數(shù)據(jù)中心技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)初探

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院 程艷娜

本文結(jié)合數(shù)據(jù)中心高速發(fā)展的環(huán)境和數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展需重點(diǎn)考慮因素闡述了數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心的預(yù)制化、模塊化、綠色化、智能化數(shù)據(jù)中心的技術(shù)發(fā)展方向。

1 數(shù)據(jù)中心面臨持續(xù)高增長(zhǎng)的發(fā)展環(huán)境

1.1 國(guó)家政策牽引數(shù)據(jù)中心投資持續(xù)加大

當(dāng)前全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命正在孕育興起,數(shù)字經(jīng)濟(jì)處于密集創(chuàng)新和高速增長(zhǎng)的階段,成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要推動(dòng)力。自2015年我國(guó)提出“國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”以來(lái),推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的政策不斷深化和落地,2017年以來(lái)“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”已經(jīng)連續(xù)四年被寫(xiě)入政府工作報(bào)告,2019年至今,國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、中央網(wǎng)信辦等部門(mén)已出臺(tái)十余項(xiàng)國(guó)家層面數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)政策[1]。

數(shù)據(jù)中心是數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的核心基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)家戰(zhàn)略資源,在2020年特殊時(shí)期,數(shù)據(jù)中心和5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等一起被列為國(guó)家“新基建”七大投資領(lǐng)域之一,數(shù)據(jù)中心迎來(lái)建設(shè)新高潮。除了傳統(tǒng)的以出租機(jī)柜為主營(yíng)業(yè)務(wù)的IDC企業(yè)和電信運(yùn)營(yíng)商,各路第三方資本亦蜂擁而入進(jìn)入數(shù)據(jù)中心行業(yè),比如以三峽為代表的電力企業(yè),以沙鋼等為代表的鋼鐵企業(yè),以萬(wàn)達(dá)等為代表的地產(chǎn)企業(yè)等。

1.2 數(shù)據(jù)流量激增為數(shù)據(jù)中心發(fā)展打開(kāi)成長(zhǎng)空間

隨著5G快速發(fā)展,線上辦公、4K/8K高清視頻高帶寬應(yīng)用場(chǎng)景的爆發(fā),以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)流量將以數(shù)十倍的量級(jí)快速增長(zhǎng)。云計(jì)算的持續(xù)深化發(fā)展,也推動(dòng)著數(shù)字化的觸角加速向產(chǎn)業(yè)端、生產(chǎn)端等維度延伸,各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程正在按下“快進(jìn)鍵”,全網(wǎng)流量高速增長(zhǎng)[2]。

數(shù)據(jù)資源日益成為關(guān)鍵生產(chǎn)要素,數(shù)據(jù)流量的猛增為數(shù)據(jù)中心發(fā)展打開(kāi)新的成長(zhǎng)空間。當(dāng)前,我國(guó)數(shù)據(jù)中心正進(jìn)入新一輪快速發(fā)展期,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型升級(jí),新一代數(shù)據(jù)中心加速布局,國(guó)家在新時(shí)期大力推進(jìn)“大數(shù)據(jù)中心新基建”,旨在通過(guò)數(shù)字化、智能化技術(shù),為智能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供底層支撐,數(shù)據(jù)中心發(fā)展勢(shì)能有望快速釋放,如圖1所示。

圖1 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量Fig.1 Mobile Internet access traffic

2 數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展需重點(diǎn)考慮因素

2.1 快速部署是贏得客戶的軟實(shí)力

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)快速爆發(fā)的特征,受席卷全球的新冠疫情的影響,遠(yuǎn)程辦公、在線直播、線上醫(yī)療等業(yè)務(wù)側(cè)數(shù)據(jù)和流量需求激增,業(yè)務(wù)發(fā)放響應(yīng)速度從以周、天為單位提升到以小時(shí)為單位計(jì)算,數(shù)據(jù)中心需要具備更快的建設(shè)速度,及時(shí)供應(yīng)短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)的租戶和業(yè)務(wù)需求。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)需要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工勘、深化設(shè)計(jì)、土建施工、設(shè)備安裝、調(diào)試驗(yàn)收、試運(yùn)行、整改等過(guò)程,總體需要20個(gè)月以上的時(shí)間,周期長(zhǎng)、過(guò)程復(fù)雜,難以匹配“云”業(yè)務(wù)的快速部署的應(yīng)用需求。在大數(shù)據(jù)時(shí)代,數(shù)據(jù)中心由支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)為生產(chǎn)系統(tǒng),對(duì)于數(shù)據(jù)中心從業(yè)者來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心快速建設(shè)、業(yè)務(wù)快速上線,是提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在,是贏得客戶的軟實(shí)力。未來(lái),數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品上市時(shí)間(TTM)將從典型水平的9～12個(gè)月降低至6個(gè)月、甚至3個(gè)月。

