數(shù)據(jù)中心技術(shù)發(fā)展趨勢初探

熱設(shè)計 2022-05-03

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)高增長的發(fā)展環(huán)境

1.1國家政策牽引數(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)新和高速增長的階段,成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要推動力?自2015年我國提出“國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”以來,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“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”已經(jīng)連續(xù)四年被寫入政府工作報告,2019年至今,國家發(fā)展改革委?工業(yè)和信息化部?中央網(wǎng)信辦等部門已出臺十余項(xiàng)國家層面數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)政策?

數(shù)據(jù)中心是數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代的核心基礎(chǔ)設(shè)施和國家戰(zhàn)略資源,在2020年特殊時期,數(shù)據(jù)中心和5G?人工智能?工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等一起被列為國家“新基建”七大投資領(lǐng)域之一,數(shù)據(jù)中心迎來建設(shè)新高潮?除了傳統(tǒng)的以出租機(jī)柜為主營業(yè)務(wù)的IDC企業(yè)和電信運(yùn)營商,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)展打開成長空間

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)十倍的量級快速增長?云計算的持續(xù)深化發(fā)展,也推動著數(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?

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)展打開新的成長空間?當(dāng)前,我國數(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,新一代數(shù)據(jù)中心加速布局,國家在新時期大力推進(jìn)“大數(shù)據(jù)中心新基建”,旨在通過數(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)展勢能有望快速釋放,如圖1所示?

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為單位計算,數(shù)據(jù)中心需要具備更快的建設(shè)速度,及時供應(yīng)短時間內(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)過現(xiàn)場工勘?深化設(shè)計?土建施工?設(shè)備安裝?調(diào)試驗(yàn)收?試運(yùn)行?整改等過程,總體需要20個月以上的時間,周期長?過程復(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)時代,數(shù)據(jù)中心由支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)為生產(chǎn)系統(tǒng),對于數(shù)據(jù)中心從業(yè)者來說,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心快速建設(shè)?業(yè)務(wù)快速上線,是提升市場競爭力的關(guān)鍵所在,是贏得客戶的軟實(shí)力?未來,數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品上市時間(TTM)將從典型水平的9~12個月降低至6個月?甚至3個月?

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,數(shù)據(jù)中心行業(yè)能耗問題也再次受到社會各界廣泛關(guān)注?尤其在我國提出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)展問題變得尤為迫切?2020年以來,從國家到地方各層面密集出臺各種PUE相關(guān)政策,驅(qū)動數(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)中心能源未來的發(fā)展方向?近年來,國家有關(guān)部委和地方政府紛紛出臺了數(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)管時代,PUE將是數(shù)據(jù)中心建設(shè)的硬約束?

2.3降本增效是投資運(yùn)營方的核心訴求

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,投資回報慢?新一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)需要創(chuàng)新建設(shè)模式,實(shí)現(xiàn)滾動投資?滾動建設(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)營成本,降低運(yùn)營成本的關(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

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)營是未來數(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)營往往面臨建設(shè)周期長?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題的有效手段,是未來數(shù)據(jù)中心的技術(shù)發(fā)展方向?

(1) 數(shù)據(jù)中心級架構(gòu)極簡將成為主流,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?

3.1數(shù)據(jù)中心級架構(gòu)極簡將成為主流

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,初期投資成本大,而且各個子系統(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)維管理也帶來極大的難度?為應(yīng)對此弊端,數(shù)據(jù)中心級架構(gòu)極簡將成為主流,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)品將迎來海量的增長新機(jī)遇?在預(yù)制化?全模塊化設(shè)計下,將各個子系統(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,各個模塊品質(zhì)如一,多系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計,并且在出廠前完成全系統(tǒng)調(diào)試和測試,確保高質(zhì)量和高可靠性?同時現(xiàn)場只需完成極簡施工,可大大降低現(xiàn)場管理難度及施工風(fēng)險,有效提升數(shù)據(jù)中心可靠性?整體而言,架構(gòu)極簡的數(shù)據(jù)中心具備快速部署?彈性擴(kuò)容?運(yùn)維簡單?高效節(jié)能等優(yōu)勢?

3.2供電系統(tǒng)融合極簡,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)部署周期長且復(fù)雜?運(yùn)維難等問題?未來,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?現(xiàn)場集成的傳統(tǒng)并機(jī)供電方案,交付時間需2個月,面臨設(shè)備雜?占地大?效率低等問題,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)無需更換,短時大倍率放電能力強(qiáng),適合大電流短時備電,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,無需考慮專業(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次換熱過程,工程性強(qiáng)?周期長,運(yùn)維復(fù)雜,不利于快速部署,適應(yīng)不了未來不確定的IT業(yè)務(wù)需求?同時在低碳節(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水的溫控系統(tǒng)所替代?

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,一箱一系統(tǒng),可縮短部署時間?降低運(yùn)維難度,同時充分利用自然冷卻資源,由4次換熱過程簡化為1次,同時采用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?

3.4管理系統(tǒng)自動化?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?自我診斷,設(shè)置系統(tǒng)級?機(jī)房級?DC級等多類型可視分析窗口,通過配電/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?專家經(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)字化和自動駕駛演進(jìn)?

AI能效優(yōu)化:利用AI動態(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)時診斷各個子系統(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)時調(diào)節(jié)參數(shù),降低數(shù)據(jù)中心PUE?

無人運(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,巡檢多為被動響應(yīng),質(zhì)量不可控?未來數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施將逐步實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的自動駕駛?一方面,通過數(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,降低對運(yùn)維人員的技能要求與依賴程度?另一方面,依托聲音識別?圖像識別?智能傳感器?機(jī)器人等,將極大提升數(shù)據(jù)中心無人巡檢準(zhǔn)確度,變被動告警為預(yù)測性維護(hù),最大程度降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)維風(fēng)險和成本?提升資源使用率和運(yùn)營收益,提升數(shù)據(jù)中心運(yùn)營管理水平?

4結(jié)論

數(shù)據(jù)中心面臨持續(xù)高增長的發(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)維簡單?高效節(jié)能的優(yōu)勢?模塊化后,供電系統(tǒng)將走向融合極簡,架構(gòu)走向預(yù)制化?模塊化?通過鋰進(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?