數據中心（Data Center）是現代資訊技術基礎設施的核心，承載著大量關鍵業務和資料處理任務。為了確保數據中心的可靠性和可用性，業界引入了「Uptime Institute」制定的數據中心等級（Tier）分類系統。該系統將數據中心劃分為四個等級，從Tier I到Tier IV，分別代表不同的基礎設施性能和可用性水平。本文將深入探討這四個等級的特性、設計要求、適用場景，以及在實際應用中的考量，為讀者提供全面的理解和指導。
什麼是「正常運行時間」(Uptime)
正常運行時間基本上意味著“可用性”，是數據中心運營最關鍵的方面，因為它指的是設施的可靠性和保持數據中心可用和在線時間的能力，能夠在不停機或中斷的情況下為客戶提供服務。
高水準的「正常運行時間」或「可用性」對於確保我們的手機、電腦和連接設備通過雲和網路（包括網際網路、軟體程式、電子郵件、工作檔、金融交易、電子商務、位置、文本和電話等）提供服務至關重要。
數據中心等級概述
數據中心等級系統由 Uptime Institute 於 1990 年代引入，旨在為數據中心的設計、建設和運營提供統一的標準。該系統主要關注數據中心的基礎設施，包括電力、冷卻、網路等方面，以評估其在計劃內和非計劃內事件中的性能和可用性。每個等級都有明確的設計標準和性能指標，確保數據中心能夠滿足特定的業務需求。
Tier I：基本容量 (Basic Capacity)
特性：
- 單一設備和單一路徑：沒有冗餘設備，所有設備通過單一路徑供電和冷卻。
- 單點故障容易出現停機風險：對於設備故障或維護，需要完全關閉系統，無法在不中斷業務的情況下進行維護。
- 可用性：99.671%，每年預計停機時間約 28.8 小時。
適用場景：
適合小型企業或非關鍵業務應用，對可用性要求不高，且預算有限的情況。
設計要求：
- 不斷電系統（UPS）：提供基礎的電力保護，應對短暫的電力中斷。
- 備用發電機：應對較長時間的電力中斷，確保關鍵設備的持續運行。
- 基礎冷卻設備：確保設備在適當的溫度範圍內運行，避免過熱。
考量：
- 維護挑戰：由於缺乏冗餘，任何設備的維護都需要停機，對業務連續性造成影響。
- 風險管理：需要制定詳細的計劃，以應對可能的設備故障和停機風險。
認證的要求
雖然在等級評等中屬於最低等級，但仍需符合一些期望才能獲得證書：
- 足夠的容量 – 系統內有足夠的容量來滿足系統的要求。
- 不斷電系統 (UPS) – 可應付電力驟降，停電和尖峰電力，維持資料中心和伺服器的整體服務。
- IT 系統專用區域 – 因此無須將伺服器安裝在辦公室的角落、
- 專用冷卻設備 – 可在辦公室時間以外運作，因此不會受到時間和辦公室使用者干擾的影響、
- 補給水 – 在使用蒸發冷卻的情況下，補給水應該有 12 小時的現場儲存設施以備不時之需。
- 發電機 – 用於停電，至少有 12 小時的燃料備份。Uptime 也指出可以使用「燃料電池」。
Tier II：冗餘容量元件 (Redundant Site Infrastructure)
特性：
- 部分冗餘設備：關鍵設備如 UPS、冷卻系統等具有 N+1 的冗餘配置，減少單點故障的風險。
- 單一路徑：雖然設備有冗餘，但供電和冷卻的分配路徑仍為單一路徑。
- 可用性：99.741%，每年預計停機時間約 22 小時。
適用場景：
適合中小型企業，對可用性有一定要求，但預算有限的情況。
設計要求：
- 冗餘設備：關鍵設備如 UPS、發電機、冷卻系統等需要配置 N+1 的冗餘。
- 維護計劃：需要制定計劃，以在不中斷業務的情況下進行部分設備的維護。
考量：
- 維護影響：雖然設備有冗餘，但由於單一路徑的限制，某些維護操作仍可能需要停機。
- 成本效益：在可用性和成本之間取得平衡，確保投資符合業務需求。
認證的要求
第 2 級數據中心在設計、安裝和維護時，至少應包括下列項目：
- 可將元件從服務中移除 – 當透過計劃中的維護或作業問題需要時，可將元件從服務中移除，而不會對其所服務的關鍵環境造成影響。透過在部分設計中導入備援功能來達成。
- 單一非冗餘配線路徑 – 為了維護或運作而從服務中移除配線路徑時，通常需要關閉其所服務的關鍵環境。
- 不斷電系統 (UPS) – 電力驟降、中斷和尖峰時，可維持數據中心和伺服器的整體服務，並允許進行一些維護，而不會影響數據中心的運作。
- 備援 UPS 容量 [N+1] – 允許一些運作故障和維護，而不影響數據中心的運作。
- IT 系統專用區域 – 因此無需將伺服器安裝在辦公室的角落。
- 專用的冷卻設備 – 可以在辦公室以外的時間運轉，因此不會受到時間和辦公室使用者干擾的影響。
- 備援冷卻能力 [N+1] – 允許一些運作故障和維護，而不會影響數據中心的運作。