2.2 低碳節(jié)能是政策導(dǎo)向的硬約束

數(shù)據(jù)中心蓬勃發(fā)展的同時(shí),數(shù)據(jù)中心行業(yè)能耗問(wèn)題也再次受到社會(huì)各界廣泛關(guān)注。尤其在我國(guó)提出2030年“碳達(dá)峰”和2060年“碳中和”的宏偉目標(biāo)下,數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展問(wèn)題變得尤為迫切。2020年以來(lái),從國(guó)家到地方各層面密集出臺(tái)各種PUE相關(guān)政策,驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心向綠色節(jié)能方向發(fā)展,建設(shè)更高效節(jié)能、綠色低碳的數(shù)據(jù)中心成為主要方案,綠色清潔能源、能源高效節(jié)能技術(shù)將是數(shù)據(jù)中心能源未來(lái)的發(fā)展方向。近年來(lái),國(guó)家有關(guān)部委和地方政府紛紛出臺(tái)了數(shù)據(jù)中心建設(shè)能效標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管政策,數(shù)據(jù)中心建設(shè)也進(jìn)入了能效強(qiáng)監(jiān)管時(shí)代,PUE將是數(shù)據(jù)中心建設(shè)的硬約束[3]。

2.3 降本增效是投資運(yùn)營(yíng)方的核心訴求

各路資本殺入數(shù)據(jù)中心這一新基建,最終目的還是希望投資能夠獲得好的收益,因此降低建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本是投資方的核心訴求。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)一般要將機(jī)樓以及配電、暖通等基礎(chǔ)設(shè)施一步到位,初期建設(shè)投資大,資金利用率低,投資回報(bào)慢。新一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)需要?jiǎng)?chuàng)新建設(shè)模式,實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)投資、滾動(dòng)建設(shè),降低初期投資壓力,因此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的靈活部署、按需擴(kuò)容將是發(fā)展方向。解決方案是數(shù)據(jù)中心采用全模塊化的架構(gòu),如模塊化UPS、模塊化鋰電、模塊化配電等。能耗成本是數(shù)據(jù)中心最大的運(yùn)營(yíng)成本,降低運(yùn)營(yíng)成本的關(guān)鍵是降低能耗,低PUE不僅是政府的強(qiáng)制要求,也是數(shù)據(jù)中心從業(yè)者的自身需要。此外實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的自動(dòng)化和智能化、提高運(yùn)維效率也是降低運(yùn)維成本的重要方向。

3 數(shù)據(jù)中心技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

從上面的分析可看到,低碳節(jié)能、快速部署、低成本建設(shè)運(yùn)營(yíng)是未來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的核心訴求,而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)營(yíng)往往面臨建設(shè)周期長(zhǎng)、能耗高、運(yùn)維效率低等挑戰(zhàn)。我們認(rèn)為,數(shù)據(jù)中心的預(yù)制化、模塊化、綠色化、智能化是解決上述問(wèn)題的有效手段,是未來(lái)數(shù)據(jù)中心的技術(shù)發(fā)展方向。

(1)數(shù)據(jù)中心級(jí)架構(gòu)極簡(jiǎn)將成為主流,預(yù)制化、模塊化逐漸從數(shù)據(jù)中心的弱電設(shè)備、環(huán)境設(shè)備向整個(gè)數(shù)據(jù)中心延伸。(2)數(shù)據(jù)中心高效和節(jié)能將成為主流,供電系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化和傳遞效率將進(jìn)一步提升,制冷系統(tǒng)將充分利用自然冷源給數(shù)據(jù)中心降溫。(3)在AI等技術(shù)加持下,數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)將變得更加智能,提升運(yùn)維效率[4]。

