1.1.1 數(shù)據(jù)中心是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的底層基礎(chǔ)設(shè)施 數(shù)據(jù)中心作為信息基礎(chǔ)設(shè)施,其建設(shè)的規(guī)模、質(zhì)量將直接決定當(dāng)前數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度與高度,數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲能力是國家未來競爭力的集中體現(xiàn)。作為算力和存儲力基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,數(shù)據(jù)中心是促進(jìn)5G、人工智能、云計(jì)算等新一代數(shù)字技術(shù)發(fā)展的數(shù)據(jù)中樞和算力載體,對于數(shù)字經(jīng)濟(jì)增長具有重要助推作用。可以說,數(shù)據(jù)中心是推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施和重要保障,是推動我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級的重要抓手,是構(gòu)建智慧城市核心競爭力的重要載體。2020年3月4日,中央政治局常務(wù)委員會召開會議,明確指出“加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度”。近年來,數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)規(guī)模高速增長,近5年年均增速超過30%。截至2020年底,我國在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模達(dá)到400+萬架。
1.1.2 數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排對碳減排的貢獻(xiàn)突出 我國二氧化碳的排放量位居世界第二,給環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展帶來較大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心作為互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施之一,其機(jī)柜數(shù)量多、功率大,需要耗費(fèi)大量的能源用于維持?jǐn)?shù)據(jù)中心運(yùn)作,是公認(rèn)的高能耗行業(yè),主要以消耗電力資源為主。過去十年間,我國數(shù)據(jù)中心整體用電量以每年超過10%的速度遞增,2020年用電量突破2,000億千瓦時(shí),占全社會用電總量的比重約為2.7%,數(shù)據(jù)中心的高能耗不僅給企業(yè)帶來沉重負(fù)擔(dān),也給全社會能源供應(yīng)帶來巨大壓力。因此,數(shù)據(jù)中心行業(yè)積極踐行碳中和,向綠色化方向發(fā)展成為大勢所趨。根據(jù)IDC預(yù)測,2025年中國數(shù)據(jù)中心耗電量將達(dá)到3,842.2億千瓦時(shí),按照有關(guān)測算,1千瓦時(shí)耗電將產(chǎn)生0.86公斤二氧化碳,折算二氧化碳排放約33042.92萬噸二氧化碳。因此數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展對碳減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有較大現(xiàn)實(shí)意義。
1.1.3 現(xiàn)有數(shù)據(jù)存儲的能耗高,而藍(lán)光存儲技術(shù)節(jié)能效果明顯 按照國家對數(shù)據(jù)中心低PUE的高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)要求,從數(shù)據(jù)中心IT設(shè)施的能耗占比角度看,存儲設(shè)施的占比大約在35%,成為雙碳目標(biāo)達(dá)成的主要矛盾之一。數(shù)據(jù)存儲有83%的能耗來自于存儲介質(zhì),目前存儲介質(zhì)主要包括機(jī)械磁盤、固態(tài)硬盤、藍(lán)光光盤和磁帶等存儲介質(zhì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國內(nèi)市場中磁盤和閃存盤的市場占有率約為80%左右,磁帶占15%,光盤及其他存儲設(shè)備約占5%。
在能耗方面,全負(fù)荷情況下,固態(tài)硬盤功耗基本小于3W,而磁盤功耗基本大于6W,藍(lán)光光盤為0.13W。靜態(tài)無負(fù)荷情況下,固態(tài)硬盤的功耗約0.05~1.3W,但是機(jī)械磁盤功耗基本大于4W,藍(lán)光光盤為0W??梢?,機(jī)械硬盤的能耗大于固態(tài)硬盤而藍(lán)光光盤最小。在相同容量下,藍(lán)光光盤相比機(jī)械硬盤的能耗降低94.72%,空間占用節(jié)省60%以上。
