數據中心

資料中心（Data center），指用於安置電腦系統及相關部件的設施，例如電信和儲存系統。一般它包含冗餘和備用電源供應，冗餘數據通信連接，環境控制（例如空調、滅火器）和各種安全設備。大型數據中心消耗的電約與一個小城鎮工業業務規模一樣多。據估計，2022年全球數據中心的耗電量為 240-340 太瓦時（TWH），約占全球電力需求的 1-1.3%。這不包括加密貨幣挖礦所用的能源。

隨著人工智慧(AI)技術的爆炸性成長，資料中心的電力需求進一步激增。根據國際能源署(IEA)2024年的報告，全球資料中心預計到2026年將成長至650-1,50 太瓦時之間，約佔全球電力需求的1.5%至2%以上。在美國，203年資料中心用電量已佔全國用電量的4.4%，預計到2028年最高可能達到12%。

數據中心在規模、電力要求、冗餘度和整體結構方面差異很大。用於劃分數據中心類型的四個常見類別是現場數據中心（onsite data centers）、主機代管設施（colocation facilities）、超大規模數據中心（hyperscale data centers）、和邊緣數據中心（edge data centers）。

## 歷史

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數據中心起源於1940年代的大型計算機房，電子數值積分電腦 (ENIAC) 就是其中的典型代表，也是最早的數據中心之一。早期的電腦系統操作和維護複雜，需要一個特殊的運行環境。連接所有組件需要許多電纜，因此設計了各種方法來容納和組織這些電纜，如安裝設備的標準機架、高架地板和電纜托盤（安裝在高架地板的上方或下方）。單台大型計算機(mainframe)需要大量電力，而且必須冷卻以避免過熱。安全變得非常重要—電腦價格昂貴，而且經常用於軍事目的。因此，設計人員制定了控制進入電腦房的基本設計準則。

數據中心是全球協作的特定設備網路，用來在網路基礎設施上傳遞、加速、展示、計算、存儲數據資訊。

在繁榮的微型計算機行業，尤其是在1980年代，電腦開始四處發展，在很多案例中很少有或沒有操作需求。然而，隨著資訊技術（IT）的發展，操作開始變得複雜，公司漸漸地認識到需要控制IT資源。隨著客戶端－伺服器計算的出現，在1990年代，微型機（被稱為伺服器 servers）開始在舊電腦房間中尋找他們的位置。便宜網路設備的可用性，外加網路電纜的新標準，使得在公司內的一個房間中使用分層設計來放置伺服器的可能，在這個時刻被公認並不斷流行開來。

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1997年至2000年網際網路泡沫期間，數據中心迎來了繁榮。公司需要快速的網路連接，以及不斷的部署系統並出現在網路上。安裝這種設備對於許多小公司是不可行的。許多公司開始建設非常大的設施，稱為網際網路數據中心（IDC），其提供增強的功能，例如交叉備份：「如果貝爾大西洋公司的一條線路被切斷，我們可以將它們轉移到……以最大限度地減少停機時間。」

它提供了商業上的系統部署和操作的解決方案。新技術和實踐被設計用來處理測量和如此巨大測量操作的操作需求。

從2007年起，數據中心設計、構建和運作是一個眾所周知的學科。它的標準文檔來自於可信任的專家組，如電訊產業聯合會，詳細說明數據中心設計的需求。眾所周知數據中心可用性的操作韻律學能夠用來評估商業中斷的影響。有許多開發在操作實踐中被完成，並且設計了友好環境的數據中心。

雲數據中心 (cloud data centers, CDCs) 這一術語已被使用。數據中心的建設和維護通常成本很高。這些術語之間的區別越來越小，它們正被整合到數據中心這一術語中。

2010年代，全球數據中心市場穩步增長，後半段增長明顯加快。據高德納諮詢公司 (Gartner) 稱，儘管2019冠狀病毒病疫情帶來了經濟挑戰，但2021年全球數據中心基礎設施支出達到$2000億美元，比2020年增長了 6%。

2010年代後期和2020年代初，人工智慧和機器學習應用發生了重大轉變，推動了全球對更強大、更高效的數據中心基礎設施的需求。截至2021 年3月，全球數據生成量預計將從2020年的64.2 澤字節 (ZB)增長到2025年的 180 ZB以上。

