Všetky zariadenia sú prístupné a spravované vzdialenými systémami s automatizačnými programami. Okrem úspory energie, zníženia nákladov na zamestnancov a možnosti umiestniť lokalitu ďalej od populačných centier, vytvorenie "Lights out" dátového centra znižuje hrozbu škodlivých útokov z vonku.
Dizajn dátových centier.
Oblasť dizajnu dátových centier rastie už desaťročia rôznymi smermi, vrátane novej výstavby veľkých a malých budov, spolu s kreatívnym opätovným využitím existujúcich zariadení, ako sú opustené obchodné priestory, staré soľné bane a bunkre z vojnového obdobia. Miestne stavebné predpisy môžu upravovať minimálne výšky stropov a ďalšie parametre dátových centier. Niektoré parametre pri navrhovaní dátových centier sú:
Kritéria dizajnu a kompromisy dizajnu.
Ďalšie úvahy by mali zahŕňať letové trasy, susedné energetické kanály, geologické riziká a podnebie (spojené s nákladmi na chladenie). Často je najťažšie zmeniť dostupnosť energie.
Vysoká dostupnosť.
Existujú rôzne metriky na meranie dostupnosti údajov, ktorá je výsledkom dostupnosti dátového centra nad 95% doby prevádzkyschopnosti, pričom horná časť škály počíta, koľko „deviatok“ možno umiestniť za „99%“.
Modularita a flexibilita.
Modularita a flexibilita sú kľúčovými prvkami, ktoré umožňujú, aby sa dátové centrum časom rozrastalo a menilo. Moduly dátových centier sú vopred pripravené, štandardizované stavebné bloky, ktoré možno ľahko konfigurovať a presúvať podľa potreby. Modulárne dátové centrum môže pozostávať zo zariadenia dátového centra umiestneného v prepravných kontajneroch alebo podobných prenosných kontajneroch. Komponenty dátového centra môžu byť prefabrikované a štandardizované, čo uľahčuje ich presun v prípade potreby.
Prostredie.
Teplota a vlhkosť sa ovládajú pomocou:
Je dôležité, aby sa počítače nenavlhčili ani neprehrievali, pretože vysoká vlhkosť môže viesť k zaneseniu ventilátorov prachom, čo vedie k prehriatiu, alebo môže spôsobiť poruchu komponentov, zničiť dosku a spôsobiť požiar. Prehriatie môže spôsobiť roztavenie komponentov, zvyčajne kremíka alebo medi vodičov alebo obvodov, čo spôsobí uvoľnenie spojov a riziko požiaru.
Elektrická energia.
"Batériová banka" sa skladá z jedného alebo viacerých zdrojov, ktoré sa používajú na napájanie, kým sa nespustia dieselové generátory. Aby sa predišlo jednotlivým bodom zlyhania, všetky prvky elektrických systémov, vrátane záložných systémov, dostávajú zvyčajne redundantné kópie a kritické servery sú pripojené k napájacím zdrojom „na strane A“ aj „na strane B“. Toto usporiadanie sa často robí na dosiahnutie systémovej redundancie N+1. Statické prepínače sa niekedy používajú na zabezpečenie okamžitého prepnutia z jedného zdroja na druhý v prípade výpadku napájania.
Nízkonapäťové káble.
Zahŕňajú:
Prúdenie vzduchu.
Riadenie prúdenia vzduchu rieši potrebu zlepšiť efektivitu chladenia datacentra tým, že zabraňuje recirkulácii horúceho vzduchu odsávaného z IT zariadení a znižuje obtokové prúdenie vzduchu.
Existuje niekoľko metód oddeľovania prúdov horúceho a studeného vzduchu, ako napríklad uzavretie horúcej/studenej uličky a radové chladiace jednotky.
Obmedzenia uličky.
