Cómo diseñar y construir un centro de datos

Cómo diseñar un centro de datos

No existen normas obligatorias para el diseño o la construcción de centros de datos; un centro de datos está pensado para adaptarse a las necesidades únicas de la empresa en general, y no al revés. Sin embargo, el objetivo principal de cualquier norma es establecer una plataforma común de mejores prácticas. Existe una variedad de normas actuales para centros de datos, y una empresa puede incorporar una o más normas -o partes de normas- en un proyecto de centro de datos. Las normas ayudan a garantizar que se presta la atención adecuada a estos factores, entre otros:

• diseño conceptual
• distribución y planificación del espacio
• requisitos de construcción del edificio
• cuestiones de seguridad física
• sistemas internos del edificio (mecánicos, eléctricos, de fontanería y contra incendios);
• operaciones y flujos de trabajo; y
• mantenimiento.

A continuación se exponen algunas de las principales normas de diseño e infraestructura de centros de datos:

• Uptime Institute Tier Standard. El Uptime Institute Tier Standard se centra en el diseño, la construcción y la puesta en marcha de centros de datos, y se utiliza para determinar la resistencia de la instalación en relación con cuatro niveles de redundancia/fiabilidad.
• ANSI/TIA 942-B. Esta norma se refiere a la planificación, el diseño, la construcción y la puesta en servicio de los oficios de la construcción, así como a la protección contra incendios, las TI y el mantenimiento. También utiliza cuatro niveles de fiabilidad, aplicados por profesionales certificados por BICSI.
• Serie EN 50600. Esta serie de normas se centra en el diseño de redes y cables informáticos y tiene varios conceptos de redundancia y fiabilidad de infraestructuras que se basan vagamente en la norma Tier del Uptime Institute.
• ASHRAE. Las directrices de ASHRAE -que no son específicas de TI ni de centros de datos- se refieren al diseño y la implementación de calefacción, ventilación, aire acondicionado, refrigeración y campos relacionados.

Además, existen muchas y variadas normas reglamentarias y operativas que pueden aplicarse a los centros de datos. Entre las normas reglamentarias figuran la HIPAA, la Ley Sarbanes-Oxley, SAS 70 Tipo I o II y la Ley Gramm-Leach-Bliley. Las normas operativas pueden incluir ISO 9000 para la calidad, ISO 14000 para la gestión medioambiental, ISO 27001 para la seguridad de la información, Payment Card Industry Data Security Standard para la seguridad de las tarjetas de pago y EN 50600-2-6 relativa a la gestión y la información operativa.

Las normas ayudan a garantizar un diseño, construcción y funcionamiento adecuados de los centros de datos. Además, la adopción y documentación minuciosa del uso de las normas pertinentes puede ayudar a una empresa a garantizar el cumplimiento adecuado mediante la debida resistencia de las instalaciones, la gestión y los preparativos para la continuidad del negocio.

Espacio físico y organización del centro de datos

En el fondo, las instalaciones de un centro de datos son poco más que un gran espacio abierto, un almacén cuidadosamente preparado para albergar y hacer funcionar una infraestructura informática exigente. Aunque un centro de datos de clase empresarial puede ser una empresa grande y compleja, la cuestión principal es una simple cuestión de espacio expresada en pies cuadrados o metros cuadrados.

Tal vez 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: demasiado pequeño, y el centro de datos podría no satisfacer las necesidades actuales o futuras de la empresa; demasiado grande, y se puede malgastar un enorme capital en proporcionar espacio no utilizado. Es fundamental establecer unas instalaciones que ofrezcan capacidad de crecimiento y, al mismo tiempo, optimicen la utilización. A veces, el dimensionamiento de un centro de datos se considera un arte en sí mismo. Entre los innumerables factores que hay que tener en cuenta en el espacio de un centro de datos se incluyen los siguientes:

• Iluminación. La mayor parte de la iluminación de los centros de datos es escasa o está apagada sin presencia humana.
• Temperatura. La demanda de refrigeración puede mantener bajas las temperaturas, por lo que las personas pueden necesitar ropa protectora.
• Ruido. Los ventiladores de refrigeración de docenas -incluso cientos- de servidores pueden producir una cacofonía que requiera protección auditiva.
• Peso. Los equipos son pesados, y el suelo debe estar diseñado para soportar un peso extremo. Pueden ser necesarias consideraciones especiales de peso para los suelos elevados utilizados para manejar los flujos de aire de refrigeración.

