首页 > 技术文章 > 浅谈绿色数据中心发展趋势及产品选型

浅谈绿色数据中心发展趋势及产品选型

2020-12-01 [95]

  摘 要: 针对目前大数据的发展对上游基础设施领域(数据中心)的需求持续旺盛的建设情况,从绿色节能的数据中心的角度出发,分析数据中心在单机柜功率密度、 PUE(电源使用效率)值、数据中心建设方式、数据中心建成后的运营管理 4方面的发展变化。 提出绿色数据中心在这4方面的可能变化方向,为数据中心建设的发展方向提供参考借鉴。

  关键词: PUE(电源使用效率); 数据中心; 小母线; AI(人工智能); 智能 DCIM(数据中心基础设施管理)

  0 引言

  数据现如今对于人们的重要性不亚于人之于空气水。无论是个人工作生活中产生的各类数字信息,还是企业之间业务往来所需要的数据, 亦或是国家层面的安全数据, 都离不开在背后承载着连接与计算的基础设施—— 数据中心。 随着云计算、物联网、5G 、人工智能等技术领域的兴起,数据中心的需求量呈现出爆炸式的增长。 根据相关组织的调查统计

  显示,数据中心基础设施市场规模从2013年的284.4 亿美元增长到 2018年的 626.3 亿美元, 平均年增速为0.1654 。 其中中国数据中心市场总规模由2013年的 262.5 亿元增长到2018年的 1210.4亿元,平均年增速为 0.3154 。 数据中心的飞速发展带了许多变化,对此,我们应该紧跟时代步伐,提高分析问题的能力,能在潮流中找准方向,攻克数据中心发展过程中的技术挑战

  1 数据中心的变化

  1.1 单机柜功率密度高密化

  传统数据中心受限于当时技术的发展, 在初期建设规划过程中,并无考虑过多的冗余度,其单机柜功率密度普遍在 1~3 kW 之间。 但随着互联网技术的高速发展,人类进入了信息时代。此时支撑着数据连接与计算的数据中心面临着业务量大幅提升的现状,在新建设的数据中心中,单机柜的功率密度提升到了4~10kW , 部分数据中心可支持机柜功率达 20~30kW 。 为了尽可能地提高 IDC(互联网数据中心)机房单位面积产生的价值,在相同空间内放置更多IT设备成了数据中心技术人员考虑与攻关的方向。 机柜高密度的变化给配电与暖通带来相应的挑战。在旧机房改造过程中,许多配电与暖通设备需要全部拆除更换全新的设备设施。 这不仅造成了资源上的浪费,也增加了企业的运营成本

  1.2 PUE 值呈下降趋势

  PUE (电源使用效率)值等于数据中心总设备能耗 /IT设备能耗, PUE值越接近 1 ,表示一个数据中心的绿色化程度越高。 目前, PUE值已成为衡量数据中心能源效率的重要指标, 我国数据中心的平均PUE值在 2~2.5之间。由于2010年之前国家没有绿色数据中心的要求,此前一些数据中心的 PUE 值高达 3.0 。 2013年以后新建的数据中心平均 PUE 值在1.5~1.8之间  。 2018年北京市政府公布《北京市新增产业的禁止和限制目录》,目录指出禁止新建和扩建信息处理和存储支持服务中的数据中心( PUE值在 1.4 以下的云计算数据中心除外) 。 这是政府在建设绿色节能的数据中心方面所释放出来的信号,PUE 值的下降呈必然趋势。 能源的紧张,政府的宏观政策的调控, 使得数据中心这个耗能大户走上一条可持续发展的道路。

  1.3 建设方式的改变

  数据中心基础建设在本质上是一项综合性的系统工程。早前的建设方式通过建造一栋整体的楼宇,加上供配电系统、柴油发电系统、空调系统、室内装修系统等数据中心配套设施。 这类整体建造方式给后期的扩容带来了不少阻力,缺少灵活,改造成本不亚于再造一座新的数据中心。 现今市场中较为主流的是整体规划、分布实施的模块化建设方式。此种建设方式可根据业务的发展,随用随建,可以降低基础设施的经济性贬值和技术性贬值, 提升资金的利用率。

  1.4 数据中心运营管理的智能化趋势

  在物理上建设完成一座数据中心, 并不意味着数据中心的生命周期已经结束。 对于数据中心的运维才是数据中心生命周期的开始, 要发挥数据中心的功能和作用, 数据中心的运营管理是至关重要的一个环节。 传统的数据中心在运维管理上更多地是依靠人工的方式来进行的。根据相关数据表明,在导致数据中心故障的所有因素中, 技术问题所占比例很小,但是人为失误引发的故障占近 0.7 的比例。 人为的不可控是数据中心安全运营较大的干扰因素之一,随着人工智能技术的发展,机器人将融入更多的运营管理应用场景, 代替可控度不确定的人工操作,减少数据中心的故障率。

  2 绿色数据中心的发展方向浅析

  2.1 小母线末端配电

  面对单机柜功率密度高密化的趋势, 传统的列头柜在后续改造方面呈现出明显的短板。 比如列头柜扩容和变更是非常困难的, 使用过的电缆也无法重复利用,缺少灵活。 然而,小母线可根据机柜负载大小而灵活分配,如需扩容、调相,小母线只需调整相应的插接箱,在线路上无需做任何的调整。空间方面,列头柜占用了大量空间,若干个机柜需要对应配备一个列头柜, 这使得空间上本来就十分宝贵的数据中心更加拥挤。小母线占用空间小、体积紧凑且走线直观简洁。若是大型数据中心,因为运用小母线而节省下来的空间将是十分可观的, 也能够带来一定的经济效益。 使用年限方面,列头柜一般在10年至15年之间,而小母线的使用寿命一般可达40年。通过对比我们发现, 小母线在未来应对机柜高密化的挑战更具有竞争力。 虽然国内目前在数据中心领域运用小母线配电方案并不普遍, 可能是基于建造成本的原因。但随着功率密度的不断攀升,建造者在成本与运维便捷性中会做出选择, 小母线将会成为数据中心后50m的解决方案。