- 備援熱回收容量 [N+1] – 允許某些操作故障和維護，而不影響數據中心的運作。
- 備援泵浦容量 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不影響數據中心作業。
- 備援冷卻裝置容量 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不會對數據中心作業造成影響。
- 備援冷卻器控制能力 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不影響數據中心作業。
- 補給水 – 在使用蒸發冷卻的情況下，補給水應該有 12 小時的現場儲存設施以供備用。
- 發電機 – 用於停電，在正常運作時至少有 12 小時的燃料備份。Uptime 也指出可以使用「燃料電池」。
- 備援發電機容量 [N+1] – 允許一些運作故障和維護，但不會影響數據中心的運作。
- 備援發電機燃料系統容量 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不會對數據中心作業造成影響。
Tier III：可同時維護 (Concurrently Maintainable)
特性：
- 多重分配路徑：供電和冷卻系統具有多條獨立的分配路徑，確保任一條路徑的維護不影響業務運行。
- 完全冗餘：所有關鍵設備和系統均具備 N+1 或更高的冗餘配置。
- 可用性：99.982%，每年預計停機時間約 1.6 小時。
適用場景：
適合大型企業和關鍵業務應用，需要高可用性和業務連續性的環境。
設計要求：
- 並行維護能力：系統設計需支持在不中斷業務的情況下進行任何設備的維護和更換。
- 多路徑設計：供電和冷卻系統需具備多條獨立且冗餘的路徑，確保單一路徑故障不影響整體運行。
考量：
- 成本增加：由於需要多重冗餘和路徑設計，建設和運營成本相對較高。
- 複雜性：系統設計和管理的複雜性增加，需要專業的運維團隊。
認證的要求
第 3 級數據中心在設計、安裝和維護時，至少應包括下列項目：
- 可從服務中移除的元件 – 為 IT 關鍵區域提供容量的每個元件都可以從服務中移除，而不會對其所服務的環境造成任何影響。
- 可同時進行維護 – 為 IT 關鍵領域提供容量的每個元件都可以從服務中移除，而不會對其所服務的環境造成任何影響。
- 足夠的容量 – 當任何元件從服務中移除時，都能為關鍵環境提供足夠的容量。
- 備援配電路徑 – 因維護或運作需要將配電路徑從服務中移除時，不需要關閉其所服務的關鍵環境；這包括閥門安排。
- 關鍵 IT 設備雙重供電 – IT 設備必須雙重供電，以確保在停電時零中斷。可使用轉換開關 [STS/ATS]、
- 不斷電系統 (UPS) – 電力驟降、中斷和尖峰時，可維持數據中心和伺服器的整體服務，並允許進行一些維護，而不會影響數據中心的運作、
- 備援 UPS 容量 [N+1] – 允許一些運作故障和維護，而不影響數據中心的運作、
- IT 系統專用區域 – 因此無需將伺服器安裝在辦公室的角落、
- 專用的冷卻設備 – 可以在辦公室以外的時間運轉，因此不會受到時間和辦公室使用者干擾的影響、
- 備援冷卻能力 [N+1] – 允許某些運作故障和維護，而不會影響數據中心的運作、
- 備援熱回收容量 [N+1] – 允許某些操作故障和維護，而不影響數據中心的運作、
- 備援泵浦容量 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不影響數據中心作業、
- 備援冷卻裝置容量 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不會對數據中心作業造成影響、
- 備援冷卻器控制能力 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不影響數據中心作業、
- 補給水 – 在使用蒸發冷卻的情況下，補給水應該有 12 小時的現場儲存設施以供備用、
- 補給水 – 系統應可同時進行維護、
- 發電機 – 用於停電，在正常運作期間至少有 12 小時的燃料備份。Uptime 也指出可以使用「燃料電池」、
- 發電機 – 額定為連續使用、
- 備援發電機容量 [N+1] – 允許一些運作故障和維護，而不會影響數據中心的運作、
- 發電機可同時進行維護 – 符合所有要求，並經過測試證明、
- 備援發電機燃料系統容量 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不影響數據中心作業、
