關(guān)于“數據中心”的最強入門(mén)科普

數據中心，英文縮寫(xiě)叫IDC，也就是Internet Data Center（互聯(lián)網(wǎng)數據中心）。

之所以不太直接稱(chēng)之為“DC”，主要是為了避免和直流電（Direct Current）混淆。而且，現在的數據中心普遍都接入互聯(lián)網(wǎng)，以互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)為主，所以，叫“IDC”也更準確。

從作用上來(lái)看，數據中心就是一個(gè)超大號的機房，里面有很多很多的服務(wù)器，專(zhuān)門(mén)對數據進(jìn)行集中管理（存儲、計算、交換）。

根據業(yè)界機構統計，2020年全球經(jīng)數據中心處理的數據流量高達15.3ZB（1ZB≈10億TB），占全球總流量的99.35%。也就是說(shuō)，幾乎所有的互聯(lián)網(wǎng)數據，都離不開(kāi)數據中心的處理，由此可見(jiàn)其重要性。

按現在比較流行的說(shuō)法，數據中心是像水廠(chǎng)、電廠(chǎng)一樣的重要基礎設施，是數字經(jīng)濟的動(dòng)力引擎，也是國家和社會(huì )發(fā)展的支撐底座。

█ 數據中心的發(fā)展階段

我們先來(lái)看看數據中心的發(fā)展歷史。

上世紀60年代的時(shí)候，人類(lèi)還處于大型機時(shí)代。那時(shí)，為了存放計算機系統、存儲系統和電力設備，人們修建了機房，并將其稱(chēng)為“服務(wù)器農場(chǎng)”（Server farm）。

這個(gè)“服務(wù)器農場(chǎng)”，被認為是數據中心的最早原型。

到了90年代，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的誕生和蓬勃發(fā)展，很多公司開(kāi)始推行信息化。他們建設自己的網(wǎng)站，還搭建了大量的郵件、FTP、OA辦公自動(dòng)化等服務(wù)器。

有些公司將服務(wù)器放在企業(yè)內部的機房。也有些公司，因為服務(wù)器不多，但又不愿意放在辦公室（噪音大、容易斷電、安全性低），于是，就“托管”在運營(yíng)商機房，租用運營(yíng)商的場(chǎng)地、電力、網(wǎng)絡(luò )帶寬，讓對方代為管理和維護。

數據中心的早期階段（第一階段）

于是，數據中心的概念開(kāi)始逐漸形成。1996年。一家名叫Exodus的美國公司（專(zhuān)門(mén)從事機房設施建設和帶寬服務(wù)），最早提出了“IDC”這個(gè)叫法。

這就是IDC數據中心發(fā)展的早期階段。

1997年，蘋(píng)果公司推出了一款名叫“Virtual PC（虛擬PC）”的虛擬機軟件。后來(lái)，VMWare也推出了現在大名鼎鼎的VMWare Workstation，標志著(zhù)虛擬機時(shí)代的到來(lái)，為數據中心的演進(jìn)打下了基礎。

隨著(zhù)時(shí)間推移，第一代數據中心的托管服務(wù)開(kāi)始精細化，從完整的服務(wù)器主機托管，延伸出了網(wǎng)站托管，出現了虛擬主機服務(wù)。

也就是說(shuō)，在某一臺服務(wù)器上，通過(guò)虛擬主機軟件，虛擬出N個(gè)網(wǎng)站主機，出租給N個(gè)客戶(hù)使用。

除了網(wǎng)站之外，還出現了數據存儲空間租用等多樣化的服務(wù)。這就是IDC數據中心的第二個(gè)階段。

數據中心的第二階段

再往后，到了21世紀初，亞馬遜、谷歌等公司提出了云計算，從而將數據中心帶入了第三個(gè)階段（云計算階段），持續至今。

云計算階段，是第二階段的升級演進(jìn)。它通過(guò)虛擬化技術(shù)、容器技術(shù)，徹底實(shí)現了數據中心服務(wù)器算力資源的池化。所有的CPU、內存、硬盤(pán)等資源，都由更為強大的虛擬化軟件管理，然后分配給用戶(hù)使用。