在最近的發展熱潮中，美國已確立了數據中心基礎設施的領先地位，截至2024年3月，美國擁有5,381個數據中心，是全球數據中心數量最多的國家。據全球諮詢公司麥肯錫公司稱，到2030年，美國市場需求預計將從2022年的17 GW翻一番，達到35 GW (吉瓦)。截至 2023 年，美國約占全球市場的40%。

美國電力研究所 (EPRI) 於2024年5月發布的一項研究估計，到2030年，美國數據中心的電力消耗可能占該國發電量的4.6%至9.1%。截至2023 年，美國約80%的數據中心負載集中在15個州，其中維吉尼亞州和德克薩斯州最多。

## 現代數據中心的需求

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現代化和數據中心轉型可提高性能和電效率。

資訊安全也是一個令人擔憂的問題，因此，數據中心必須提供安全的環境，以最大限度地減少安全漏洞的可能性。因此，數據中心必須保持高標準，以確保其託管電腦環境的完整性和功能性。

行業研究公司國際數據公司 (IDC) 估計，數據中心的平均使用年限為9年。另一家研究公司高德納諮詢公司表示，使用年限超過7年的數據中心已經過時。數據的增長（到2025年將達到 163 澤字節 (ZetaBytes, ZB)）是推動數據中心現代化需求的一個因素。

關注現代化並不是什麼新鮮事：2007年人們就曾譴責過對過時設備的擔憂，2011年，Uptime Institute 也曾擔心其中設備的使用年限。到2018年，人們的擔憂再次轉移，這次是員工的年齡：「數據中心員工的老化速度比設備更快。」

### 滿足數據中心標準

電信行業協會制定了數據中心電信基礎設施標準，規定了數據中心和電腦機房基礎設施（包括單租戶使用者企業數據中心和多租戶使用者網際網路託管數據中心）的最低要求，本文檔中提出的拓撲結構適用於任何規模的數據中心。

Telcordia GR-3160（NEBS對電信數據中心設備和空間的要求）提供了電信網絡內的數據中心空間的指導方針，以及在這些空間中被安裝設備的環境要求——這些標準是由Telcordia和行業代表共同制定。其可應用於容納數據處理或資訊技術(IT)設備的數據中心空間。該設備可用於:

- 經營、管理運營商電信網絡
- 直接為運營商客戶提供基於數據中心的應用
- 為第三方提供託管應用程式，向其客戶提供服務
- 提供以上類似數據中心應用程式的組合

## 分級

美國IT咨詢公司 Uptime Institute 於1993年成立，為數據中心在設計、建造和營運階段作認證。評級以羅馬數字表示，即是 Tier I 到 Tier IV。

等級｜描述｜系統冗餘｜燃油儲存量｜設計要求

I｜基本 (Basic)｜N｜12小時｜設置最低限度的UPS和後備發電機，可應付電壓驟降和停電。不要求設置冗餘組件。

II｜冗餘組件 (Redundant Component)｜N+1｜12小時｜機電設備採用N+1冗餘，但配電線路和冷凍水管不設冗餘。定期檢查及維修時，須暫停IT服務。

III｜同時維護 (Concurrently Maintainable)｜N+1｜12小時｜設有冗餘管線，並同時運作。定期的檢查及維修不會影響IT服務。

IV｜容錯 (Fault Tolerant)｜任何故障後，維持N｜12小時｜數據中心內的系統沒有單點故障，能承受任何的人為錯誤及機件故障。由輸電網內的兩個不同主變電站供電。

美國國家標準協會和電信行業協會（TIA）於2005年公佈 ANSI/TIA-942 Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers（數據中心電信基礎設施標準），並授權多家第三方機構進行TIA-942認證。TIA標準以阿拉伯數字表示（Tier 1 到 Tier 4）。

Uptime Institute 和 TIA 在2014年宣佈，修改TIA-942的用字，改為 Rated 1 到 Rated 4，以免混淆兩套不同的評級系統。

2024年，TIA發佈新的TIA-942-C標準，以適應新技術（人工智慧）對高性能計算的要求。在 Rated 4 的數據中心，後備發電機由2N冗餘下調到N+1冗餘，儲油量由96小時減到24小時，不間斷電源則維持2N冗餘。