Obmedzenie studenej uličky sa vykonáva odkrytím zadnej časti stojanov na vybavenie, zatiaľ čo predné strany serverov sú uzavreté dverami a krytmi. Je to podobné, ako veľké potravinárske spoločnosti chladia a skladujú svoje produkty. Počítačové skrine sú často organizované na uzavretie horúcich/studených uličiek. Správne umiestnenie vzduchového potrubia zabraňuje miešaniu studeného a horúceho vzduchu. Rad rackov je spárovaný tak, aby smeroval k sebe, aby prívody a výfuky studeného a horúceho vzduchu nemiešali vzduch, čo by výrazne znížilo účinnosť chladenia. Alternatívne môže rad podlahových panelov vytvoriť efektívne cesty studeného vzduchu smerujúce k vetracím dlaždiciam na zvýšenej podlahe. Ďalšou možnosťou je osadenie skríň s vertikálnymi výfukovými kanálmi - "komínom". Horúce výfukové potrubia/prieduchy môžu smerovať vzduch do priestoru nad zníženým stropom a späť do chladiacich jednotiek alebo do vonkajších prieduchov. Pri tejto konfigurácii nie je potrebná tradičná konfigurácia teplej/studenej uličky.
Ochrana pred požiarmi.
Dátové centrá sú vybavené pasívnymi a aktívnymi prvkami protipožiarnej ochrany, ako aj implementovaným programom požiarnej prevencie. Dymové hlásiče sa zvyčajne inštalujú na včasné varovanie pred požiarom v jeho počiatočnom štádiu. Hoci hlavná miestnosť zvyčajne nedovoľuje systémy na báze mokrého potrubia kvôli krehkej povahe dosiek plošných spojov, stále existujú systémy, ktoré možno použiť vo zvyšku zariadenia alebo v systémoch cirkulácie vzduchu v studenej/horúcej uličke, ktoré sú uzavretými systémami. 
Používajú sa napríklad:
Existujú však aj iné prostriedky na hasenie požiarov, najmä v citlivých oblastiach, zvyčajne pomocou plynového hasenia požiaru, z ktorých bol najpopulárnejší halónový plyn, kým sa nezistili jeho negatívne účinky.
Bezpečnosť.
Fyzický prístup do datacentra je obmedzený. Vrstvená bezpečnosť často začína oplotením, pätníkmi a pascami. Ak je dátové centrum veľké alebo obsahuje citlivé informácie, je takmer vždy prítomný kamerový systém a stála bezpečnostná stráž. Zariadenia na rozpoznávanie odtlačkov prstov začínajú byť samozrejmosťou. Prístup k protokolovaniu vyžadujú niektoré nariadenia o ochrane údajov; niektoré organizácie to úzko spájajú so systémami kontroly prístupu. Pri hlavnom vchode, vchodoch do vnútorných miestností a pri skriniach vybavenia sa môžu vyskytnúť viaceré záznamy. Riadenie prístupu do skríň môže byť integrované s inteligentnými jednotkami na rozvod energie, takže zámky sú prepojené cez to isté zariadenie.
Spotreba elektrickej energie.
Spotreba energie je jedným z hlavných problémov dátových centier. Príkon sa pohybuje od niekoľkých kW až po niekoľko desiatok MW. Niektoré zariadenia potrebujú viac energie ako 100-krát vyššia typická kancelárska budova. V prípade zariadení s vyššou hustotou výkonu sú náklady na elektrinu dominantným prevádzkovým nákladom a predstavujú viac ako 10% celkových nákladov na vlastníctvo (TCO) dátového centra.
Emisie skleníkových plynov.
V roku 2020 dátové centrá (okrem ťažby kryptomien) a prenos dát spotrebovali približne 1% svetovej elektriny. Hoci časť tejto elektriny bola nízkouhlíková, IEA vyzvala na väčšie „úsilie vlád a priemyslov v oblasti energetickej účinnosti a obstarávania obnoviteľných zdrojov energie, keďže niektoré dátové centrá stále využívajú elektrinu vyrobenú z fosílnych palív. Uviedli tiež, že by sa mali brať do úvahy emisie počas životného cyklu, to znamená vrátane „stelesnených“ emisií, ako napríklad v budovách. Odhaduje sa, že dátové centrá boli zodpovedné za 0,5% emisií skleníkových plynov v USA v roku 2018. Niektoré čínske spoločnosti, ako napríklad Tencent, sa zaviazali, že budú do roku 2030 uhlíkovo neutrálne, zatiaľ čo iné ako Alibaba kritizovali Greenpeace za to, že sa nezaviazali stať uhlíkovo neutrálnymi. 