藍(lán)光存儲技術(shù)能夠大幅降低數(shù)據(jù)存儲的總耗電量,同時(shí)可達(dá)到節(jié)電、節(jié)地、節(jié)碳減排的良好綠色節(jié)能效果。
1.2.1 我國數(shù)據(jù)中心能效水平現(xiàn)狀我國數(shù)據(jù)中心行業(yè)發(fā)展較晚,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相對滯后,中國的數(shù)據(jù)中心能耗總量也高速增長,明顯高于世界的平均水平,一方面是因?yàn)橹袊臄?shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模增速較快,另一方面中國的數(shù)據(jù)中心存在較大的節(jié)能潛力。根據(jù)2019年工業(yè)和信息化部在《全國數(shù)據(jù)中心應(yīng)用發(fā)展指引(2018)》中公布的數(shù)據(jù):2018年,全國超大型數(shù)據(jù)中心平均PUE為1.63,大型數(shù)據(jù)中心平均PUE為1.54,其中2013年后投產(chǎn)的大型、超大型數(shù)據(jù)中心平均PUE低于1.50。全國規(guī)劃在建數(shù)據(jù)中心平均設(shè)計(jì)PUE為1.50左右,超大型、大型數(shù)據(jù)中心平均設(shè)計(jì)PUE分別為1.41和1.48。
工信部等三部委開展“國家綠色數(shù)據(jù)中心”遴選工作,國內(nèi)數(shù)據(jù)中心不斷創(chuàng)新綠色節(jié)能新應(yīng)用,新建大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的電能能效設(shè)計(jì)值已經(jīng)有所降低,但整體與國際平均水平相比還具有一定的提升空間。
1.2.2 國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心存儲技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r和趨勢 數(shù)據(jù)中心總體耗電較高,根據(jù)2020年初《Science》刊登的文章《重新校準(zhǔn)全球數(shù)據(jù)中心能耗估算》,2018年全球數(shù)據(jù)中心總耗電達(dá)到205TWh,占當(dāng)年度全球總用電量的1%。2015年我國數(shù)據(jù)的存儲量為0.6ZB,不足數(shù)據(jù)產(chǎn)生總量的五分之一卻消耗了345億度電,若將當(dāng)年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)全部存下來,則需要1890億度電,占當(dāng)年全社會用電能耗的3.4%。
海量數(shù)據(jù)如何安全可靠、長期低成本低能耗存儲,為大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)中心節(jié)能提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前數(shù)據(jù)中心的主流數(shù)據(jù)存儲還是采用的磁存儲,因此會消耗大量的電能。根據(jù)二八定律,80%的數(shù)據(jù)是冷數(shù)據(jù),如果能夠長期低成本、安全可靠地解決冷數(shù)據(jù)存儲問題,大數(shù)據(jù)存儲問題就可以得到解決。藍(lán)光存儲是目前最有效的數(shù)據(jù)長期歸檔存儲方式,磁帶與藍(lán)光光盤作為離線儲存介質(zhì),不需實(shí)時(shí)加電保存,因此能耗相對較低。實(shí)驗(yàn)表明,光學(xué)儲存的二氧化碳的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他類別的儲存介質(zhì)。
1.3.1 符合國家產(chǎn)業(yè)政策2020年2月,中央全面深化改革委員會第十二次會議提出:“統(tǒng)籌存量和增量、傳統(tǒng)和新型基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展,打造集約高效、經(jīng)濟(jì)適用、智能綠色、安全可靠的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系?!?/p>
2020年3 月,中央政治常務(wù)委員會會議提出“加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度。”
2019年,工信部聯(lián)合國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國家能源局發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》,提出到2022年,數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達(dá)到國際先進(jìn)水平,水資源利用效率和清潔能源應(yīng)用比例大幅提升。
