データ センターの運用方法 (データ センターのベスト入門)

「データセンター」に関する最強の入門科学普及

Xiaozaojun からのメモ: 数日前に「東洋のデータと西洋のコンピューティング」を紹介したとき、多くの学生がデータ センターについて質問しました。今日は皆さんと議論するために特別な記事を書いています。

データセンターは英語で IDC と略され、インターネット データ センターの略称です。

直接「DC」と呼ばない理由は、主に直流（Direct Current）との混同を避けるためです。また、今日のデータセンターは一般的にインターネットに接続されており、主にインターネットサービスを提供しているため、「IDC」と呼ぶ方が正確です。

機能面では、データ センターは、集中的なデータ管理 (ストレージ、コンピューティング、交換) 専用のサーバーが多数設置された大型のコンピューター ルームです。

業界団体の統計によると、2020年にデータセンターで処理された世界のデータトラフィックは15.3ZB（1ZB≒10億TB）に達し、世界の総トラフィックの99.35％を占めました。言い換えれば、ほぼすべてのインターネット データはデータ センターの助けなしには処理できないため、データ センターの重要性がわかります。

よく言われることですが、データセンターは水力発電所や発電所のような重要なインフラです。これらはデジタル経済の原動力であり、国家と社会の発展を支える基盤です。

█データセンターの開発段階

まずはデータセンターの発展の歴史を見てみましょう。

1960 年代、人類はまだメインフレームの時代にありました。当時は、コンピュータシステム、ストレージシステム、電源設備などを保管するためにコンピュータ室が作られ、 「サーバーファーム」と呼ばれていました。

この「サーバー ファーム」は、データ センターの最も初期のプロトタイプであると考えられています。

1990年代、インターネットの誕生と急速な発展に伴い、多くの企業が情報化を推進し始めました。彼らは独自のウェブサイトを構築し、多数の電子メール、FTP、OAオフィスオートメーションなどのサーバーも設置しました。

企業によっては、自社のコンピューター室にサーバーを設置しているところもあります。企業によっては、サーバーの数は多くないが、オフィス内に設置したくない（騒音が大きい、停電が起こりやすい、セキュリティが低い）という場合もあります。そのため、オペレーターのコンピュータ室でそれらを「ホスト」し、オペレーターのサイト、電気、ネットワーク帯域幅を借りて、オペレーターに代わって管理および保守を任せます。

データセンターの初期段階（フェーズ1）

こうして、データセンターのコンセプトが徐々に形になり始めました。 1996 年、コンピュータ ルーム設備の構築と帯域幅サービスに特化したアメリカの会社 Exodus が初めて「IDC」という用語を提案しました。

これは、IDC データセンターの開発の初期段階でした。

1997 年に、Apple は「Virtual PC」と呼ばれる仮想マシン ソフトウェアをリリースしました。その後、VMWare は現在では有名な VMWare Workstation もリリースし、仮想マシン時代の到来を告げ、データ センターの進化の基盤を築きました。

時間が経つにつれて、第 1 世代のデータ センターのホスティング サービスはより洗練され、完全なサーバー ホスティングから Web サイト ホスティングにまで拡張され、仮想ホスティング サービスも登場しました。

つまり、あるサーバー上で、仮想ホスト ソフトウェアを通じて、N 個の Web サイト ホストが仮想化され、N 個の顧客にレンタルされます。

ウェブサイト以外にも、データ保存スペースのレンタルなど多様なサービスがあります。これはIDCデータセンターの第2段階です。

データセンターの第2フェーズ

その後、21 世紀初頭に Amazon や Google などの企業がクラウド コンピューティングを提唱し、データ センターは第 3 段階 (クラウド コンピューティング段階) へと進み、現在に至っています。

クラウド コンピューティング ステージは、第 2 ステージのアップグレードと進化です。仮想化技術とコンテナ技術により、データセンターのサーバーコンピューティングリソースのプーリングを完全に実現します。すべての CPU、メモリ、ハードディスクなどのリソースは、より強力な仮想化ソフトウェアによって管理され、ユーザーに割り当てられます。

物理ハードウェアのレンタルから、仮想ハードウェアのレンタル、さらにはソフトウェアプラットフォームのレンタルやサービスのレンタルへと進化しました。 IaaS、PaaS、SaaSが登場します。