從物理硬件出租，進(jìn)化為虛擬硬件出租，甚至軟件平臺出租、服務(wù)出租。IaaS、PaaS、SaaS，就這樣出現在我們面前。

數據中心的第三階段（云計算階段）

█ 數據中心的組成結構

接下來(lái)，我們再看看數據中心到底由哪些部分組成。

前面小棗君說(shuō)了，數據中心就是一個(gè)大機房。所以，從硬件種類(lèi)上來(lái)說(shuō)，數據中心和我們以前經(jīng)?？吹降钠髽I(yè)內部機房差不多，只不過(guò)規格、檔次和管理級別更high level一點(diǎn)。

數據中心內部

整體來(lái)看，數據中心的硬件分為兩類(lèi)，分別是主設備和配套設備。

主設備，是真正實(shí)現計算和通信功能的設備，也就是以服務(wù)器、存儲為代表的IT算力設備，以及以交換機、路由器、防火墻為代表的通信設備。

配套設備，則是為了保證主設備正常運轉而存在的底層基礎支撐設備（也包括一些設施）。

底層基礎支撐設備設施，又分為多種，主要是供配電系統和散熱制冷系統，另外還有消防系統、監控系統、樓宇管理系統等。

主設備

我們先看看主設備。

數據中心最基礎的主設備，當然是服務(wù)器。服務(wù)器其實(shí)也就是個(gè)高性能計算機，大家應該都見(jiàn)過(guò)，里面和臺式機一樣，是CPU、內存、主板、硬盤(pán)、顯卡（GPU）、電源等。

某型號服務(wù)器正面視角

以前，服務(wù)器基本上都是Intel架構（更早的時(shí)候，還有PowerPC、SPARC等）。如今，隨著(zhù)國家政策變化，國產(chǎn)CPU崛起，占據越來(lái)越多的份額。這些國產(chǎn)CPU采用ARM架構，性?xún)r(jià)比更高，成本更低。

華為芯片Hi1620（數據中心用ARM架構處理器）

服務(wù)器，一般都擺放在機架（也叫機柜）上。

服務(wù)器機架

一個(gè)常見(jiàn)標準機架，高度尺寸通常是42U。U是一種表示服務(wù)器外部尺寸的單位，是unit的縮略語(yǔ)，1U等于4.445cm。機架寬度的話(huà)，有600mm或800mm。

機架的深度有很多種，包括600mm、800mm、900mm、1000mm、1200mm等。通常來(lái)說(shuō)，IT設備（服務(wù)器）機架的深度更深（1100mm或1200mm），而通信設備的深度會(huì )淺一些（600mm）。

IT設備和通信設備的機架深度對比

機架里面的IT設備，除了服務(wù)器之外，還有磁盤(pán)陣列這樣的專(zhuān)業(yè)存儲設備。

現在到處都講大數據，我們人類(lèi)產(chǎn)生的數據量每年都在激增，也就增加了對存儲設備的數量和性能要求。

大家應該都知道，現在主流的計算機存儲硬盤(pán)分為HDD和SSD兩種。HDD就是我們傳統的機械硬盤(pán)，而SSD是逐漸開(kāi)始普及的固態(tài)硬盤(pán)。

SSD屬于半導體存儲器，存儲速率快，體積小，非常受歡迎。但是，它的價(jià)格昂貴。對于數據中心來(lái)說(shuō)，出于性?xún)r(jià)比考慮，HDD仍然是主流選擇。而SSD，目前主要用于高端客戶(hù)、高性能需求業(yè)務(wù)。

除了IT算力設備之外，就是交換機、路由器、防火墻等數據通信設備了。

說(shuō)到交換機，就要提到一個(gè)名詞——TOR，Top of Rack。

TOR交換機，是數據中心領(lǐng)域的常見(jiàn)名詞。顧名思義，就是機架頂部交換機的意思。這類(lèi)交換機，是數據中心最底層的網(wǎng)絡(luò )交換設備，負責連接本機架內部的服務(wù)器，以及與上層交換機相連。

TOR交換機的位置

事實(shí)上，機架交換機并沒(méi)有說(shuō)一定要放在機架頂部。它既可以在機架頂部，也可以在機架的中部或底部。之所以通常放在頂部，只是因為這樣最有利于內部布線(xiàn)。