1.3.2 符合國家“碳達(dá)峰、碳中和”規(guī)劃和遠(yuǎn)景目標(biāo)的要求2021年全國兩會“,碳達(dá)峰、碳中和”首次被列入政府工作報(bào)告,節(jié)能環(huán)保成為社會關(guān)注焦點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心亟需順應(yīng)這一發(fā)展趨勢,降低碳排放,逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心“碳中和”目標(biāo)。在全球碳排放總量中,信息通信技術(shù)設(shè)備的貢獻(xiàn)在2040年將達(dá)14%,達(dá)到交通運(yùn)輸碳排放的一半以上,數(shù)據(jù)中心的能耗占其中的很大一部分。多方測算表明,節(jié)能和提高能效對我國實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰目標(biāo)貢獻(xiàn)率70%以上。
超大容量藍(lán)光和光磁電一體化智能存儲系統(tǒng)由500G藍(lán)光光盤庫和光磁電一體化智能存儲系統(tǒng)組成。采用基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的跨模態(tài)認(rèn)知技術(shù),實(shí)現(xiàn)超高清視頻的分層分級存儲智能節(jié)能和高效調(diào)度。該系統(tǒng)具有大容量、長壽命、綠色、低成本、安全的特點(diǎn)。
目前國內(nèi)單張光盤最大容量為500G,該光盤庫采用無機(jī)相變材料,其雙面AD-R碟片依據(jù)國際檔案級WORM盤片標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn),多達(dá)6個(gè)記錄層。線密度為47.9nm/bit,區(qū)別于自身國內(nèi)獨(dú)家生產(chǎn)的300GB光盤的79.8nm/bit,實(shí)現(xiàn)容量的提升,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)柜容量可達(dá)3.192PB。
500GB藍(lán)光光盤采用了平面-溝槽記錄技術(shù)和串?dāng)_消除技術(shù),最大限度地提高了每一層的記錄容量。這意味著徑向記錄密度比原藍(lán)光光盤提高了40%,單張光盤容量達(dá)到500G。采用基于邏輯格式的新缺陷管理系統(tǒng),以克服伺服誤差信號串?dāng)_問題,最終實(shí)現(xiàn)窄軌距的目的。(圖1)
圖1 平面-溝槽記錄技術(shù)
該光盤可在常溫常濕的條件下存儲數(shù)據(jù)50-100年,無需數(shù)據(jù)遷移,與磁盤存儲相比總體成本(TCO)降低95%。在節(jié)能方面,與傳統(tǒng)熱磁存儲技術(shù)相比,該光盤庫具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,藍(lán)光光盤存儲方式,不需要實(shí)時(shí)加載大功率電源,對保存環(huán)境無特殊要求,綜合能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于磁盤存儲,相比相同容量的磁盤存儲能耗降低94.72%。且具有防黑客、抗電磁干擾、無輻射等功能特性,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)長期、安全、可靠存儲。
該系統(tǒng)利用分布式存儲架構(gòu),融合NVMe、SSD、HDD和藍(lán)光等存儲介質(zhì)的優(yōu)勢,為用戶提供高效、安全、穩(wěn)定、低成本的全介質(zhì)、分層分級數(shù)據(jù)存儲服務(wù),保證數(shù)據(jù)安全的同時(shí),節(jié)約用戶成本。
系統(tǒng)利用藍(lán)光光盤大容量、長效安全特性,基于光磁電融合自動分層分級存儲技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的彈性、按需存儲,有效降低存儲成本,滿足全介質(zhì)、全場景海量數(shù)據(jù)的高效智能化存儲需求。相比同行業(yè)的分層存儲基本只考慮數(shù)據(jù)的訪問頻率、訪問時(shí)間等表面特征,超級智能存儲系統(tǒng)提出的策略關(guān)注數(shù)據(jù)更本質(zhì)的固有語義特征和語義關(guān)聯(lián),全局全周期主動調(diào)度文件(文件中包含圖像、文字、視頻、音頻、元數(shù)據(jù)等多模態(tài)信息),理解用戶與文件的關(guān)系使得調(diào)度操作本身針對性更強(qiáng)、效率更高,減少調(diào)度次數(shù),降低能耗,且更具有用戶行為預(yù)測的前瞻性。