データセンターの第3段階（クラウドコンピューティング段階）

█データセンターの構造

次に、データセンターがどのような部分で構成されているかを見てみましょう。

Xiaozaojun が以前言ったように、データセンターは大きなコンピューター室です。そのため、データセンターは、ハードウェアの種類という点では、仕様やグレード、管理レベルが少し高いことを除いて、従来よく見かける企業の内部のコンピュータールームと似ています。

データセンター内部

全体的に、データセンターのハードウェアは、メイン機器とサポート機器の 2 つのカテゴリに分けられます。

メインデバイスとは、サーバやストレージに代表されるITコンピューティング機器や、スイッチ、ルータ、ファイアウォールに代表される通信機器など、コンピューティング機能や通信機能を真に実現するデバイスを指します。

支援設備とは、主設備の正常な動作を確保するために存在する基礎的な支援設備（一部の設備を含む）を指します。

基礎となる基本的な支援機器や設備は、主に電力供給・配電システム、放熱・冷凍システム、防火システム、監視システム、建物管理システムなど、多くの種類に分かれています。

• マスターデバイス

まずマスターデバイスを見てみましょう。

データセンターにおける最も基本的な主要設備は、もちろんサーバーです。サーバーは実際には高性能なコンピュータです。誰もがそれを見るべきだった。デスクトップ コンピューターと同様に、CPU、メモリ、マザーボード、ハード ドライブ、グラフィック カード (GPU)、電源などが含まれています。

特定のサーバーモデルの正面図

かつて、サーバーは基本的に Intel アーキテクチャをベースとしていました (さらに以前は、PowerPC、SPARC などもありました)。現在、国の政策の変化に伴い、国産CPUが台頭し、市場シェアを拡大​​しています。これらの国産 CPU は ARM アーキテクチャを採用しており、コスト効率が高く、価格も安価です。

Huawei チップ Hi1620 (データセンター向け ARM アーキテクチャ プロセッサ)

サーバーは通常、ラック (キャビネットとも呼ばれます) に配置されます。

サーバーラック

一般的な標準ラックの高さは通常 42U です。 U はサーバーの外形サイズを表す単位です。これは単位の略称で、1Uは4.445cmに相当します。ラック幅は600mmと800mmがございます。

ラックの奥行きには、600mm、800mm、900mm、1000mm、1200mmなど、さまざまな種類があります。一般的に、IT機器（サーバー）ラックは奥行きが深く（1100mmまたは1200mm）、通信機器ラックは奥行きが浅くなります（600mm）。

IT機器と通信機器のラック奥行きの比較

ラック内の IT 機器には、サーバーのほか、ディスク アレイなどの専門的なストレージ デバイスも含まれます。

ビッグデータは今やあらゆるところで話題になっています。人間が生成するデータの量は毎年急増しており、ストレージ デバイスの数とパフォーマンス要件も増加しています。

現在主流のコンピューターストレージハードドライブは、HDD と SSD の 2 種類に分かれていることは誰もが知っているはずです。 HDD は従来の機械式ハードディスクであり、SSD は徐々に普及しつつあるソリッドステート ハードディスクです。

SSDは保存速度が速く、サイズが小さい半導体メモリであり、非常に人気があります。ただし高価です。データセンターでは、コスト効率の面から HDD が依然として主流の選択肢となっています。 SSD は現在、主にハイエンドの顧客や高いパフォーマンス要件を持つ企業で使用されています。

IT コンピューティング機器に加えて、スイッチ、ルーター、ファイアウォールなどのデータ通信機器があります。

スイッチについて話すとき、 TOR (Top of Rack ) という用語について言及する必要があります。

TOR スイッチは、データ センター分野でよく使われる用語です。名前が示すように、これはトップオブラックスイッチを意味します。このタイプのスイッチは、データセンター内の最下位レベルのネットワーク スイッチング デバイスであり、ラック内のサーバーを接続し、上位レベルのスイッチに接続する役割を担います。

TORスイッチの場所

実際、ラック スイッチは必ずしもラックの上部に配置する必要はありません。ラックの上部、中央、下部に配置できます。通常は、内部配線に最適であるという理由だけで上部に配置されます。

ラックの上には、ラックの列と N 列のラックがあります。これらのラックとサーバーを接続するには、データセンターのネットワーク テクノロジが必要です。

現在最も人気のあるデータセンター ネットワーク アーキテクチャは、スパインリーフ ネットワークです。具体的に紹介している記事（リンク）があるので、ここでそれについて話すのは時間の無駄です。

