數據中心技術(shù)發(fā)展趨勢初探

本文結合數據中心高速發(fā)展的環(huán)境和數據中心建設發(fā)展需重點(diǎn)考慮因素闡述了數據中心數據中心的預制化?模塊化?綠色化?智能化數據中心的技術(shù)發(fā)展方向?

一、數據中心面臨持續高增長(cháng)的發(fā)展環(huán)境

1.1國家政策牽引數據中心投資持續加大

當前全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命正在孕育興起,數字經(jīng)濟處于密集創(chuàng )新和高速增長(cháng)的階段,成為促進(jìn)經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的主要推動(dòng)力?自2015年我國提出“國家大數據戰略”以來(lái),推進(jìn)數字經(jīng)濟發(fā)展和數字化轉型的政策不斷深化和落地,2017年以來(lái)“數字經(jīng)濟”已經(jīng)連續四年被寫(xiě)入政府工作報告,2019年至今,國家發(fā)展改革委?工業(yè)和信息化部?中央網(wǎng)信辦等部門(mén)已出臺十余項國家層面數字經(jīng)濟發(fā)展相關(guān)政策?

數據中心是數字經(jīng)濟時(shí)代的核心基礎設施和國家戰略資源,在2020年特殊時(shí)期,數據中心和5G?人工智能?工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等一起被列為國家“新基建”七大投資領(lǐng)域之一,數據中心迎來(lái)建設新高潮?除了傳統的以出租機柜為主營(yíng)業(yè)務(wù)的IDC企業(yè)和電信運營(yíng)商,各路第三方資本亦蜂擁而入進(jìn)入數據中心行業(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)達等為代表的地產(chǎn)企業(yè)等?

1.2數據流量激增為數據中心發(fā)展打開(kāi)成長(cháng)空間

隨著(zhù)5G快速發(fā)展,線(xiàn)上辦公?4K/8K高清視頻高帶寬應用場(chǎng)景的爆發(fā),以及物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)的發(fā)展,數據流量將以數十倍的量級快速增長(cháng)?云計算的持續深化發(fā)展,也推動(dòng)著(zhù)數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)的數字化轉型進(jìn)程正在按下“快進(jìn)鍵”,全網(wǎng)流量高速增長(cháng)?

數據資源日益成為關(guān)鍵生產(chǎn)要素,數據流量的猛增為數據中心發(fā)展打開(kāi)新的成長(cháng)空間?當前,我國數據中心正進(jìn)入新一輪快速發(fā)展期,傳統數據中心轉型升級,新一代數據中心加速布局,國家在新時(shí)期大力推進(jìn)“大數據中心新基建”,旨在通過(guò)數字化?智能化技術(shù),為智能經(jīng)濟的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)數字化轉型提供底層支撐,數據中心發(fā)展勢能有望快速釋放,如圖1所示?

二、數據中心建設發(fā)展需重點(diǎn)考慮因素

2.1快速部署是贏(yíng)得客戶(hù)的軟實(shí)力

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)呈現短時(shí)間內快速爆發(fā)的特征,受席卷全球的新冠疫情的影響,遠程辦公?在線(xiàn)直播?線(xiàn)上醫療等業(yè)務(wù)側數據和流量需求激增,業(yè)務(wù)發(fā)放響應速度從以周?天為單位提升到以小時(shí)為單位計算,數據中心需要具備更快的建設速度,及時(shí)供應短時(shí)間內爆發(fā)的租戶(hù)和業(yè)務(wù)需求?

傳統數據中心建設需要經(jīng)過(guò)現場(chǎng)工勘?深化設計?土建施工?設備安裝?調試驗收?試運行?整改等過(guò)程,總體需要20個(gè)月以上的時(shí)間,周期長(cháng)?過(guò)程復雜,難以匹配“云”業(yè)務(wù)的快速部署的應用需求?在大數據時(shí)代,數據中心由支撐系統轉為生產(chǎn)系統,對于數據中心從業(yè)者來(lái)說(shuō),實(shí)現數據中心快速建設?業(yè)務(wù)快速上線(xiàn),是提升市場(chǎng)競爭力的關(guān)鍵所在,是贏(yíng)得客戶(hù)的軟實(shí)力?未來(lái),數據中心產(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低碳節能是政策導向的硬約束

數據中心蓬勃發(fā)展的同時(shí),數據中心行業(yè)能耗問(wèn)題也再次受到社會(huì )各界廣泛關(guān)注?尤其在我國提出2030年“碳達峰”和2060年“碳中和”的宏偉目標下,數據中心綠色發(fā)展問(wèn)題變得尤為迫切?2020年以來(lái),從國家到地方各層面密集出臺各種PUE相關(guān)政策,驅動(dòng)數據中心向綠色節能方向發(fā)展,建設更高效節能?綠色低碳的數據中心成為主要方案,綠色清潔能源?能源高效節能技術(shù)將是數據中心能源未來(lái)的發(fā)展方向?近年來(lái),國家有關(guān)部委和地方政府紛紛出臺了數據中心建設能效標準和監管政策,數據中心建設也進(jìn)入了能效強監管時(shí)代,PUE將是數據中心建設的硬約束?