Más allá del espacio físico, el diseño de los centros de datos debe tener muy en cuenta la ubicación y distribución de los equipos, es decir, dónde se coloca la infraestructura informática dentro de las instalaciones. La característica más común de la disposición de cualquier centro de datos es el bastidor del servidor o, simplemente, bastidor. Un rack es una estructura metálica vacía con un espaciado estándar y opciones de montaje destinadas a alojar equipos informáticos estandarizados montados en rack, como servidores, subsistemas de almacenamiento, equipos de red, cableado, sistemas de alimentación auxiliares, como dispositivos SAI, y opciones para teclados y monitores para acceso administrativo.

Los bastidores también desempeñan un papel vital en los esquemas de refrigeración de los centros de datos. Los bastidores de equipos suelen organizarse para crear pasillos calientes y fríos que pueden mejorar la eficacia de la refrigeración al permitir la introducción de aire refrigerado en un pasillo frío, que es calentado por los equipos y conducido a un pasillo caliente, donde el aire calentado puede eliminarse eficazmente de la sala. La organización de los pasillos también puede facilitar la introducción de puertas adicionales y medidas de seguridad en los extremos de cada pasillo para limitar el acceso humano.

Seguridad de los centros de datos

La seguridad de los centros de datos suele abarcar tres aspectos distintos: la seguridad de acceso, la seguridad de las instalaciones y la ciberseguridad.

Seguridad de acceso. Cualquier debate sobre las instalaciones de los centros de datos debe incluir una consideración sobre la 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 aplica correctamente, la seguridad garantiza que sólo el personal autorizado tenga acceso a las instalaciones y a los equipos, y que todas las actividades humanas estén documentadas. La seguridad puede implicar el siguiente conjunto de medidas:

• acceso con tarjeta identificativa a las instalaciones y sus alrededores (incluidas las zonas de equipos);
• acceso con llave a bastidores y servidores específicos;
• registros de acceso de empleados y visitantes/proveedores;
• escoltas para los no empleados;
• videovigilancia; y
• personal de seguridad in situ.

Seguridad de las instalaciones. La seguridad física también se extiende a la integridad del entorno del centro de datos, incluidas las condiciones de temperatura, humedad y humo/incendios/inundaciones. Este aspecto de la protección de los centros de datos suele estar a cargo de un sistema de gestión de edificios (BMS) que supervisa e informa de las condiciones ambientales o de emergencia a los gestores del edificio.

Ciberseguridad. La ciberseguridad se centra en controlar el acceso a los datos y aplicaciones empresariales alojados en la infraestructura informática del centro de datos. El objetivo de la ciberseguridad es garantizar que sólo los usuarios debidamente autenticados puedan acceder a los datos o utilizar las aplicaciones, y que cualquier infracción se notifique y aborde de inmediato. Por ejemplo, la seguridad física impide que una persona toque un disco en el centro de datos, mientras que la ciberseguridad impide que esa misma persona acceda a los datos del disco desde cientos de kilómetros a través de una red. La ciberseguridad utiliza una mezcla de antimalware, gestión de la configuración, detección/prevención de intrusiones, registro de actividades y otras herramientas para supervisar la actividad de la red e identificar posibles amenazas.

Demandas de potencia y rendimiento de los centros de datos

La energía es un reto permanente para cualquier centro de datos empresarial. Una gran instalación puede consumir unos 100 megavatios, suficientes para abastecer a unos 80.000 hogares, y la energía representa el mayor gasto operativo de un centro de datos de categoría empresarial. Por lo tanto, los operadores de centros de datos plantean las siguientes exigencias a la energía de la red pública:

• Capacidad. Debe haber energía suficiente para hacer funcionar el centro de datos.
• Coste. La energía debe ser lo más barata posible.
• Calidad. La energía debe ser eléctricamente limpia (es decir, libre de ruidos eléctricos indeseables, sobretensiones y picos).
• Fiabilidad. La energía debe estar libre de caídas de tensión, apagones u otras interrupciones.

Estas cuestiones se abordan cada vez más con opciones generadas localmente y cada vez más renovables, como la eólica, la solar y la generación in situ.

Pero para que una empresa entienda los problemas energéticos de cualquier centro de datos, es importante que los diseñadores de centros de datos y los responsables de TI calculen las demandas energéticas de la instalación y su infraestructura de TI. Es este punto de referencia el que permite a una empresa entender los costos aproximados de energía y discutir la capacidad con las compañías eléctricas regionales.