Energetická účinnosť a réžia.
Najbežnejšie používanou metrikou energetickej účinnosti dátového centra je účinnosť využitia energie, vypočítaná ako pomer celkového výkonu vstupujúceho do dátového centra vydelený spotrebou energie IT zariadením. Priemerné dátové centrum v USA má PUE 2,0, čo znamená dva watty celkového výkonu na každý watt dodaný do IT zariadenia. Stav techniky sa odhaduje na približne 1,2. Google zverejňuje štvrťročnú efektivitu zprevádzkovaných dátových centier. Americká agentúra na ochranu životného prostredia má hodnotenie Energy Star pre samostatné alebo veľké dátové centrá. Na to, aby sa dátové centrum kvalifikovalo na udelenie environmentálnej značky, musí byť v hornom kvartile energetickej účinnosti všetkých ohlásených zariadení. Európska únia má iniciatívu: Kódex správania EÚ pre dátové centrá - má zabezpečiť to, aby boli dátové centrá efektívnejšie a viac "eko".
Analýza a projekty spotreby energie.
Merania a analýzy spotreby energie presahujú rámec toho, čo využívajú IT zariadenia. Energiu spotrebúva aj hardvér na podporu zariadení, ako sú chladiče a ventilátory. V roku 2011 boli serverové stojany v dátových centrách navrhnuté na viac ako 25 kW a odhadovalo sa, že typický server premrhá asi 30% elektriny, ktorú spotreboval. Rastie aj energetická náročnosť systémov na ukladanie informácií. Odhaduje sa, že dátové centrum s vysokou dostupnosťou majú spotrebu aj 1 megawatt (MW) a spotrebujú počas svojej životnosti elektrinu v hodnote 20 000 000 USD, pričom chladenie predstavuje 35% až 45% celkových nákladov na vlastníctvo dátového centra. Výpočty ukázali, že za dva roky by sa náklady na napájanie a chladenie servera mohli rovnať nákladom na nákup hardvéru servera. Výskum z roku 2018 ukázal, že značné množstvo energie by sa ešte dalo ušetriť optimalizáciou obnovovacích frekvencií IT a zvýšením využitia serverov. V roku 2011 Facebook, Rackspace a iní, založili Open Compute Project (OCP) s cieľom vyvinúť a zverejniť otvorené štandardy pre ekologickejšie výpočtové technológie dátových centier. V rámci projektu, Facebook zverejnil návrhy svojho servera, ktorý postavil pre svoje prvé vyhradené dátové centrum v Prineville. Vyššie servery ponechali priestor pre efektívnejšie chladiče a umožnili použitie ventilátorov, ktoré pohybovali viac vzduchu s menšou energiou. Nekupovaním komerčných serverov sa ušetrila aj spotreba energie v dôsledku zbytočných rozširujúcich slotov na základnej doske a nepotrebných komponentov, ako je grafická karta. V roku 2016 sa k projektu pripojila spoločnosť Google a zverejnila návrhy svojho 48V DC plytkého dátového centra. Tento dizajn bol už dlho súčasťou dátových centier Google. Odstránením viacerých transformátorov, ktoré sa zvyčajne nasadzujú v dátových centrách, spoločnosť Google dosiahla 30% zvýšenie energetickej účinnosti. V roku 2017 tržby za hardvér dátových centier postavených podľa návrhov OCP presiahli 1,2 miliardy USD a očakávalo sa, že do roku 2021 by dosiahli 6 miliárd USD.
Analýza napájania a chladenia.