2.3降本增效是投資運營(yíng)方的核心訴求

各路資本殺入數據中心這一新基建,最終目的還是希望投資能夠獲得好的收益,因此降低建設成本和運營(yíng)成本是投資方的核心訴求?傳統數據中心建設一般要將機樓以及配電?暖通等基礎設施一步到位,初期建設投資大,資金利用率低,投資回報慢?新一代數據中心建設需要創(chuàng )新建設模式,實(shí)現滾動(dòng)投資?滾動(dòng)建設,降低初期投資壓力,因此實(shí)現數據中心的靈活部署?按需擴容將是發(fā)展方向?解決方案是數據中心采用全模塊化的架構,如模塊化UPS?模塊化鋰電?模塊化配電等?能耗成本是數據中心最大的運營(yíng)成本,降低運營(yíng)成本的關(guān)鍵是降低能耗,低PUE不僅是政府的強制要求,也是數據中心從業(yè)者的自身需要?此外實(shí)現運維的自動(dòng)化和智能化?提高運維效率也是降低運維成本的重要方向?

三、數據中心技術(shù)發(fā)展趨勢

從上面的分析可看到,低碳節能?快速部署?低成本建設運營(yíng)是未來(lái)數據中心建設的核心訴求,而傳統數據中心建設和運營(yíng)往往面臨建設周期長(cháng)?能耗高?運維效率低等挑戰?我們認為,數據中心的預制化?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)數據中心的技術(shù)發(fā)展方向?

(1) 數據中心級架構極簡(jiǎn)將成為主流,預制化?模塊化逐漸從數據中心的弱電設備?環(huán)境設備向整個(gè)數據中心延伸?(2)數據中心高效和節能將成為主流,供電系統的電能轉化和傳遞效率將進(jìn)一步提升,制冷系統將充分利用自然冷源給數據中心降溫?(3)在A(yíng)I等技術(shù)加持下,數據中心管理系統將變得更加智能,提升運維效率?

3.1數據中心級架構極簡(jiǎn)將成為主流

傳統數據中心建設采用攢機模式,不僅建設周期長(cháng),初期投資成本大,而且各個(gè)子系統之間孤立,規劃和建設分離,拼湊式建設模式給后期運維管理也帶來(lái)極大的難度?為應對此弊端,數據中心級架構極簡(jiǎn)將成為主流,模塊化逐漸從數據中心的弱電設備?環(huán)境設備向整個(gè)數據中心延伸,從模塊化UPS?模塊化溫控?模塊化母線(xiàn)等數據中心部件到電力/水力模塊?微模塊?IT模塊等模塊化解決方案再到一層一DC等模塊化數據中心?隨著(zhù)用戶(hù)對于數據中心彈性建設?快速交付的要求愈發(fā)高,以及對邊緣數據中心的快速增加,微模塊數據中心?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(cháng)新機遇?在預制化?全模塊化設計下,將各個(gè)子系統預集成在模塊內,在工廠(chǎng)進(jìn)行預制組裝,標準化生產(chǎn)流程,各個(gè)模塊品質(zhì)如一,多系統協(xié)同設計,并且在出廠(chǎng)前完成全系統調試和測試,確保高質(zhì)量和高可靠性?同時(shí)現場(chǎng)只需完成極簡(jiǎn)施工,可大大降低現場(chǎng)管理難度及施工風(fēng)險,有效提升數據中心可靠性?整體而言,架構極簡(jiǎn)的數據中心具備快速部署?彈性擴容?運維簡(jiǎn)單?高效節能等優(yōu)勢?

3.2供電系統融合極簡(jiǎn),走向預制化?模塊化和鋰電化

數據中心傳統供電系統和溫控系統采用分散部件集成的方式,導致不同設備分屬不同廠(chǎng)家?不同品牌,存在系統部署周期長(cháng)且復雜?運維難等問(wèn)題?未來(lái),各系統將持續向一體化全鏈路融合演進(jìn),UPS?溫控?母線(xiàn)等將向產(chǎn)品化?模塊化方向發(fā)展?以建設1500柜的數據中心為例,采用分散采購?現場(chǎng)集成的傳統并機供電方案,交付時(shí)間需2個(gè)月,面臨設備雜?占地大?效率低等問(wèn)題,而采用工廠(chǎng)預制?全鏈融合的電力模塊方案,實(shí)現一站式交付,2周即可交付,省時(shí)75%,減少占地面積40%?