No existe un método único para calcular las necesidades energéticas. Para las instalaciones, la energía es una estimación directa de las demandas de iluminación y calefacción, ventilación y aire acondicionado. Las demandas de energía de la infraestructura de TI pueden ser más complicadas porque los requisitos de energía de los servidores fluctúan con la carga de trabajo -es decir, cuánto trabajan las aplicaciones- y la configuración de cada servidor, incluida la selección de CPU, memoria instalada y otros dispositivos de expansión, como las GPU.

Las estimaciones tradicionales de potencia incluyen enfoques basados en el rack y en la placa de características.

El enfoque basado en bastidores suele asignar una estimación estandarizada de potencia por bastidor. Por ejemplo, un responsable de TI puede asignar una estimación de 7 kW a 10 kW por rack. Si el centro de datos planea desplegar 50 racks, la estimación de potencia es un múltiplo simple. Un enfoque similar es una estimación general del centro de datos en vatios por pie cuadrado (W/pie2). Sin embargo, como este enfoque presta poca atención a los equipos instalados en cada rack, suele ser el medio más inexacto de estimar la potencia.

El enfoque basado en la placa de características permite a los responsables de TI sumar los requisitos energéticos indicados en la placa de características de cada servidor u otro dispositivo informático. Se trata de un método más detallado que suele dar mejores resultados. Sin embargo, la demanda de energía que aparece en la placa de cada dispositivo puede ser muy inexacta y no tiene en cuenta el trabajo real que realiza el dispositivo.

Un enfoque más reciente consiste en utilizar mediciones reales de potencia por servidor, tomadas con dispositivos informáticos de gestión de la energía, como las unidades inteligentes de distribución de energía (PDU), situadas dentro de cada rack. Las mediciones reales pueden proporcionar las estimaciones más precisas y dar a los operadores de centros de datos una mejor idea de cómo pueden fluctuar las demandas y los costes de energía con las demandas de carga de trabajo.

Por último, es inevitable que la red eléctrica sufra 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 reserva. Puede haber varios niveles de energía secundaria, dependiendo de los problemas que la empresa quiera evitar.

A nivel de instalación, un centro de datos puede incorporar generadores de reserva alimentados con gasóleo o gas natural capaces de hacer funcionar toda la instalación a largo plazo. La energía de reserva puede complementarse con fuentes locales de energía renovable, como parques solares o eólicos. A nivel de infraestructura informática, los bastidores pueden incorporar opciones de SAI, que proporcionan baterías de reserva a corto plazo para permitir un apagado ordenado del sistema cuando las interrupciones del suministro eléctrico son inevitables.

Sistemas de refrigeración para centros de datos

La energía suministrada a un centro de datos se traduce en trabajo realizado por la infraestructura informática, así como en un subproducto indeseable: el calor. Este calor debe ser eliminado de los servidores y sistemas, y luego expulsado del centro de datos. En consecuencia, los sistemas de refrigeración son una preocupación crítica para los diseñadores y operadores de centros de datos.

Hay dos problemas principales de refrigeración. La primera 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 pasar de la demanda de energía del centro de datos en vatios (W) a la capacidad de refrigeración 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 en unidades térmicas británicas (BTU) por hora, que luego pueden convertirse en toneladas:

W x 3,41 = BTU/hora

BTU/hora / 12.000 = t

La clave está en conocer la demanda energética del centro de datos en vatios y la escalabilidad prevista, 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 podrá albergar o escalar la cantidad prevista de infraestructura de TI. Si el sistema de refrigeración es demasiado grande, supone un servicio costoso e ineficaz para la empresa.

El segundo problema de refrigeración de los centros de datos es el uso y la manipulación eficientes del aire refrigerado y calentado. En un espacio humano normal, basta con introducir aire frío por un conducto de ventilación y expulsar aire caliente por otro conducto de ventilación en otra parte de la habitación para que se produzca una mezcla y un promedio de temperatura que proporcione un confort humano adecuado. Pero este enfoque habitual en hogares y oficinas 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 una aplicación cuidadosa de aire refrigerado y, a continuación, una contención y eliminación deliberadas de los gases de escape calientes. Los diseñadores de centros de datos deben evitar la mezcla de aire caliente y frío que hace tan confortables los espacios climatizados.

Los diseñadores suelen abordar la gestión del aire de las salas de servidores mediante el uso de esquemas de contención, como la disposición de pasillos calientes/fríos. Consideremos dos filas de bastidores de equipos, en los que las partes traseras se enfrentan entre sí. El aire frío del sistema de climatización se introduce en los pasillos situados delante de cada fila de estanterías, mientras que el aire caliente se recoge y se expulsa por el pasillo caliente común. Se añaden barreras físicas adicionales para evitar que el aire caliente se mezcle con el aire frío. Estos esquemas de contención ofrecen un uso muy eficiente de la capacidad de HVAC.