3.1 數(shù)據(jù)中心級(jí)架構(gòu)極簡(jiǎn)將成為主流

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)采用攢機(jī)模式,不僅建設(shè)周期長(zhǎng),初期投資成本大,而且各個(gè)子系統(tǒng)之間孤立,規(guī)劃和建設(shè)分離,拼湊式建設(shè)模式給后期運(yùn)維管理也帶來(lái)極大的難度。為應(yīng)對(duì)此弊端,數(shù)據(jù)中心級(jí)架構(gòu)極簡(jiǎn)將成為主流,模塊化逐漸從數(shù)據(jù)中心的弱電設(shè)備、環(huán)境設(shè)備向整個(gè)數(shù)據(jù)中心延伸,從模塊化UPS、模塊化溫控、模塊化母線等數(shù)據(jù)中心部件到電力/水力模塊、微模塊、IT模塊等模塊化解決方案再到一層一DC等模塊化數(shù)據(jù)中心。隨著用戶對(duì)于數(shù)據(jù)中心彈性建設(shè)、快速交付的要求愈發(fā)高,以及對(duì)邊緣數(shù)據(jù)中心的快速增加,微模塊數(shù)據(jù)中心、模塊化UPS、模塊化溫控等模塊化產(chǎn)品將迎來(lái)海量的增長(zhǎng)新機(jī)遇。在預(yù)制化、全模塊化設(shè)計(jì)下,將各個(gè)子系統(tǒng)預(yù)集成在模塊內(nèi),在工廠進(jìn)行預(yù)制組裝,標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)流程,各個(gè)模塊品質(zhì)如一,多系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì),并且在出廠前完成全系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試,確保高質(zhì)量和高可靠性。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)只需完成極簡(jiǎn)施工,可大大降低現(xiàn)場(chǎng)管理難度及施工風(fēng)險(xiǎn),有效提升數(shù)據(jù)中心可靠性。整體而言,架構(gòu)極簡(jiǎn)的數(shù)據(jù)中心具備快速部署、彈性擴(kuò)容、運(yùn)維簡(jiǎn)單、高效節(jié)能等優(yōu)勢(shì)。

3.2 供電系統(tǒng)融合極簡(jiǎn),走向預(yù)制化、模塊化和鋰電化

數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)供電系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)采用分散部件集成的方式,導(dǎo)致不同設(shè)備分屬不同廠家、不同品牌,存在系統(tǒng)部署周期長(zhǎng)且復(fù)雜、運(yùn)維難等問(wèn)題。未來(lái),各系統(tǒng)將持續(xù)向一體化全鏈路融合演進(jìn),UPS、溫控、母線等將向產(chǎn)品化、模塊化方向發(fā)展。以建設(shè)1500柜的數(shù)據(jù)中心為例,采用分散采購(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)集成的傳統(tǒng)并機(jī)供電方案,交付時(shí)間需2個(gè)月,面臨設(shè)備雜、占地大、效率低等問(wèn)題,而采用工廠預(yù)制、全鏈融合的電力模塊方案,實(shí)現(xiàn)一站式交付,2周即可交付,省時(shí)75%,減少占地面積40%。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)采用鉛酸電池,應(yīng)用瓶頸日趨嚴(yán)重,存在系統(tǒng)割裂且復(fù)雜、占地面積大、維護(hù)成本高等問(wèn)題,隨著鋰電池成本持續(xù)下降,鋰電將在數(shù)據(jù)中心得到規(guī)模應(yīng)用,數(shù)據(jù)中心供配電逐漸走向全面鋰電化。鋰電池生命周期是鉛酸電池的兩倍,十年生命周期內(nèi)無(wú)需更換,短時(shí)大倍率放電能力強(qiáng),適合大電流短時(shí)備電,能量密度高,約為鉛酸電池的3倍,可節(jié)省占地面積70%,承重要求低,支持模塊入列,無(wú)需考慮專(zhuān)業(yè)電池間,實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的高密化和模塊化。

3.3 制冷系統(tǒng)風(fēng)進(jìn)水退,傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)將被逐步替代

冷凍水系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜,需經(jīng)過(guò)7大部件(冷水機(jī)組、冷卻塔、蓄冷罐、溫控末端、水泵、板換、管理系統(tǒng))的4次換熱過(guò)程,工程性強(qiáng)、周期長(zhǎng),運(yùn)維復(fù)雜,不利于快速部署,適應(yīng)不了未來(lái)不確定的IT業(yè)務(wù)需求。同時(shí)在低碳節(jié)能政策導(dǎo)向下,傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)能耗高,耗水量大,將逐步被少水甚至無(wú)水的溫控系統(tǒng)所替代[5]。

