Microsoft Word - WW-CPWP-09

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1 UPI (Unified Physical Infrastructure) データセンタ戦略 垂直排気システムによるエネルギー効率化および持続性の確立

2 はじめに 顧客や企業における社員が使用する業務管理アプリケーションや共有ソフトウェアは 複雑かつ大規模なデータ処理能力を必要としています データセンタ管理者は 投資費用や運用コストを減らすと同時に システムの拡張にも対応する必要があります 処理能力の増加に伴いキャビネットラック 1 台当たりの機器密度は増加するため システム拡大の管理が可能な 新しくかつ効率的な冷却管理戦略が必要となります 現在 データセンタに全体的アプローチを行う UPI* ソリューションが注目されており 物理インフラ全体のエネルギー効率を最適化しリスク軽減可能な 電源を必要としないパッシブ排気ソリューションが注目されています その 1 つである垂直排気システム (VES) は 冷気を必要とするコンピュータ機器の吸気口に コンピュータ機器からの暖気が供給されることを防ぐことができます このシステムは サーバからの暖気を天井裏のプレナムへと導き 冷気と暖気を適切に隔離できます これによりデータセンタ内を必要以上に冷却する必要がなくなり 運用コストの軽減につながります 本書では データセンタへの垂直排気システム設置に関連した 熱管理やデータセンタ物理インフラへの影響などについて述べています また 一般的なデータセンタ環境に VES を設置した場合に抑えられるコストを例として示しています また キャビネット背面や垂直ダクトのエアフローへの妨げを最小限に抑え サーバ排気部分のエアフローを適切に管理する事例についても述べられています VES を設置することにより 冷却効率を高めることができ 冷却システムコストを 25% 以上削減することができます * UPI ソリューションとは高い信頼性が要求される企業内のシステム ( パワー コミュニケーション コンピューティング セキュリティ コントロール ) を統合させることで これからの企業システムとリスク管理のあり方を提案 UPI ビジョンは IT システムの信頼性の向上 運用コストの削減 およびネットワークインフラ上のリスクを低減します 従来の冷却システムの限界一般的に データセンタ内のエアフロー管理は冷却装置 () を効率的に設置し データセンタの標準規格である TIA-942 に定義されているように キャビネットの列をホットアイル ( 暖気通路 ) とコールドアイル ( 冷気通路 ) に分けて配置します ( 図 1 参照 ) 天井裏スペース ( 暖気 ) 図 1. 従来の二重床構造のデータセンタ ( ホットアイル / コールドアイル構造採用 ) 天井裏にスペースがあり かつ二重床構造のデータセンタでは は冷気を二重床の下に供給し コールドアイル ( 冷気通路 ) に設置されているパンチング仕様のフロアタイルから室内へ供給されます キャビネット内のコンピュータ機器は前面 ( 冷気通路側 ) から冷気を吸いこみ 背面 ( 暖気通路側 ) へ暖気を排出します そして 室内の暖気は天井裏のスペースを通って へと吸い込まれていきます 2

3 データセンタにおける現在の傾向として 機器の密度が増加しており これにより二重床の冷却効率が限界となっています 天井裏にスペースのあり かつ二重床構造のデータセンタにおいて に十分な容量があり熱管理対策が万全の場合 一般的にキャビネット 1 台あたり 7-8kW の熱を排除できます この場合の熱管理対策とは 二重床の高さが 60-90cm ホットアイルとコールドアイルの採用 適切なサイズのパンチング仕様タイルの設置 エアフロー路の確保 電力 通信ケーブルの適切な配置およびケーブル保護ブーツやブランクパネルの採用が挙げられます データセンタの統合 仮想化により 1 台のキャビネットに複数のサーバが搭載されるなど 高密度化が進んでいます これにより キャビネット 1 台当たりの熱負荷は 8-12kW となっています さらに 高発熱であるブレードサーバなどの機器が追加 