機架再往上，就是一排機架、N排機架。將這些機架和服務(wù)器連接起來(lái)，就需要數據中心組網(wǎng)技術(shù)。

現在最流行的數據中心組網(wǎng)架構，就是葉脊網(wǎng)絡(luò )（Spine-Leaf）。

葉脊網(wǎng)絡(luò )架構

值得一提的是，現在數據中心為了高帶寬傳輸數據，普遍使用光纖替代網(wǎng)線(xiàn)。所以，光纖、光模塊和光通信設備（OTN等），成為數據中心重要的組成部分。

尤其是光模塊，高速率光模塊（例如400G）價(jià)格很昂貴，占了數據中心很大一塊成本，制約了發(fā)展。

光模塊

現在還有一個(gè)比較流行的光通信名詞，叫做DCI，也就是Data Center Inter-connect（數據中心互聯(lián)）?，F在流行分布式部署，數據中心之間的數據流量很大，對帶寬要求很高。

所以，運營(yíng)商和云服務(wù)商就搞DCI，建設數據中心之間專(zhuān)門(mén)的光通信骨干網(wǎng)，是很大一塊市場(chǎng)。

我們國家搞的那個(gè)“東數西算”，就涉及到數據中心的互聯(lián)互通，對DCI相關(guān)市場(chǎng)有不可忽視的刺激作用。

光通信骨干網(wǎng)設備

配套設備

接下來(lái)，我們看看數據中心的配套支撐設備和設施。

先看供配電。

供電是數據中心正常運作的基礎。沒(méi)有電，數據中心就是廢鐵。

數據中心的配電設備，主要作用就是電能的通斷、控制和保護。最主要的配電設備，就是配電柜。

數據中心配電柜分為中壓配電柜和低壓配電柜。中壓配電柜主要是10kV電壓等級，向上接入市電，向下接低壓配電柜。低壓配電柜主要是400V電壓等級，對電能進(jìn)行進(jìn)一步的轉換、分配、控制、保護和監測。

數據中心供配電示意圖（案例）

數據中心低壓配電柜（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）

除了配電柜之后，為了保證緊急情況下的正常供電，數據中心還會(huì )配備大量的UPS（不間斷電源）甚至柴油發(fā)電機組。

“UPS 市電”是傳統的供電方案?，F在，更流行的是“HVDC 市電”的方案。

HVDC是High Voltage Direct Current，高壓直流輸電。它和UPS之間的區別涉及到較為復雜的強電知識，后續有機會(huì )再專(zhuān)門(mén)介紹。

總之，“HVDC 市電”的可靠性和安全性更高，供電效率強于“UPS 市電”，是不間斷電源的主流發(fā)展趨勢。

我們簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)-48V和220V。

有過(guò)ICT行業(yè)實(shí)際從業(yè)經(jīng)驗的同學(xué)們都知道，服務(wù)器這樣的IT設備通常是使用220V交流電，而核心網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)等通信設備則更多使用的是-48V直流電。

市電供電，一般都是交流。數據中心，一般既會(huì )提供-48V直流，也會(huì )提供220V交流（通過(guò)AC-DC轉換和DC-AC逆變轉換）。

事實(shí)上，直流現在正成為更多數據中心的選擇（例如谷歌），因為直流的損耗更小，對電能的利用率更高，符合現在數據中心高算力下的高能耗發(fā)展趨勢。

再來(lái)看看散熱制冷。

制冷系統是數據中心除了主設備之外的第二大耗能主體。

目前，數據中心制冷主要包括兩種方式，一種是風(fēng)冷，另一種是液冷。

風(fēng)冷一般采用風(fēng)冷空調系統。和我們家用空調一樣，數據中心風(fēng)冷空調也分為室內機和室外機。相對來(lái)說(shuō)，技術(shù)成熟，結構簡(jiǎn)單，容易維護。

液冷，是采用液體作為冷媒，進(jìn)行降溫散熱。

液體的導熱能力是空氣的25倍，相同體積下，液體帶走的熱量是空氣的近3000倍。從噪音角度來(lái)看，同等散熱水平下，液冷的噪音比風(fēng)冷降低20-35分貝。從能耗的角度來(lái)看，液冷比風(fēng)冷節約電量30%-50%。