Otros métodos de refrigeración son los sistemas de aire acondicionado al final de la fila y en la parte superior de la estantería, que introducen aire refrigerado en partes de una fila de estanterías y expulsan aire caliente a los pasillos calientes.

Algunos centros de datos incluso adoptan tecnologías emergentes de refrigeración líquida que sumergen los equipos informáticos en baños de líquidos refrigerados eléctricamente neutros, como aceites minerales. La refrigeración líquida es pequeña y eficiente desde el punto de vista energético, y los líquidos pueden ofrecer una eficiencia de transferencia de calor varias veces superior a la de la refrigeración por aire. Sin embargo, la refrigeración líquida se enfrenta a otros retos, como fugas/inundaciones, corrosión de piezas o susceptibilidad a la intrusión de líquidos, filtrado y limpieza de líquidos y seguridad humana.

Eficiencia y sostenibilidad de los centros de datos

La preocupación actual por el impacto medioambiental de las emisiones de CO2 procedentes de la generación de energía ha 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 frente a la cantidad de energía utilizada para hacer 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 de entrada se convierte en trabajo útil, la eficiencia es del 0%. Las empresas buscan mejorar la eficiencia hacia el 100% para que cada dólar gastado en energía esté impulsando el trabajo útil del centro de datos.

Medidas como la efectividad del uso de la energía (PUE) están disponibles para ayudar a las organizaciones a calibrar la eficiencia. El PUE se calcula como la energía que entra en el centro de datos dividida por la energía utilizada en la infraestructura de TI. Esto da como resultado un ratio simple que se aproxima 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 informáticos, como reducir la iluminación y la refrigeración en espacios no informáticos e implementar otros diseños de edificios energéticamente eficientes.

La sostenibilidad es otra preocupación. La generación de energía crea una contaminación que se cree que impulsa el cambio climático y reduce la salud del planeta. Crear un centro de datos sostenible o ecológico significa esforzarse por conseguir cero emisiones netas de carbono para la energía que impulsa los centros de datos. Neto cero 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 procedente de fuentes no contaminantes, como parques solares o eólicos. En otros casos, la energía puede comprarse a proveedores capaces de capturar o recuperar una cantidad equivalente de CO2 emitido en la producción de energía, lo que da lugar a emisiones netas cero. Para alcanzar el cero neto, las empresas deben adoptar medidas de conservación de la energía, eficiencia energética -como las iniciativas PUE- y fuentes de energía renovables no contaminantes.

Mejores prácticas de diseño de centros de datos

No hay una única forma de diseñar un centro de datos, y existen innumerables diseños que se adaptan a las necesidades únicas de cada empresa. Pero las siguientes estrategias pueden producir un diseño de centro de datos con una eficiencia y sostenibilidad superiores:

• Medir la eficiencia energética. Los operadores de centros de datos no pueden gestionar lo que no miden, así que utilice métricas como el PUE para supervisar la eficiencia del centro de datos. El PUE debe ser una medición continua que se realice a intervalos frecuentes durante todo el año, ya que las estaciones y el clima pueden afectar al uso de la energía.
• Revise el flujo de aire. La refrigeración es esencial para el funcionamiento seguro de la infraestructura de TI, pero el flujo de aire debe gestionarse y optimizarse. Esto puede incluir la limitación de la mezcla de aire caliente y frío, el uso de esquemas de contención de pasillos calientes y fríos e incluso el uso de placas ciegas para cubrir las aberturas de los bastidores no utilizados, lo que impide que el aire refrigerado fluya a lugares que no enfrían ningún equipo.
• Aumentar la temperatura. Cuanto más fría es una sala de servidores, más consume y más cara resulta. En lugar de mantener la sala de servidores más fría, evalúe el efecto de aumentar realmente la temperatura. Por ejemplo, en lugar de hacer funcionar un pasillo frío a una temperatura de 68 a 72 grados Fahrenheit, considere hacerlo a una temperatura de 78 a 80 grados Fahrenheit. La mayoría de los equipos informáticos pueden tolerar temperaturas elevadas de este modo.
• Pruebe una refrigeración alternativa. Un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) puede ser estándar para los centros de datos, pero considere formas de reducir o eliminar la dependencia del HVAC convencional. Por ejemplo, los centros de datos situados en climas más fríos podrían reducir el uso de HVAC e introducir aire exterior más frío -lo que se denomina refrigeración libre- en las instalaciones. Del mismo modo, la climatización puede complementarse o sustituirse por enfriadoras refrigeradas por agua -es decir, economizadores- u otras tecnologías de intercambio de calor que consumen mucha menos energía.
• Mejorar la distribución de energía. La eficiencia energética de los centros de datos suele perderse por la ineficacia de los dispositivos de manejo y distribución de la energía, como los transformadores de los equipos, las PDU y los SAI. Utilice equipos de distribución de energía de alta eficiencia y reduzca al mínimo el número de pasos y oportunidades de pérdida.