光磁電一體化智能存儲系統(tǒng)是按照數(shù)據(jù)的訪問頻度,采用不同的存儲介質(zhì),通過具有高密度、高安全、長期保存、綠色節(jié)能的混合存儲基礎(chǔ)架構(gòu)、存儲管理軟件、分層存儲算法,按生命周期對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,實(shí)現(xiàn)對熱數(shù)據(jù)、冷數(shù)據(jù)的智能分層分級存儲管理。按照策略使TB級的大批量文件在光磁存儲介質(zhì)中的流動,并為運(yùn)營人員和用戶提供統(tǒng)計(jì)信息查詢,最終形成全介質(zhì)、全場景一體化的解決方案。
以建設(shè)或改造1000PB存儲量數(shù)據(jù)中心為例,使用超大容量藍(lán)光及光磁電一體化智能存儲方案相比全磁盤存儲方案能夠從節(jié)電、節(jié)水、節(jié)地等多方面取得綠色節(jié)能效果,其中用于智能分級存儲使用光磁配比為8:2、用于歸檔等冷數(shù)據(jù)存儲可使用全藍(lán)光配置。根據(jù)信通院中國泰爾實(shí)驗(yàn)室《藍(lán)光光盤庫存儲系統(tǒng)與磁盤存儲系統(tǒng)能耗對比測試報(bào)告》數(shù)據(jù),具體節(jié)能效果如下:
單PB藍(lán)光存儲每小時(shí)用電能耗為0.13kWh,與單PB的磁盤存儲相比,年總用電能耗節(jié)省2.05萬kWh,節(jié)能比例為94.72%。
對于1000PB有效存儲總量,全藍(lán)光配置的歸檔等冷數(shù)據(jù)存儲,相比磁盤存儲,年總用電能耗節(jié)省2050萬kWh,節(jié)能比例為94.72%。相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2519噸(計(jì)算公式引自《綜合能耗計(jì)算通則》選用電力等價(jià)折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為0.1229kg/kWh)。相應(yīng)減少碳排放量12381噸,節(jié)碳比例為94.72%(計(jì)算公式引自《北京市重點(diǎn)排放單位二氧化碳核算和報(bào)告指南》選用間接排放系數(shù)為0.604kgCO/kWh)。
對于1000PB有效存儲總量,智能分級存儲使用光磁配比8:2條件下,能夠達(dá)到日常數(shù)據(jù)存儲的性能要求,相比于全熱磁存儲的解決方案,光磁融合的解決方案中總耗電量年節(jié)省1640萬kWh,節(jié)能比例為75.79%,相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2015噸,減少碳排放量9905噸。
由于藍(lán)光光盤可在常溫常濕的條件下存儲50年以上,無需額外的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)維護(hù)機(jī)房環(huán)境,可大大降低IDC對冷卻系統(tǒng)等其他輔助設(shè)施的設(shè)備數(shù)量及用電量,從而降低數(shù)據(jù)中心IT系統(tǒng)所需制冷量。經(jīng)測算,對于1000PB有效存儲總量,與全熱磁存儲方案相比,智能分級存儲光磁配比8:2條件下,光磁融合機(jī)房相比全磁機(jī)房,年制冷量降低75.79%,可降低制冷系統(tǒng)用電量75.79%。
由于無需額外的通風(fēng)冷卻系統(tǒng),可大大降低IDC對冷卻系統(tǒng)等其他輔助設(shè)施的設(shè)備數(shù)量及用電量,進(jìn)一步節(jié)省水資源。經(jīng)測算,與全熱磁存儲方案相比,智能分級存儲光磁配比8:2條件下,年節(jié)水量可達(dá)2.47萬噸,節(jié)水比例為80%,WUE值可由1.427降至1.179。
以藍(lán)光單機(jī)柜存儲容量為2.74PB、有效容量2.34PB為例,相比于磁存儲單機(jī)柜,在全光配比條件下,有效存儲1000PB數(shù)據(jù)可節(jié)省機(jī)柜數(shù)為906個(gè),節(jié)地比例為67.95%;在智能分級存儲光磁配比8:2條件下,存儲1000PB數(shù)據(jù)可節(jié)省機(jī)柜數(shù)為725個(gè),節(jié)地比例為54.36%。
我們利用超大容量藍(lán)光及光磁電一體化智能存儲系統(tǒng)建設(shè)的深圳市某網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目,該實(shí)驗(yàn)室是中央批準(zhǔn)成立的突破型、引領(lǐng)型、平臺型一體化的網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域新型科研機(jī)構(gòu),作為國家戰(zhàn)略科技力量的重要組成部分,以重大基礎(chǔ)設(shè)施為支撐,以重大攻關(guān)項(xiàng)目為核心,與全國150余家高校、科研機(jī)構(gòu)、龍頭企業(yè)開展深度合作。