Tier IV：容錯基礎設施 (Fault-Tolerant Infrastructure)
特性：
- 完全冗餘的系統：擁有多個獨立且物理隔離的電力和冷卻系統，確保即使一個系統發生故障，其他系統仍能維持資料中心的正常運作。
- 容錯能力：能夠承受單一設備故障或分配路徑中斷，且不影響 IT 設備的運行。
- 持續冷卻：即使在維護或故障期間，冷卻系統仍能保持運行，確保環境穩定。
- 可用性：99.995%，每年預計停機時間約 0.4 小時。
適用場景：
適合對業務連續性要求極高的企業，如金融機構、醫療系統、政府部門和大型電子商務平台等，這些組織無法容忍任何停機時間。
設計要求：
- 2N+1 冗餘配置：所有關鍵設備和系統均需具備雙倍冗餘（2N），外加一個備用（+1），以確保在多重故障情況下仍能正常運行。
- 物理隔離的系統：電力和冷卻系統需完全獨立且物理隔離，防止單一事件影響多個系統。
- 持續維護能力：設計需支持在不中斷業務的情況下進行任何設備的維護、測試和更換。
考量：
- 高成本：由於需要實現最高級別的冗餘和容錯能力，建設和運營成本極高。
- 複雜的管理：系統的設計和運營極為複雜，需要高度專業化的團隊進行管理和維護。
- 業務需求評估：在投資建設 Tier IV 數據中心前，需仔細評估業務對高可用性的需求，確保投資與業務目標相匹配。
認證的要求
第 4 級數據中心在設計、安裝和維護過程中，至少應包含下列內容：
- 任何故障 – 任何潛在故障都必須被偵測、隔離和控制，同時維持對關鍵負載的「N」容量、
- 單一故障 – 任何元件、配電路徑或系統的故障都不會影響設施的運作。這包括閥門安排等。
- 基礎設施「控制」運作 – 發生故障時，將針對任何故障提供自主反應，不會對關鍵系統造成影響、
- 分隔 – 互補的系統和分配路徑應實體隔離。例如，這意味著為雙盤管 CRAH 服務的獨立冷凍水系統。
- 可停用的元件 – 提供 IT 關鍵區域容量的每個元件都可以停用，而不會對其服務的環境造成任何影響、
- 可同時進行維護 – 為 IT 關鍵區域提供容量的每個元件都可以從服務中移除，而不會對其所服務的環境造成任何影響、
- 足夠的容量 – 當任何元件從服務中移除時，都能為關鍵環境提供足夠的容量、
- 備援配線路徑 – 因維護或運作需要而從服務中移除配線路徑時，不需要關閉其所服務的關鍵環境、
- 關鍵 IT 設備採用雙重供電 – IT 設備要採用雙重供電，以確保在電源故障期間零中斷。可使用轉換開關 [STS/ATS]、
- 不斷電系統 (UPS) – 電力驟降、中斷和尖峰時，可維持資料中心和伺服器的整體服務，並允許進行一些維護，而不會影響數據中心的運作、
- 備援 UPS 容量 [N+1] – 允許一些運作故障和維護，而不影響數據中心的運作、
- IT 系統專用區域 – 因此無需將伺服器安裝在辦公室的角落、
- 專用的冷卻設備 – 能夠在非辦公時間運作，因此不會受到時間和辦公室使用者干擾的影響、
- 備援冷卻能力 [N+1] – 允許一些運作故障和維護，而不會影響數據中心的運作、
- 備援熱回收容量 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不會對數據中心作業造成影響、
- 備援泵浦容量 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不影響數據中心作業、
- 備援冷卻裝置容量 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不會對數據中心作業造成影響、
- 備援冷卻器控制能力 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不影響數據中心作業、
- 補給水 – 在使用蒸發冷卻的情況下，補給水應該有 12 小時的現場儲存設施以供備用、
- 補給水 – 系統應可同時進行維護、
- 發電機 – 用於停電，在正常運作期間至少有 12 小時的燃料備份。Uptime 也指出可以使用「燃料電池」、
- 發電機 – 應能連續使用、
- 備援發電機容量 [N+1] – 允許一些運作故障和維護，而不會影響數據中心的運作、
- 發電機可同時進行維護 – 符合所有要求，並經過測試證明、
- 備援發電機燃料系統容量 [N+1] – 允許某些作業故障和維護，但不影響數據中心作業、
四個層級的整理
我們試著用一個總表來總結四個層級的差異
| Details | Tier I [1] | Tier II [2] | Tier III [3] | Tier IV [4] |