リーフ・スパイン型ネットワークアーキテクチャ

高帯域幅でデータを送信するために、データセンターでは現在、ネットワーク ケーブルの代わりに光ファイバーが一般的に使用されていることに注意する必要があります。そのため、光ファイバー、光モジュール、光通信装置（OTNなど）はデータセンターの重要な構成要素となっています。

特に光モジュールについては、高速光モジュール（400Gなど）は非常に高価であり、データセンターのコストの大部分を占め、開発を制限しています。

光モジュール

光通信には、データセンター相互接続 (Data Center Inter-connect) の略であるDCIと呼ばれる一般的な用語もあります。最近では分散展開が普及しており、データセンター間のデータフローが非常に大きく、帯域幅に対する需要が高まっています。

そのため、通信事業者やクラウドサービス事業者はDCIを開発し、データセンター間の専用光通信バックボーンネットワークを構築しており、これは巨大な市場となっています。

我が国が実施している「東データ西コンピューティング」プロジェクトは、データセンターの相互接続を伴い、DCI 関連市場に重要な刺激効果をもたらします。

光通信バックボーンネットワーク機器

• サポート機器

次に、データセンターを支える設備や施設について見てみましょう。

まずは電源と配電について見てみましょう。

電源供給はデータセンターの正常な動作の基盤です。電気がなければ、データセンターは役に立ちません。

データセンターの配電設備の主な機能は、電気エネルギーのオン/オフ、制御、保護です。最も重要な配電設備は配電盤です。

データセンターの配電キャビネットは、中電圧配電キャビネットと低電圧配電キャビネットに分けられます。中電圧配電盤は主に 10kV の電圧レベルで、上側は主電源に接続され、下側は低電圧配電盤に接続されます。低電圧配電盤は主に 400V の電圧レベルで、電気エネルギーの変換、配電、制御、保護、監視に使用されます。

データセンターの電源供給と配電図（事例）

データセンターの低圧配電盤（インターネットからの画像）

緊急時に正常な電力供給を確保するため、配電盤に加え、データセンターには多数のUPS（無停電電源装置）やディーゼル発電機も装備されます。

「UPS + 主電源」は従来の電源ソリューションです。現在、より人気のあるソリューションは「HVDC + 主電源」です。

HVDC は High Voltage Direct Current、高電圧直流送電の略です。 UPS との違いについては、高電圧電気に関する比較的複雑な知識が関係しますが、これについては機会があれば後で詳しく説明します。

つまり、「HVDC+主電源」は「UPS+主電源」よりも信頼性と安全性が高く、電源効率も優れているため、無停電電源装置の主流の開発トレンドとなっています。

-48Vと220Vについて簡単に説明しましょう。

ICT 業界で実務経験のある学生は、サーバーなどの IT 機器は通常 220V の AC 電源を使用し、コア ネットワーク、ワイヤレスなどの通信機器は主に -48V の DC 電源を使用することを知っています。

主電源は通常、交流です。データ センターでは通常、-48V DC と 220V AC の両方が提供されます (AC-DC 変換と DC-AC インバーター変換を通じて)。

実際、DC は損失が少なくエネルギー利用率が高いため、現在ではより多くのデータセンター (Google など) で選択肢になりつつあります。これは、データセンターの高コンピューティング能力下での高エネルギー消費という現在の傾向と一致しています。

放熱と冷却について見てみましょう。

冷却システムは、データセンターにおいて主要機器に次いで 2 番目に大きなエネルギーを消費します。データセンターの電力消費データについては、「Eastern Data and Western Computing」という記事で詳しく紹介しているので、ここでは詳しく述べません。

現在、データセンターの冷却には、主に空冷と液冷の 2 つの方法があります。

空冷では一般的に空冷空調システムが使用されます。家庭用エアコンと同様に、データセンターの空冷式エアコンも室内機と室外機に分かれています。比較的、技術は成熟しており、構造はシンプルでメンテナンスも簡単です。