最大化利用自然冷源,間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)將成為致冷系統(tǒng)的主流。模塊化架構(gòu)的間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)采用一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì),一箱一系統(tǒng),可縮短部署時(shí)間、降低運(yùn)維難度,同時(shí)充分利用自然冷卻資源,由4次換熱過(guò)程簡(jiǎn)化為1次,同時(shí)采用AI調(diào)優(yōu),大幅降低溫控系統(tǒng)的電力消耗,減少耗水,進(jìn)一步降低PUE和WUE,在氣候適宜區(qū)域?qū)⒊芍髁鳌?/p>

3.4 管理系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化,數(shù)字化技術(shù)普遍應(yīng)用

依托人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù),以及即時(shí)通信技術(shù)(5G、PLC、IoT)等技術(shù)的迅速發(fā)展,為應(yīng)用系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)打造了堅(jiān)實(shí)的數(shù)字化底座。數(shù)據(jù)中心將實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)以及微模塊的自我檢測(cè)、自我診斷,設(shè)置系統(tǒng)級(jí)、機(jī)房級(jí)、DC級(jí)等多類(lèi)型可視分析窗口,通過(guò)配電/制冷鏈路可視、設(shè)備故障影響分析、3D可視化、溫度云圖、AI遠(yuǎn)程巡檢、機(jī)器人近端巡檢、移動(dòng)App等保障數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施安全,大幅度縮短故障修復(fù)時(shí)間、減少人工巡檢工作內(nèi)容、提高設(shè)備修復(fù)率。

隨著IOT、AI技術(shù)的不斷完善和普遍應(yīng)用,重復(fù)勞動(dòng)、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和商業(yè)決策將被逐漸替代,數(shù)據(jù)中心將逐步實(shí)現(xiàn)由運(yùn)維、節(jié)能、運(yùn)營(yíng)等單域的智能化,向規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維、優(yōu)化的全生命周期數(shù)字化和自動(dòng)駕駛演進(jìn)[6]。

AI能效優(yōu)化:利用AI動(dòng)態(tài)建模技術(shù),建立能耗與IT負(fù)載、氣候條件、設(shè)備運(yùn)行數(shù)量等的機(jī)器學(xué)習(xí)模型,可在保障設(shè)備、系統(tǒng)可靠的基礎(chǔ)上,實(shí)時(shí)診斷各個(gè)子系統(tǒng)的能耗,準(zhǔn)確推理和配置出數(shù)據(jù)中心最優(yōu)控制邏輯,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù),降低數(shù)據(jù)中心PUE。

無(wú)人運(yùn)維:傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心運(yùn)維主要依賴于人工,運(yùn)維效率低下,巡檢多為被動(dòng)響應(yīng),質(zhì)量不可控。未來(lái)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施將逐步實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的自動(dòng)駕駛。一方面,通過(guò)數(shù)字化技術(shù),可實(shí)現(xiàn)7×24不間斷巡檢,大大提升運(yùn)維效率,降低對(duì)運(yùn)維人員的技能要求與依賴程度。另一方面,依托聲音識(shí)別、圖像識(shí)別、智能傳感器、機(jī)器人等,將極大提升數(shù)據(jù)中心無(wú)人巡檢準(zhǔn)確度,變被動(dòng)告警為預(yù)測(cè)性維護(hù),最大程度降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)和成本。提升資源使用率和運(yùn)營(yíng)收益,提升數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)管理水平。

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心面臨持續(xù)高增長(zhǎng)的發(fā)展環(huán)境,將沿著快速部署、低碳節(jié)能、降本增效這三條發(fā)展主線不斷演進(jìn)。基于三個(gè)演進(jìn)方向,數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式將從攢機(jī)式、拼湊式逐漸演進(jìn)為預(yù)制化、全模塊化,從而具備快速部署、彈性擴(kuò)容、運(yùn)維簡(jiǎn)單、高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。模塊化后,供電系統(tǒng)將走向融合極簡(jiǎn),架構(gòu)走向預(yù)制化、模塊化。通過(guò)鋰進(jìn)鉛退,實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)高密化和模塊化。制冷系統(tǒng)風(fēng)進(jìn)水退,最大化利用自然冷源,間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)將成主流。管理系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)普遍應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心全生命周期,并實(shí)現(xiàn)智能化。

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