| Basic Capacity | Redundant Site Infrastructure | Concurrently Maintainable | Fault Tolerant | |
| Active components supporting the IT Load | Normal | Normal+1 | Normal+1 | Normal After any failure |
| Generator System | Primary Power Source vs Utility | Primary Power Source vs Utility | Primary Power Source vs Utility | Primary Power Source vs Utility |
| Electrical Distribution Paths | 1 | 1 | 1 Active 1 Alternate | 2 Active at same time |
| Cooling Distribution Paths | 1 | 1 | 1 Active 1 Alternate | 2 Active at same time |
| IT Equipment Power Paths | 1 | 1 | 1 Active 1 Alternate | 2 Active at same time |
| Concurrently Maintainable | No | No | Yes | Yes |
| Fault Tolerant | No | No | No | Yes |
| Compartmentalization | No | No | No | Yes |
| Dedicated IT Area | Yes | Yes | Yes | Yes |
| Dedicated Cooling Equipment | Yes | Yes | Yes | Yes |
| Sufficient IT capacity when a critical component is removed from service | No | Yes | Yes | Yes |
| UPS Systems | Normal | Normal+1 | Normal+1 | Normal After any failure |
| Make-up Water | Normal [12 hours storage] | Normal [12 hours storage] | Normal+1 [12 hours storage] | Normal After any failure [12 hours storage] |
| Engine Generator Rating | Prime | Prime | Continuous | Continuous |
| Engine Generator/Fuel Cell | Normal [12 hours storage] | Normal [12 hours storage] | Normal+1 [12 hours storage] | Normal After any failure [12 hours storage] |
資料中心等級的選擇與實施
在選擇適合的數據中心等級時，企業需綜合考量以下因素：
- 業務需求：評估業務對可用性和可靠性的要求，確定能夠容忍的停機時間。
- 預算限制：不同等級的數據中心建設和運營成本差異巨大，需確保選擇的等級在預算可承受範圍內。
- 風險評估：分析可能面臨的風險，如自然災害、電力中斷等，並選擇能夠有效應對這些風險的數據中心等級。
- 未來擴展性：考慮未來業務增長，確保數據中心具備相應的擴展能力。
在實施過程中，建議遵循以下步驟：
- 需求分析：明確業務對數據中心的需求，包括性能、可用性、擴展性等方面。
- 選擇等級：根據需求和預算，選擇適合的數據中心等級。
- 設計與規劃：按照選定的等級標準，進行詳細的設計和規劃，確保滿足相應的技術要求。
- 建設與測試：在建設過程中，嚴格按照設計方案執行，並在完工後進行全面測試，確保系統達到預期性能。
- 運營與維護：建立完善的運營和維護機制，確保數據中心持續穩定運行。
選擇適當的數據中心等級對於確保業務連續性和資料安全至關重要。企業應根據自身需求、預算和風險評估結果，謹慎決策，確保數據中心的設計和運營能夠支撐業務的長期發展。
誰會使用數據中心層級系統
- 希望建立新設施的數據中心擁有者，
- 正在考慮擴建現有設施的數據中心擁有者，
- 尋求對現有設施進行評估的數據中心運營商，
- 數據中心客戶（例如使用第三方數據中心/主機託管空間的公司）必須完成盡職調查等。