等級｜描述｜系統冗餘｜燃油儲存量｜設計要求

1｜基本 (Basic)｜N｜12小時｜設置最低限度的UPS和後備發電機，可應付電壓驟降和停電。不要求設置冗餘組件。

2｜冗餘組件 (Redundant Component)｜部分N+1｜12小時｜部分重要機電設備採用N+1冗餘，包括UPS和精密空調。後備發電機不需冗餘組件。配電線路和冷凍水管不設冗餘，所以定期檢查及維修時，須暫停IT服務。

3｜同時維護 (Concurrently Maintainable)｜N+1｜24小時｜機電系統完全採用N+1冗餘，包括管線和後備設施（如發電機）。定期的檢查及維修不會影響IT服務。冗餘管線可以是冷備用，只在例行檢查時手動切換。

4｜容錯 (Fault Tolerant)｜2N｜24小時｜數據中心內的系統沒有單點故障，冗餘管線同時運作。由輸電網內的兩個不同主變電站供電。

另外在 ANSI/BICSI 002-2014 (Data Center Design and Implementation Best Practices) 中, 以數據中心的可靠性和可用性 (Reliability and Availability) 分成第1級到第4級。

不同類別的數據中心會有不同的設計考量，從地點的選擇開始，到外部電力運載需求、物理佈局、冷卻系統 (空調) 的考量、內部供電系統的設計、防火防震自然災害、以及安全防護等等的設計都需要在開始建設數據中心前就考慮決定好。

## 數據中心設計

幾十年來，數據中心設計領域一直在向各個方向發展，包括大小不等的新建築以及對現有設施的創造性再利用，如廢棄的零售空間、舊鹽礦和戰爭時期的掩體。

當地建築規範可能規定了最低天花板高度和其他參數。數據中心設計中的一些考慮因素包括：

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- 大小 - 建築物的一個房間、一個或多個樓層或整個建築物。
- 容量 - 可容納多達或超過1,000台伺服器
- 其他考慮因素 - 數據中心的空間、電力、冷卻和成本。
- 機械工程基礎設施 - 供暖、通風和空調 (HVAC)；加濕和除濕設備；增壓。
- 電氣工程基礎設施設計 - 電力服務規劃；電源的配電、切換和旁路；不間斷電源 (UPS) 系統；等等。

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### 物理布局

一個數據中心占用一幢大樓的一個房間，一層或多層，甚至整棟大樓。大部份的設備常常放在具有19英寸的隔層的機架中。這些機架成排放置，形成一個走廊。這允許人們從前面或後面訪問隔層。伺服器從1U的伺服器到獨立筒倉的存儲設備在尺寸上有很大的不同，存儲設備要占掉很多塊地磚。一些設備，像大型計算機和存儲設備常常像他們的機架那麼大，並被放在他們的旁邊。非常大的數據中心可以使用貨櫃來放置，每個貨櫃可以放置1000或者更多的伺服器；當有維修或升級需要的時候，整個貨櫃會被替換而不是維修單個的伺服器。本地編譯的代碼可以控制最小的上升限度。

數據中心的物理環境是嚴格受控的：

### 空調

- 空調控制數據中心的溫度和濕度。ASHRAE's「數據處理環境的熱量指導」建議溫度在18-27 °C並且濕度在60％以下，以數據中心最佳條件17 °C作為最大上限。電源會加熱數據中心裡的空氣。除非熱量被移走否則溫度會持續上升，導致電源設備故障。通過控制空氣溫度，伺服器組件在擱板層保持著製造商說明的溫度/濕度範圍。空調系統通過冷卻來回的在露點以下的空間空氣，幫助控制濕度。太濕的話水開始在內部組件上濃縮。假使空氣乾燥，輔助潮濕系統會增加水蒸氣，如果濕度太低，將導致靜電放電問題，那將損壞組件。地下的數據中心比起常規的設計，能夠花費更少而保持電腦設備冷卻。
- 現代數據中心試圖使用節約裝置冷卻，在那裡他們使用外界空氣來保證數據中心冷卻。華盛頓州有幾個數據中心一年11個月使用外部空氣冷卻所有的伺服器。沒有使用冷卻機或空調，節省了數百萬電費。除此之外，隨著運算晶片排放的廢熱愈來愈高，液體冷卻技術已成為資料中心的主流選項，能更有效率地為伺服器散熱。