科學(xué)數(shù)據(jù)是科研創(chuàng)新發(fā)展的重要基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源,具有數(shù)量龐大、來源多樣、格式多樣等特點(diǎn)。2018年,國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《科學(xué)數(shù)據(jù)管理辦法》明確指出,應(yīng)加強(qiáng)科學(xué)數(shù)據(jù)全生命周期安全管理,制定科學(xué)數(shù)據(jù)安全保護(hù)措施,加強(qiáng)數(shù)據(jù)下載的認(rèn)證、授權(quán)等防護(hù)管理,防止數(shù)據(jù)被惡意使用。隨著科學(xué)數(shù)據(jù)量的增加,重要科學(xué)數(shù)據(jù)的安全備份和長期分級歸檔存儲越發(fā)重要。
該實(shí)驗(yàn)室擁有海量的科學(xué)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)類型主要為小文件非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),其價(jià)值珍貴。采用傳統(tǒng)的存儲介質(zhì),存儲成本高,且存在安全隱患,因此需要采用安全、長期、低成本的多存儲介質(zhì)分級存儲策略,同時(shí)要求存儲系統(tǒng)有較高的IOPS和帶寬,讀寫帶寬共計(jì)100Gbe。
2020年我們與該實(shí)驗(yàn)室合作,采用華錄藍(lán)光存儲系統(tǒng)、分布式存儲架構(gòu)建立一套光磁電科學(xué)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。項(xiàng)目規(guī)模為磁存儲4PB,藍(lán)光光存儲28PB,寫入速度與讀取最大速度均不低于10GB/s、最大IOPS不低于40000、讀取IOPS不低于45000,系統(tǒng)冷數(shù)據(jù)存儲層采用華錄藍(lán)光光盤庫,提供海量數(shù)據(jù)的長期存儲;溫?cái)?shù)據(jù)存儲層采用分布式對象存儲,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速存儲;冷數(shù)據(jù)存儲與溫?cái)?shù)據(jù)存儲層統(tǒng)一管理,支持全局命名空間,實(shí)現(xiàn)光磁電全介質(zhì)統(tǒng)一管理、智能分級。根據(jù)數(shù)據(jù)的訪問頻率設(shè)置流動策略,使數(shù)據(jù)智能地在不同介質(zhì)間流動,對冷熱數(shù)據(jù)進(jìn)行分層管理,將大量的冷數(shù)據(jù)存儲在藍(lán)光中,將頻繁訪問的熱數(shù)據(jù)存儲在熱磁中,滿足不同數(shù)據(jù)讀寫需求。通過設(shè)置過期刪除和定期轉(zhuǎn)儲策略,使存儲在磁盤上的熱數(shù)據(jù)經(jīng)時(shí)間冷卻后,逐漸下沉到安全性更高、成本更低的冷存儲介質(zhì)中,滿足海量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理的需求。
項(xiàng)目實(shí)施后取得了以下效果與成果:①溫?cái)?shù)據(jù)存儲層具有較高的IOPS和讀寫帶寬,能夠滿足海量小文件快速讀寫,并對小文件聚合,形成大文件包后向冷數(shù)據(jù)存儲層自動分級,極大地提高了數(shù)據(jù)可靠性和磁盤利用率。②冷數(shù)據(jù)存儲層提高了光盤庫讀寫速度和可靠性,采用Raid6,數(shù)據(jù)可靠性可以達(dá)到19N,滿足實(shí)驗(yàn)室海量科學(xué)數(shù)據(jù)訪問高帶寬、高IOPS,同時(shí)也保障重要科學(xué)數(shù)據(jù)的安全備份和長期分級歸檔存儲。③系統(tǒng)靈活可擴(kuò)展,溫?cái)?shù)據(jù)存儲層與冷數(shù)據(jù)存儲層都采用分布式對象存儲架構(gòu),支持Scale-out與Scale-up擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)存儲容量與讀寫性能線性擴(kuò)展。由于藍(lán)光低能耗、長壽命,數(shù)據(jù)存儲無需遷移等特性,整套系統(tǒng)具有較低的總擁有成本(TCO)。
在面對世界百年未有之大變局和不斷做強(qiáng)做優(yōu)做大我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)的背景下,國家明確要求打造集約高效、經(jīng)濟(jì)適用、智能綠色、安全可靠的現(xiàn)代化數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施體系。超大容量藍(lán)光和光磁電一體化智能存儲技術(shù)領(lǐng)先且能效果明顯,為保障我國數(shù)據(jù)中心環(huán)控與低能耗、低造價(jià)設(shè)計(jì)將做出了重大貢獻(xiàn),值得大范圍推廣應(yīng)用。