アップグレードされると キャビネットの熱負荷は 25kW を超えることもあります このような場合 効率的な熱管理戦略を導入しないとリスクが増大する結果となります 機器の不具合 故障によるダウンタイムの増加および収益の減少 平均故障間隔 (MTFB) の縮小 メンテナンスに関連するコストの増加 必要以上の冷却による運用コストの増加 データセンタ冷却に対する革新的 費用効果的な改善予算制限やエネルギーコストの高騰により データセンタ管理者は業務効率やビジネス継続性を改善するため データセンタ内の熱問題を解決しつつ費用を抑える方法について検討する必要があります Panduit の提供する熱管理ソリューションは 信頼性のある 費用効果的かつ環境に配慮した 熱負荷を対処する製品としてデータセンタでの導入が増加しています これらの製品は エアフローを最適化し 投資費用を増加させるような冷却装置を使用することなく コンピュータ機器を熱から保護できる冷却技術を用いています ( 図 1 参照 ) 冷却方法 資本コスト 運用コスト Point of Failure* 電源を使用しないパッシブ冷却 なし なし キャビネット内ファン あり あり 架上冷却装置 あり あり 冷却ドア あり あり 容量のアップ あり あり *Point of Failure: システム上のあるコンポーネントが異常を来たすと そのシステム全体が障害に陥ってしまうようなコンポーネントの総称 表 1. データセンタ内の追加冷却による費用比較 UPI 理論を基盤としたアプローチの一部として Panduit の提供する冷却方法はデータセンタ稼働時の初期段階から導入することもできますし 必要に応じて追加することも可能です そしてキャビネットのレイアウトと連動して使用することで ビジネス要求の変更や拡大に応じて冷却容量を増大させることができます このような柔軟性により 冷却装置や二重床冷却システムを追加することなく 必要に応じてコンピュータ機器を導入できます データセンタにおいて 最も効果的なエアフロー管理の1つとして垂直排気システム (VES) といった 熱を閉じ込めて天井裏に排気するシステムが挙げられます これは サーバからの熱排気が煙突形状の垂直排気システムを経由して 天井裏へ直接排気されます ( 図 2 参照 ) このシステムにより 熱排気が直接 吸気口に導かれるため データセンタ内で暖気と冷気の混合を防ぎ 機器の吸気口に冷気が適切に供給されます VESは ブレードサーバのような高密度機器から排気される高負荷の熱に対応することができます 3

4 図 2. 上図 従来の天井裏にスペースのあり かつ二重床構造のデータセンタ ( ホットアイル / コールドアイル構造採用 ) 暖気がキャビネット前面に広がり キャビネット上部には熱溜まりができています下図 VES 導入 垂直ダクトを経由して暖気が天井裏のスペースに送られているため データセンタ内が適切に冷却されています 暖気と冷気を分けることで データセンタ内の冷却温度を低く設定する必要がなくなり エネルギー消費の削減につながります VES を設置することで のファンの稼働率を下げ 電力の節約になります そしてキャビネットの吸気部分 ( 前面 ) の温度を適切な範囲内に維持できます ( 参考 : 米国冷暖房空調工業会 /ASHRAE の推奨する温度は最大 27 です ) VES を導入することで 必要となる の台数を減らし データセンタのエネルギー消費およびコストの削減が可能となります 例えば 専有面積 280 m2の二重床構造のデータセンタに 68 台のサーバキャビネットが設置されている場合 キャビネット 1 台あたり 8kW の熱に対応するには 6 台の が必要となります そして 機器が追加される度に熱負荷が増加していきます このようなデータセンタの場合 10kW までの熱に対応するために追加で が必要となります 1 台あたりの価格は一般的に 300 万円前後 電気代は 1 時間当たり 10 円 /kw を最大容量で稼働した場合に必要なコストが 68 万円 / m3 その他設置やメンテナンスにコストが必要となります これに比べ VES は 1 台の価格よりも安く 電気代などの稼働費を費やすことなくキャビネットの熱負荷を管理できます ( 表 2 