目前，液冷技術(shù)被行業(yè)普遍看好，但仍處于探索階段。從總體來(lái)看，液冷的市場(chǎng)前景非常廣闊，據稱(chēng)市場(chǎng)規模超過(guò)千億。

中興展示的服務(wù)器浸沒(méi)式液冷技術(shù)

關(guān)于制冷和散熱，值得一提的是，機柜池級、排級和機柜級等近端制冷方式，正在崛起，成為新建數據中心的主流選擇。

傳統的制冷都是房間級，對整個(gè)機房進(jìn)行空調制冷，這種方式制冷路徑太長(cháng)，效率太低，無(wú)法滿(mǎn)足高功耗設備的散熱需求，能耗也很大。

機柜池級、排級和機柜級，是以一個(gè)機柜池、一排機柜或者單個(gè)機柜為中心，進(jìn)行散熱設計。

機柜排級散熱，以一排機柜為對象，進(jìn)行風(fēng)道設計。

這種方式，氣流路徑明顯縮短，散熱效率很高。

除了配電和散熱制冷之外，數據中心還有一些和管理運維有關(guān)的設備設施，例如動(dòng)環(huán)監控系統、樓宇自動(dòng)控制系統、消防系統等。

動(dòng)環(huán)監控，就是動(dòng)力和環(huán)境監控，實(shí)時(shí)監測和管理數據中心運行狀態(tài)的。

這些年，在傳統動(dòng)環(huán)監控系統的基礎上，開(kāi)始演進(jìn)出了DCIM。

DCIM全名叫做Data Center Infrastructure Management，是知名咨詢(xún)公司Garter提出來(lái)的。它的管理范圍更為全面，采用工具監控、管理和控制數據中心的所有IT主設備以及配套基礎設施。

數據中心的消防系統比較有意思。因為機房里都是電子設備，所以發(fā)生火災的話(huà)，肯定不能直接噴水、泡沫或粉塵。

那怎么辦呢？氣體滅火。

出現火災后，火災和煙霧傳感器的警鈴響起，然后，機房區域可以釋放氬氣、氮氣這樣的惰性氣體，剝奪火焰中的氧氣，實(shí)現滅火（大約幾十秒就能搞定）。

氣體滅火（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）

模塊化數據中心

數據中心是一個(gè)龐大的系統，建設過(guò)程非常復雜繁瑣，工期也很長(cháng)。這些年，為了更快速、更靈活地部署數據中心，廠(chǎng)商推出了模塊化數據中心的概念。

說(shuō)白了，就是將數據中心的結構系統、供配電系統、暖通系統、消防系統、照明系統、綜合布線(xiàn)等進(jìn)行集成，變成一個(gè)一個(gè)的“積木”。然后，將“積木”運送到現場(chǎng)后，進(jìn)行簡(jiǎn)單吊裝、搭建，就可以完成建設和部署。

采用這種方式，大型數據中心的建設周期從18-24個(gè)月壓縮成了6個(gè)月左右，經(jīng)濟效益明顯。

模塊化數據中心（模型）

█ 結語(yǔ)

好了，以上就是關(guān)于數據中心的介紹。

正如我前文所說(shuō)，數據中心是數字時(shí)代重要的信息化基礎實(shí)施，是算力的重要載體，直接決定了國家的數字競爭力。

在“東數西算”戰略的帶動(dòng)下，國內數據中心將迎來(lái)又一波發(fā)展熱潮。根據數據統計，2022年我國數據中心業(yè)務(wù)市場(chǎng)規模將達到3200.5億元，年均復合增長(cháng)率高達27.0%。2025年，國內數據中心IT投資規模有望達到7070.9億元。

除了數量激增之外，數據中心正在向綠色化、智能化的方向發(fā)展，積極引入AI人工智能，提升能效，降低運營(yíng)復雜度。

未來(lái)，數據中心是否會(huì )出現新的形態(tài)變化，讓我們拭目以待吧！

參考文獻：

1、《數據中心產(chǎn)業(yè)圖譜研究報告》，信通院

2、《數據中心能源白皮書(shū)》，華為

3、《數據中心專(zhuān)題報告》，東莞證券