Retos del diseño de centros de datos

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 se enfrentan a numerosos retos permanentes. A continuación se exponen varias consideraciones y retos generales:

• Escalabilidad. Un centro de datos es una instalación a largo plazo que puede permanecer en servicio durante décadas, pero el centro de datos que funciona hoy puede diferir significativamente del centro de datos que funcione dentro de una o dos décadas. Los diseñadores deben tener en cuenta cómo gestionar las cargas de trabajo y los servicios actuales, pero también cómo escalar esos recursos en el futuro. El reto consiste en proporcionar espacio para el crecimiento en espacio, energía y refrigeración, mitigando al mismo tiempo los costes de dicha capacidad hasta que sea necesaria.
• Flexibilidad. Un centro de datos es un poco como una planta de fabricación pesada: Los equipos se colocan en su sitio, pero puede resultar casi imposible moverlos y cambiarlos a medida que evolucionan las demandas. La incapacidad de mover los engranajes y cambiar de pasillo puede impedir que las empresas se adapten y cambien para satisfacer las nuevas demandas del negocio. El reto consiste en satisfacer las necesidades de cambio sin tiempos de inactividad ni rediseños costosos y lentos.
• Resistencia. Una empresa depende de su centro de datos. Si el centro de datos no funciona, la empresa no funciona. Las interrupciones del suministro eléctrico, las interrupciones de la red, las catástrofes medioambientales e incluso la piratería informática y otros actos malintencionados pueden acabar con un centro de datos. Los diseñadores se enfrentan al reto de comprender las amenazas más frecuentes y diseñar la resistencia adecuada para hacerles frente.
• Cambios. Siempre se están desarrollando e introduciendo nuevas tecnologías informáticas y nuevos requisitos. Los diseñadores de centros de datos deben considerar cómo adaptarse e incorporar cambios a menudo imprevisibles sin necesidad de rediseñar fundamentalmente la infraestructura informática para acomodar cada cambio.

Software y herramientas de gestión de infraestructuras de centros de datos

Los centros de datos son organismos complejos que requieren una supervisión y gestión continuas tanto de las instalaciones como de la infraestructura de TI. Los operadores de centros de datos suelen emplear herramientas DCIM para tener 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:

• Observación y supervisión. Las tareas de observación incluyen la supervisión de la energía, la temperatura y la humedad dentro de las instalaciones. La observación dentro de la infraestructura puede incluir la capacidad disponible, es decir, qué sistemas se utilizan y cuáles están libres; el estado de las aplicaciones para supervisar el correcto funcionamiento de las cargas de trabajo clave de la empresa; y el tiempo de actividad o disponibilidad general. Las tareas de observación suelen estar vinculadas a sistemas de alertas y tickets para priorizar y solucionar los problemas a medida que se detectan.
• Preparación y corrección. La gestión de centros de datos también implica tareas de preparación, como la recuperación ante desastres y los procesos de copia de seguridad, así como capacidades de migración de cargas de trabajo para permitir tareas de servicio del sistema a tiempo. Las tareas de reparación incluyen el servicio rutinario, junto con las actualizaciones periódicas del sistema y la solución de problemas y reparaciones ad hoc del sistema.
• Capacidad. La gestión de centros de datos también consiste en planificar el futuro. Las herramientas de gestión pueden supervisar la capacidad actual -es decir, los recursos utilizados frente a los libres- y ayudar a los operadores de centros de datos a realizar un seguimiento de la utilización para planificar una mayor capacidad. También ayudan a respaldar las mejoras periódicas de la capacidad del centro de datos, como las actualizaciones de sistemas, las renovaciones tecnológicas y la introducción de nuevas tecnologías de centros de datos.

La gestión es un elemento fundamental para garantizar los 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 internas o con socios comerciales y clientes externos. La supervisión 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 exhaustivas ayudan a garantizar la continuidad del negocio y la recuperación en caso de desastre, lo que puede ser vital para las obligaciones de cumplimiento normativo actuales.