参照 ) VES により 冷却システムの稼働費を少なくとも 25% 削減できます キャビネットのレイアウトや機器の密度 メンテナンスの度合によりさらに削減することも可能です このことから VES は費用効果的かつ環境に考慮した上で キャビネットを効率的に冷却できるシステムであると言えます 熱管理方法 価格 / 台 設置数 資本コスト * 光熱費 ** VES 価格 / 台 VES 設置数 合計 1 台あたり のみ 316 万円 8 63,000 円 0 25,280,000 円 82 万円 656 万円 +VES 316 万円 6 63,000 円 37 21,291,000 円 82 万円 492 万円 合計 VES によるコスト削減価格 3,989,000 円 164 万円 VES によるコスト削減率 16% 25% * の設置費を除く ** 電気代 :1 時間当たり10 円 /kw VES 導入時の投資収益率資本回収期間 :4 か月 10 年投資収益率 :266% 表 2. VES を導入した場合のコスト削減例 ( 専有面積 280 m3 サーバキャビネット 68 台を設置したデータセンタの場合 ) 4

5 垂直排気システム (VES) の設計考察 VES の設置には データセンタ内の機器レイアウトとの係り合いを理解する必要があります 最初に 物理インフラ全体 ( 設備関連および配線関連部品 ) のレイアウトを検討し キャビネットの架上スペースに障害物がない状態にするにはどのようなレイアウトが最適かを考慮する必要があります 2 つ目に キャビネット内のケーブル管理を最適化し システム性能を最大限にする必要があります 電力ケーブルと通信ケーブルがサーバキャビネット内で密集した状態で配線されていると ケーブルがサーバの排気ファンを塞ぎ VES へのエアフローの妨げとなります 空間レベルでのレイアウトの最適化効率的に VES を設置するには いくつかの空間レベルでの考慮が必要となります 設計に際し 通信ケーブルの経路はキャビネット前面の架上に設置し キャビネット背面は VES の設置用に空けておきます キャビネットの列全体の配線容量を十分に確保するためには このような設計が重要となります ( 図 3a 参照 ) その他の課題として VES のレイアウトと照明および火災探知器との統合が挙げられます インフラのレイアウトは一般的にデータセンタの設計段階で決定され 照明や火災報知器は部屋全体をカバーし 国内の規定に準拠するよう取り付けられます VES は 照明や火災報知器を塞がない位置に設置する必要があります 垂直排気ダクト (VES) を取り付けたら データセンタ内に暖気が漏れるのを防ぐため 天井とキャビネットに接している部分で密閉します ( 図 3b 参照 ) また キャビネット上部にあるケーブル引込口も密閉して暖気の漏れを防ぐ必要があります 図 3a. VES と架上配線経路の設置位置 図 3b. 非パンチング構造のドアによる暖気の漏れの防止 VES の機能を最大に活用し データセンタ内の空気とキャビネットからの排気を効率的に区別するためには キャビネットの空きスペースにブランクパネルを搭載し 床のケーブル開口部は密閉してください これにより冷気の漏れや排気された暖気の再循環 エアフローの乱れを解消できます また サーバの吸気口がキャビネット前面の冷気を均一に引き込むことで 熱管理に対して過剰な冷気を供給する必要がありません 排気部分の管理垂直排気ダクト (VES) は熱排気を包み込み 天井裏へ導くことで機能します 天井裏はデータセンタ内に比べわずかに低圧なため キャビネットからの熱排気をプレナム空間へ引き込むことができます VES はキャビネットや天井の高さに適合したサイズを導入し 接合部分は密閉する必要があります また障害物を無くし 暖気の流れを妨げないようにしてください 垂直排気ダクトはスペースが大きく障害物が少ないほど サーバファンへのエアフローの妨げが少なく 結果として排気ダクトへのエアフローの容量が大きくなります VES の有効性を阻害する重大な要素として サーバ背面のスペースが十分に確保できないことが挙げられます 背面スペースが小さい場合 熱排気が IT 機器の吸気部へ逆流し 5