### 供電

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- 備份電源由一個或多個不間斷電源供應和、或者柴油機或燃氣發電機組成。
- 為了防止單一故障點，所有的電系統元素，包括備份系統，都典型的完全複製，並且關鍵伺服器連接兩個電源（"A-Side" and "B-Side"）區域。這種安排常常用於完成系統的N＋1冗餘。靜態電閘有時被用於在電源故障事件中保證瞬時轉換一個到另一個。
- 數據中心典型地使用升高60cm 的地面，可移動的方塊磚。現在的趨勢是80-，空閒區域的增加是為了更好的保證空氣流通。這種供應是為了空氣在地下充分流通，作為條件系統的一部分，也是為電力電纜提供空間。在現代數據中心的數據電纜典型是使用架空電纜。但是有些出於安全原因還是將他們置與地板下，並且有必要增加在架子上的冷卻系統。更小/更少花費的數據中心沒有升高地面而是使用相反的靜態地磚在地面上。電腦電纜常常放置在走廊中，以保證最大化的氣流效率。

### 防火

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數據中心採用防火系統，包括被動的和主動的設計元素，並在業務運行中實施防火計劃。通常會安裝煙霧探測器，以便在火災初期發出預警。

雖然由於印製電路板的脆弱性，主機房通常不允許使用濕管的系統，但仍有一些系統可用於設施的其他部分或冷/熱通道空氣循環系統中的封閉系統，如:

- 自動灑水系統
- 噴霧，利用高壓產生極小的水滴，由於水滴的性質，可用於敏感的房間。

不過，也有其他滅火方法，特別是在敏感地區，通常使用氣體滅火，其中三氟溴甲烷氣體(哈龍1301, Halon 1301)最受歡迎，直到發現其生產和使用的負面影響。

### 保安 (安保)

物理訪問通常受到限制。分層安全通常從圍欄、系纜樁和門禁系統開始。如果數據中心規模較大或包含敏感資訊，則幾乎總會有攝影機監控和長期保安員。指紋識別門禁系統已開始普及。

一些數據保護法規要求對訪問進行記錄；一些組織將此與訪問控制系統緊密聯繫在一起。可在主入口、內部房間入口和設備機櫃處輸入多個日誌。機櫃的門禁控制可與智能配電裝置集成，從而通過同一設備將鎖聯網。

## 流動數據中心

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現時網上商貿、搜尋、雲端運算公司需要快速部署數據中心，又或災難恢復運用，因此廠商開發了流動數據中心（Portable Data Center）解決方案，將伺服器等設備裝入貨櫃，而能夠快速搬運數據中心並在短時間內安裝操作。

生產流動數據中心的廠商和產品包括：

- Google的Google Modular Data Center。
- 昇陽電腦(已被甲骨文收購)的Sun Modular Datacenter。
- IBM的Portable Modular Data Center
- 思科系統的Containerized Data Center
- HP的Performance Optimized Datacenter
- 華為的Container Data Center Solution
- 亞馬遜公司的AWS Snowmobile
- 台達電的Containerized Data Center
- 技嘉的End-to-end Data Center Solutions

## 應用

一個數據中心的主要目的是運行應用來處理商業和運作的組織的數據。這樣的系統屬於並由組織內部開發，或者從企業軟體供應商那裡買。像通用應用有ERP和CRM系統。

一個數據中心也許只關注於操作體系結構，或者也提供其他的服務。常常這些應用由多個主機構成，每個主機運行一個單一的構件。通常這種構件是資料庫，文件伺服器，應用伺服器，中間件以及其他的各種各樣的東西。

數據中心也常常用於非工作站點的備份。公司也許預定被數據中心提供的服務。這常常聯合備份磁帶使用。備份能夠將伺服器本地的東西放在磁帶上，然而，磁帶存放場所也易受火災和洪水的安全威脅。較大的公司也許發送他們的備份到非工作場所。這個通過回投而能夠被數據中心完成。加密的備份能夠通過Internet發送到另一個數據中心，安全保存起來。