傳統數據中心供電系統采用鉛酸電池,應用瓶頸日趨嚴重,存在系統割裂且復雜?占地面積大?維護成本高等問(wèn)題,隨著(zhù)鋰電池成本持續下降,鋰電將在數據中心得到規模應用,數據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,十年生命周期內無(wú)需更換,短時(shí)大倍率放電能力強,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)現供電系統的高密化和模塊化?

3.3制冷系統風(fēng)進(jìn)水退,傳統冷凍水系統將被逐步替代

冷凍水系統架構復雜,需經(jīng)過(guò)7大部件(冷水機組?冷卻塔?蓄冷罐?溫控末端?水泵?板換?管理系統)的4次換熱過(guò)程,工程性強?周期長(cháng),運維復雜,不利于快速部署,適應不了未來(lái)不確定的IT業(yè)務(wù)需求?同時(shí)在低碳節能政策導向下,傳統冷凍水系統能耗高,耗水量大,將逐步被少水甚至無(wú)水的溫控系統所替代?

最大化利用自然冷源,間接蒸發(fā)冷卻系統將成為致冷系統的主流?模塊化架構的間接蒸發(fā)冷卻系統采用一體化產(chǎn)品設計,一箱一系統,可縮短部署時(shí)間?降低運維難度,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調優(yōu),大幅降低溫控系統的電力消耗,減少耗水,進(jìn)一步降低PUE和WUE,在氣候適宜區域將成主流?

3.4管理系統自動(dòng)化?智能化,數字化技術(shù)普遍應用

依托人工智能?大數據?區塊鏈等技術(shù),以及即時(shí)通信技術(shù)(5G?PLC?IoT)等技術(shù)的迅速發(fā)展,為應用系統的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)打造了堅實(shí)的數字化底座?數據中心將實(shí)現供電系統?溫控系統以及微模塊的自我檢測?自我診斷,設置系統級?機房級?DC級等多類(lèi)型可視分析窗口,通過(guò)配電/制冷鏈路可視?設備故障影響分析?3D可視化?溫度云圖?AI遠程巡檢?機器人近端巡檢?移動(dòng)App等保障數據中心基礎設施安全,大幅度縮短故障修復時(shí)間?減少人工巡檢工作內容?提高設備修復率?

隨著(zhù)IOT?AI技術(shù)的不斷完善和普遍應用,重復勞動(dòng)?專(zhuān)家經(jīng)驗和商業(yè)決策將被逐漸替代,數據中心將逐步實(shí)現由運維?節能?運營(yíng)等單域的智能化,向規劃?建設?運維?優(yōu)化的全生命周期數字化和自動(dòng)駕駛演進(jìn)?

AI能效優(yōu)化:利用AI動(dòng)態(tài)建模技術(shù),建立能耗與IT負載?氣候條件?設備運行數量等的機器學(xué)習模型,可在保障設備?系統可靠的基礎上,實(shí)時(shí)診斷各個(gè)子系統的能耗,準確推理和配置出數據中心最優(yōu)控制邏輯,實(shí)時(shí)調節參數,降低數據中心PUE?

無(wú)人運維:傳統大型數據中心運維主要依賴(lài)于人工,運維效率低下,巡檢多為被動(dòng)響應,質(zhì)量不可控?未來(lái)數據中心基礎設施將逐步實(shí)現運維的自動(dòng)駕駛?一方面,通過(guò)數字化技術(shù),可實(shí)現7×24不間斷巡檢,大大提升運維效率,降低對運維人員的技能要求與依賴(lài)程度?另一方面,依托聲音識別?圖像識別?智能傳感器?機器人等,將極大提升數據中心無(wú)人巡檢準確度,變被動(dòng)告警為預測性維護,最大程度降低數據中心運維風(fēng)險和成本?提升資源使用率和運營(yíng)收益,提升數據中心運營(yíng)管理水平?

四、結論

數據中心面臨持續高增長(cháng)的發(fā)展環(huán)境,將沿著(zhù)快速部署?低碳節能?降本增效這三條發(fā)展主線(xiàn)不斷演進(jìn)?基于三個(gè)演進(jìn)方向,數據中心建設模式將從攢機式?拼湊式逐漸演進(jìn)為預制化?全模塊化,從而具備快速部署?彈性擴容?運維簡(jiǎn)單?高效節能的優(yōu)勢?模塊化后,供電系統將走向融合極簡(jiǎn),架構走向預制化?模塊化?通過(guò)鋰進(jìn)鉛退,實(shí)現供電系統高密化和模塊化?制冷系統風(fēng)進(jìn)水退,最大化利用自然冷源,間接蒸發(fā)冷卻系統將成主流?管理系統數字化技術(shù)普遍應用于數據中心全生命周期,并實(shí)現智能化?