  2.2 节能与PUE

  绿色节能的数据中心与我国走可持续发展道路的步调是一致的,为此,实现绿色节能的技术在行业中成为了大家共同努力的方向。 近些年来制冷和传热学以及材料科学并没有取得重大的突破, 但是PUE值也在飞速下降,这似乎并不符合人们的逻辑思维。 究其原因,是温湿度环境标准的放宽,节能由此得以实现。 早前因为数据中心要求的温湿度范围较为狭窄,数据中心为满足温湿度条件,制冷系统都采用的是机械制冷, 这大大地增加了数据中心的能耗,提升了 PUE 值。 随着环境要求的不断放宽,数据中心的节能技术转向了少量时间采用自然冷却,再到自然冷却时间占比越来越大, 甚至发展到以自然冷却为主,尔需要机械制冷来补充的方式。数据中心非IT设备能耗由此得到了降低, PUE值下降迅猛。 多家互联网企业也研发出不同的数据中心节能方案,如微软的潜水艇IDC 、雅虎的鸡舍IDC 、谷歌的海水冷却IDC 、脸书的风墙 IDC 。 除利用自然环境来散热节能的方式外,还有高温服务器、余热回收再利用、液冷散热技术等新技术在研究中,绿色节能技术呈现百家争鸣的局面。我们应该抓住机遇,深挖行业痛点,放眼世界,给出创新性的解决方案。

  2.3 快速部署

  大数据、 5G 、云计算、人工智能等新兴技术的快速发展, 使得数据中心的业务需求得到了高速的发展, 此时传统的数据中心建设方式显然不能跟上发展的步伐。 因此, 数据中心的建设方式正在往模块化、预制化、产品化发展。 模块化的数据中心被分成若干个子模块,这些模块提前在工厂中生产调试好,根据需要在现场进行搭积木式的安装, 缩短工程时间,达成快速部署的目标。此类建设方式正在获得互联网巨头们的广泛认可与投入, 作为与之配套的供应商们也应适应变化,产品的升级换代,踩准发展的节点。

  2.4 AI (人工智能)及智能 DCIM

  近两年 AI 不仅是年度热词,更是不同领域的企业深入思考的方向。 这犹如上个世纪末电脑行业的兴起, 人们起初并不知道电脑能给工作和生活带来怎样的变化, 其中困惑就在于如何将新技术与场景结合。 数据中心的建设者们也同样在思考:人工智能可以与数据中心的哪些场景结合。人工智能优势在于它在某些方面可以代替人工,一方面减少人为因素所引起的故障率, 另一方面将人从单一重复的劳动中解放出来。因此,人工智能与数据中心的结合场景可以有:数据中心的安防系统,减少安保人员眼看、手摸、跑腿等工作,提升安防系统的智能化程度;数据中心的巡检系统,可用巡检机器人代替基础设施保障人员在机房内采集温湿度数据、 检测可疑故障点等工作, 提高工作效率与准确度。数据中心的电力自动控制系统,利用人工智能技术由机器自主判断, 对电力系统中可能发生的过载现象实行甩负载措施, 从而保障重要负载的可靠运行。 这一切在数据中心利用智能 DCIM (数据中心基础设施管理)去实现。未来人工智能在数据中心的应用将从图纸中走向现实。

  3 安科瑞列头柜及监测产品介绍

  随着数据中心的迅猛发展,数据中心能耗问题也越来越突出,可靠的数据中心配电系统方案,是提高数据中心电能使用效率,降低设备能耗的方式。

  AMC系列数据中心配电系统是针对数据机房末端设计的,能够综合采集所有能源数据的智能系统,为交直流电源配电柜提供准确的电参量信息,并可通过通讯将数据上传到动环监控系统,实现对整个数据机房的实时监控和管理,为实现绿色IDC提供可靠保证。

  3.1配电管理解决方案

  3.1.1交流系统

  1)功能要求:

  遥测:输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度;输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度;

  遥信:输入分路的过压/欠压,缺相,过流,输入分路和输出分路的开关状态,具备电流、功率需用量分析和统计,实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。

  2)配置方案-示意图

3.1.2直流系统

  1) 功能要求

  遥测:输入分路的电压、电流、功率、电度;

  遥信:输入分路的过压/欠压,输入分路的熔丝状态,具备电流、功率需用量分析和统计,实现电压、电流、功率等参数的越限功能。

  2)配置方案-示意图

3.2产品规格

  说明:■为标配功能。

  3.3配套附件

  4 安科瑞母线槽监测产品介绍

  4.1 概述

  数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。近年来,随着数据中心建设的快速发展和更高需求,智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中,具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点,即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块,将数据上传至动环监控中心。

  4.2  AMB智能小母线管理系统

  1)交流系统功能:

  遥测:三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度,系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率;

  遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;

  2)直流系统功能:

  遥测:电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率;

  遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;

  4.3 产品介绍

  说明:■为标配功能。

  5结束语

  数据中心的高速发展是时代的需要, 而面对日新月异的时代变化, 数据中心自身也在不断地更新换代,不断地有新的技术和方案涌现出来。文章阐述了当前数据中心的发展现状与变化, 并给出未来数据中心的发展趋势的几点思考, 以探索数据中心在发展中可能出现的方向与风口, 对数据中心的建设规划具有一定的参考意义。