Napájanie predstavuje najväčšie náklady pre používateľa dátového centra. Ochladzovaním nad 21 °C sa plytvá peniazmi a energiou. Okrem toho, prechladzovanie zariadení v prostrediach s vysokou relatívnou vlhkosťou môže vystaviť zariadenie veľkému množstvu vlhkosti, čo uľahčuje rast usadenín soli na vodivých vláknach v obvodoch. Analýza napájania a chladenia, tiež označovaná ako tepelné hodnotenie, meria relatívne teploty v špecifických oblastiach, ako aj kapacitu chladiacich systémov zvládnuť špecifické teploty okolia. Analýza napájania a chladenia môže pomôcť identifikovať horúce miesta, prechladené oblasti, ktoré dokážu zvládnuť väčšiu hustotu spotreby energie, bod prerušenia zaťaženia zariadenia, účinnosť stratégie zvýšenej podlahy a optimálne umiestnenie zariadenia (ako sú napríklad jednotky AC). Hustota chladenia výkonu je mierou toho, koľko štvorcových plôch dokáže centrum ochladiť pri maximálnej kapacite. Chladenie dátových centier je po serveroch druhým najväčším spotrebiteľom energie. Energia chladenia sa pohybuje od 10% celkovej spotreby energie v najefektívnejších dátových centrách a dosahuje až 45% v štandardných dátových centrách chladených vzduchom.
Analýza energetickej účinnosti.
Analýza energetickej účinnosti meria spotrebu energie IT a zariadení dátových centier. Typická analýza energetickej účinnosti meria faktory, ako je účinnosť využitia energie dátového centra (PUE) v porovnaní s priemyselnými štandardmi, identifikuje mechanické a elektrické zdroje neefektívnosti a identifikuje metriky riadenia vzduchu. Obmedzením väčšiny súčasných metrík a prístupov je však to, že do analýzy nezahŕňajú IT. Prípadové štúdie ukázali, že holistickým riešením energetickej účinnosti v dátovom centre je možné dosiahnuť veľkú efektivitu, ktorá by inak nebola možná.
Výpočtová analýza dynamiky kvapalín (CFD).
Tento typ analýzy využíva sofistikované nástroje a techniky na objasnenie jedinečných tepelných podmienok prítomných v každom dátovom centre – predpovedanie teploty, prúdenia vzduchu a tlaku v dátovom centre na posúdenie výkonu a spotreby energie pomocou numerického modelovania. Predpovedaním účinkov týchto podmienok prostredia možno analýzu CFD v dátovom centre použiť na predpovedanie vplyvu rackov vysokou hustotou zmiešaných s rackmi s nízkou hustotou a následného vplyvu na chladiace zdroje, zlé postupy správy infraštruktúry a ďalšie.
Mapovanie tepelných zón.
Mapovanie tepelných zón využíva senzory a počítačové modelovanie na vytvorenie trojrozmerného obrazu horúcich a studených zón v dátovom centre. Tieto informácie môžu pomôcť identifikovať optimálne umiestnenie zariadení dátového centra. Napríklad kritické servery môžu byť umiestnené v chladnej zóne, ktorá je obsluhovaná redundantnými AC jednotkami.
Zelené dátové centrá.
Dátové centrá spotrebujú veľa energie, ktorá sa spotrebuje na dva hlavné spôsoby použitia: výkon potrebný na prevádzku skutočného zariadenia a potom výkon potrebný na chladenie zariadenia. Znižovanie nákladov na chladenie prirodzenými spôsobmi zahŕňa rozhodnutia o umiestnení: Ak nie je zameranie v blízkosti dobrej optickej konektivity, pripojenia k elektrickej sieti a koncentrácie ľudí na správu zariadení, dátové centrum môže byť na míle vzdialené od používateľov. „Masové“ dátové centrá ako Google alebo Facebook nemusia byť v blízkosti populačných centier. Arktické oblasti môžu využívať vonkajší vzduch ako chladenie. Tieto datacentrá sú čoraz populárnejšie. Ďalším plusom sú obnoviteľné zdroje elektriny. Krajiny s priaznivými podmienkami, ako sú: Kanada, Fínsko, Švédsko, Nórsko, a Švajčiarsko sa snažia prilákať dátové centrá cloud computingu. Ťažba bitcoinov je čoraz viac vnímaná ako potenciálny spôsob budovania dátových centier na mieste výroby obnoviteľnej energie. Obmedzená a odrezaná energia môže byť použitá na zabezpečenie transakcií na bitcoinovom blockchaine poskytujúcom ďalší tok príjmov pre výrobcov obnoviteľnej energie.