6 冷却に影響を及ぼす可能性があります サーバファンへの熱排気の逆流を最小限に抑え VES の効果を最適化するため サーバ背面からは障害物を無くし 適切なサイズのダクトを選定してください また サーバ背面のスペースも管理が重要なパラメータとなります サーバからのケーブルの配線密度もキャビネットからの熱排気に影響を及ぼします 例えば 幅 600mm のサーバキャビネットにおいて 不適切な配線やケーブル管理パネルの搭載によって サーバ背面のスペースが縮小する場合があります ( 図 4 参照 ) 図 5 にあるように 幅 600mm のキャビネットに搭載されているサーバ背面の通信ケーブルは 重要な排気スペースを占有しており エンクロージャー背面の片側に通信ケーブル もう片側に電力ケーブルが配線されています またケーブル管理パネルのフィンガーも 10cm ほど排気スペース内に伸びており ケーブルと併せて排気スペースを塞いでいます これにより排気効率が 33% 減少する結果となっています ( ケーブルの余長や不十分な管理は排気システムの有効性をさらに減少させます ) その一方 幅 800mm のキャビネットの場合 前述のキャビネットと比較して幅を 200mm 増加したことで ケーブルをサーバの側面に垂直に配線できるため 背面の排気スペースを確保することができます 通信ケーブルも電力ケーブルも排気スペース外に配線できるため エアフローを最適化し 冷却効率を高め 図 4. 不適切な配線により背面のスペースが縮小し 冷却システムの有効性が制限されています ることができます 結果として 排気スペースを確保してエアフローを飛躍的に増加させると同時に ケーブル管理も適切に行えることでシステム性能を確保できます パッチケーブル 電源コンセント パッチパネル ケーブル管理チャネル ケーブル管理フィンガー 排気エリア 排気スペース断面積 1200cm cm 2 キャビネット幅 600mm ( ケーブル管理フィンガー付き ) 800mm サーバ背面の利用可能なスペース 200mm 300mm 図 5. キャビネット幅 ケーブル管理フィンガーによる排気スペースの比較 ( 上部から見た図 ) 6

7 ケーブル管理本書ではネットワーク性能を最適化すると同時に VES の有効性を最大化する方法について いくつか述べてきました 一般的に 排気スペースからは可能な限り障害物を取り除き 垂直排気ダクトへ流れるキャビネットからの熱排気を妨げないようにする必要があります 通信ケーブルおよび電力ケーブルはキャビネットの側面に配線し サーバの排気スペースに架からないようにしてください また ケーブル管理パネルを使用してケーブルを整理することで エアフローの流れを妨げずに配線できます 以下は 最適なエアフローが必要な キャビネット内の特定のスペースについての記述です キャビネット内の排気スペースキャビネット内の最も重要な排気スペースは 上部から 4-6 ユニットです これ以下にある配線関連の障害物もエアフローの妨げになりますが 上部 4-6 ユニット部分に障害物がある場合 垂直排気ダクトへのエアフローを妨げ キャビネットから熱が排気されないため 冷却システムに直接リスクを及ぼします ( 図 6 参照 ) 例えば サーバキャビネットが ToR(Top of Rack) 構造を採用している場合 ファイバ及び銅線ケーブルの束や機器が排気スペースに数センチ飛び出す可能性があるため リスクがあります また ファイバーエンクロージャがキャビネットのマウントレールより前に飛び出す場合 排気スペースに干渉するため フラッシュマウントタイプのファイバーエンクロージャを使用することをお奨めします パッチに関しては サーバのポートから 隣接した場所に直接パッチコードを接続する場合 パッチパネルを水面ではなく垂直に使用することをお奨めします 垂直にパッチパネルを使用することで ケーブルの束をキャビネットの側面に配線でき 排気スペースを妨げません ( 図 6 参照 ) 特に ToR (Top of Rack) 構造の場合 ケーブルの束をキャビネット側面に垂直に配線し 排気スペースを十分に空けておくことができます PDU( 電源コンセントバー ) と配線 PDU とそれに関連する配線は 通信ケーブルと並列して配線し PDU は垂直配線システムとは反対側に設置します 電力ケーブルは IT 機器から離して配線してください ( 図 5 図 6 参照 ) ケーブルは最小限の長さ (45cm~60cm) にし 余長を可能な限り少なくすることで排気スペースを確保できます 架上配線は 排気スペースに近づけないようにします 機器が飛び出していると 排気が一部遮断され VES 効率を低下させます ケーブルを垂直に配線することで 排気スペースを塞がず 適切なエアフローを確保できます 図 6. 架上配線経路およびキャビネット内の配線を適切に管理し VES 効率を最大限に活用 7