液体冷却では、液体を冷媒として使用して冷却し、熱を放散します。

液体の熱伝導率は空気の25倍です。同じ体積の場合、液体が持ち去る熱は空気の約 3000 倍になります。騒音の観点から見ると、同じ放熱レベルでは、液冷では空冷よりも騒音が 20 ～ 35 デシベル少なくなります。エネルギー消費の観点から見ると、液体冷却は空冷に比べて 30%～50% の電力を節約します。

現在、液体冷却技術は業界で一般的に好まれていますが、まだ探索段階にあります。全体として、液体冷却の市場見通しは非常に広く、市場規模は1000億を超えると言われています。

ZTEのサーバー浸漬液冷却技術

冷却と放熱に関しては、キャビネット プール レベル、列レベル、キャビネット レベルなどの近接冷却方法が登場し、新しく構築されるデータ センターの主流の選択肢になりつつあることは注目に値します。

従来の冷蔵は部屋レベルで行われ、コンピューター室全体はエアコンによって冷却されます。この方法は冷却経路が長すぎて効率が悪く、高出力機器の放熱ニーズを満たすことができません。また、多くのエネルギーを消費します。

キャビネット プール レベル、列レベル、キャビネット レベルは、放熱設計のためにキャビネット プール、キャビネットの列、または単一のキャビネットを中心としています。

キャビネット列レベルの放熱は、キャビネット列を対象として、エアダクト設計を行います。

これにより、空気の流路が大幅に短縮され、放熱効率が非常に高くなります。

データセンターには、配電、放熱、冷却のほか、環境監視システム、ビル自動化制御システム、防火システムなど、管理や運用に関わる機器や設備も備わっています。

動的環境監視とは、データセンターの稼働状況をリアルタイムで監視・管理する電力・環境監視を指します。

近年、 DCIM は従来の動的環境監視システムをベースに進化してきました。

DCIM の正式名称は Data Center Infrastructure Management であり、有名なコンサルティング会社 Garter によって提案されました。管理範囲はより包括的で、ツールを使用してデータセンター内のすべての IT 主要機器とサポートインフラストラクチャを監視、管理、制御します。

データセンターの防火システムは非常に興味深いです。コンピューター室には電子機器が多数設置されているため、火災が発生した場合には、水、泡、粉塵などを直接噴射しないでください。

ではどうすればいいでしょうか？ガス火災の消火。

火災が発生すると、火災センサーと煙センサーの警報が鳴り、その後、コンピュータルームエリアからアルゴンや窒素などの不活性ガスを放出して炎から酸素を奪い、消火することができます（数十秒程度で完了します）。

ガス火災の消火（インターネットからの写真）

• モジュラーデータセンター

データセンターは巨大なシステムであり、構築プロセスは非常に複雑で面倒であり、建設期間も非常に長くなります。近年、データセンターをより迅速かつ柔軟に展開するために、メーカーはモジュラーデータセンターの概念を導入しています。

簡単に言えば、データセンターの構造システム、電源および配電システム、HVACシステム、防火システム、照明システム、統合配線などを「ビルディングブロック」に1つずつ統合することです。その後、「ビルディング ブロック」を現場に輸送した後、簡単な持ち上げと組み立てを行うだけで、構築と展開が完了します。

このアプローチを採用することで、大規模データセンターの建設期間が 18 ～ 24 か月から約 6 か月に短縮され、明らかな経済的メリットが得られます。

モジュラーデータセンター（モデル）

結論

さて、これがデータセンターの紹介です。

先ほど申し上げたとおり、データセンターはデジタル時代の重要な情報インフラであり、国のデジタル競争力を直接左右するコンピューティングパワーの重要な担い手です。

「東のデータ、西のコンピューティング」戦略の推進により、国内のデータセンターは新たな発展の波を迎えることになるでしょう。統計によると、わが国のデータセンター事業の市場規模は2022年に3200.5億元に達し、年平均複合成長率は27.0％となる見込みです。 2025年までに、国内データセンターのIT投資規模は7,070.9億元に達すると予想されています。

データセンターは、その数の急増に加えて、エネルギー効率の向上と運用の複雑さの軽減を目的とした AI 人工知能を積極的に導入し、より環境に優しくインテリジェントな方向へと進んでいます。

今後、データセンターに新たな変化が起こるかどうか、注目してみましょう。

- 終わり -

参考文献:

1. 中国情報通信科学院データセンター産業マップ調査報告書

2. データセンターエネルギーホワイトペーパー、Huawei

3. 「データセンター特別レポート」、東莞証券