Opätovné využitie energie.
Je veľmi ťažké opätovne využiť teplo, ktoré pochádza zo vzduchom chladených dátových centier. Z tohto dôvodu sú infraštruktúry dátových centier často vybavené tepelnými čerpadlami. Alternatívou k tepelným čerpadlám je použitie kvapalinového chladenia v celom dátovom centre. Rôzne techniky chladenia kvapalinou sú zmiešané a prispôsobené tak, aby umožnili úplne kvapalinou chladenú infraštruktúru, ktorá zachytáva všetko teplo vo vode. Rôzne kvapalné technológie sú kategorizované do 3 hlavných skupín, nepriame kvapalinové chladenie (vodou chladené stojany), priame kvapalinové chladenie (chladenie priamo na čip) a celkové kvapalinové chladenie (úplné ponorenie do kvapaliny). Táto kombinácia technológií umožňuje vytvorenie tepelnej kaskády ako súčasť scenárov teplotného reťazenia na vytvorenie vysokoteplotných výstupov vody z dátového centra.
Dynamická infraštruktúra.
Dynamická infraštruktúra poskytuje možnosť inteligentne, automaticky a bezpečne presúvať zaťaženie v rámci dátového centra kedykoľvek a kdekoľvek na účely migrácie, na zvýšenie výkonu alebo budovanie zariadení spoločného umiestnenia. Uľahčuje aj vykonávanie bežnej údržby na fyzických alebo virtuálnych systémoch a zároveň minimalizuje prerušenia. Súvisí s ňou modulárna infraštruktúra, ktorá umožňuje dynamickú rekonfiguráciu dostupných zdrojov tak, aby vyhovovali potrebám, len v prípade potreby. Medzi vedľajšie výhody patrí:
Sieťová infraštruktúra.
Komunikácia v dátových centrách je najčastejšie založená na sieťach so súpravou IP protokolov. Dátové centrá obsahujú súbor smerovačov a prepínačov, ktoré prenášajú prevádzku medzi servermi a do vonkajšieho sveta, ktoré sú prepojené podľa sieťovej architektúry dátového centra. Redundancia internetového pripojenia je často zabezpečená použitím dvoch alebo viacerých poskytovateľov upstream služieb. Niektoré zo serverov v dátovom centre sa používajú na spustenie základných internetových a intranetových služieb, ktoré potrebujú interní používatelia v organizácii, napríklad e-mailové servery, proxy servery a servery DNS. Zvyčajne sa nasadzujú aj prvky zabezpečenia siete: firewally, brány VPN, systémy detekcie narušenia atď. Bežné sú aj monitorovacie systémy pre sieť a niektoré aplikácie. Typické sú aj doplnkové off-site monitorovacie systémy v prípade výpadku komunikácie vo vnútri dátového centra.
Zálohovanie softvéru a dát.
Možnosti zálohovania sú:
Onsite je tradičné zálohovanie a jednou z hlavných výhod je okamžitá dostupnosť.
Záložné úložisko mimo lokality.
Techniky zálohovania údajov zahŕňajú šifrovanú kópiu údajov mimo lokality zálohy. Na prenos údajov sa používajú metódy:
Modulárne dátové centrá.
Pre rýchle nasadenie alebo obnovu po havárii niekoľko veľkých predajcov hardvéru vyvinulo mobilné/modulárne riešenia, ktoré je možné nainštalovať a uviesť do prevádzky vo veľmi krátkom čase.