8 エアーブロックデバイスブランクパネルを取り付けることで 機器が搭載されていないラックスペースを塞ぐことができます また二重床のタイルに開けられたケーブル開口部分はグロメット等で密閉し 暖気と冷気が混ざらないようにしてください ケーブル経路キャビネット背面の排気スペースの真上に垂直排気ダクトを設置するため キャビネット前面の架上に配線経路を設けて キャビネット背面の排気スペースを確保するようデータセンタの設計時に考慮する必要があります また キャビネット内のケーブル管理パネルを利用して キャビネットの側面にケーブルを垂直配線してください これによりケーブルが熱排気の経路を通らず 機器本体からも離して配線できます データセンタの初期の設計段階において VESを組み込んだ設計をした場合 既存の冷却システムと連動して使用することで高負荷の熱を発生するキャビネットにも対応できます VESを導入可能なデータセンタのレイアウトとして キャビネットの架上に垂直排気ダクトを設置するための十分なスペースがあり 排気された暖気を送れるよう吊り天井等により天井裏にプレナムが必要となります VESは電力を必要としないため 最小限の運用コストで効率的に冷却可能です VESは データセンタが二重床タイプか否かに関わらず 既存のホットアイル ( 暖気通路 )/ コールドアイル ( 冷気通路 ) レイアウトと統合して活用できます 結論 : 動作可能持続性の目標達成やネットワーク機器の耐用期間の延長 グリーン IT の目標達成をサポート可能な UPI 理論に基づいたソリューションを導入することで データセンタ内の高負荷な熱に対して適切な管理が行えます 非効率的な冷却システムに費用を投入するのは合理的ではありません しかし VES などの熱管理ソリューションを展開することで 最小限のコストで効率的に冷却することができます 電源を必要としない 垂直排気システム (VES) はサーバからの熱排気を天井裏のプレナムへ直接流し込み 機器冷却用の冷気から熱排気を隔離することで データセンタ内のホットスポットを解消します 最適なケーブル配線として サーバ背面の排気スペースを可能な限りクリアにし 垂直排気ダクトへの熱排気の流れを妨げないようにします 具体的には 通信ケーブル及び電力ケーブルはキャビネットの側面に垂直に配線し サーバの排気スペースから離すようにします UPI 理論に基づくデータセンタソリューションとは 熱管理システム HSDT(High Speed Data Transport: 高速データ通信 ) キャビネットシステムおよび物理インフラ管理ソフトウェアを統合したデータセンタです Panduit のソリューションのアプローチにより ビジネスの可用性 統合 セキュリティといった企業目標を実現することができます Panduit の理念 Panduit は 優れた品質のネットワークおよびエレクトリカル製品の提供を通じて お客様のインフラの構築を支援し ビジネスの成功に貢献することを目指しています Panduit では 50 年以上にわたって 常にお客様のニーズに向き合い それにお応えするべく製品やソリューションの開発 提供を行ってきました グローバル売上高の 9% を研究開発に投資するなど 高い技術力に裏打ちされた確かな品質の製品を グローバルで一貫した供給体制およびサポート体制によりタイムリーにお届けすることで お客様がビジネスを行う上でのインフラの構築を支援しています Panduit は 最高の品質の製品 サービスを提供することで お客様およびパートナー企業のビジネスにおける成功に貢献することを目指しています 0510/WW-CPWP-09 8