陳炎昌 阿里巴巴 IDC技術(shù)架構(gòu)師

大話數(shù)據(jù)中心：能量模型和技術(shù)革新

陳炎昌 阿里巴巴 IDC技術(shù)架構(gòu)師

由于數(shù)據(jù)中心機電系統(tǒng)相對復(fù)雜，往往很難通過一套簡單的圖或者表來描述和對比相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的情況。本文的目的是提出一種新的方法論圖譜來解釋數(shù)據(jù)中心的技術(shù)應(yīng)用情況。本文并未深入探討專業(yè)知識，而是希望從數(shù)據(jù)中心設(shè)計的寬度和高度上提供思路及參考。

數(shù)據(jù)中心；能量模型；技術(shù)革新

1 引言

近幾年，數(shù)據(jù)中心行業(yè)發(fā)展除了部件級廠家一直在基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展外，擁有巨大規(guī)模的互聯(lián)網(wǎng)公司對成本、效率追求也推動著產(chǎn)業(yè)鏈進步，令數(shù)據(jù)中心行業(yè)增添不少色彩。無論是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，還是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心以及各種綠色數(shù)據(jù)中心，筆者發(fā)現(xiàn)目前行業(yè)上缺乏一個能夠很好地描述數(shù)據(jù)中心技術(shù)并且易于比較的模型。例如，F(xiàn)acebook數(shù)據(jù)中心、國內(nèi)BAT公司數(shù)據(jù)中心、谷歌數(shù)據(jù)中心等，運營商租賃機房怎樣能夠簡單明了地擺在一起進行橫向比較？很多人可能會知道一些技術(shù)點的差異，例如Facebook是新風(fēng)自然冷，BAT公司和國內(nèi)運營商現(xiàn)在用高壓直流為主、交流UPS為輔，國內(nèi)BAT也有搞天蝎機架等，這種技術(shù)點的對比，難以形成更直觀的理解。同時，由于數(shù)據(jù)中心機電系統(tǒng)相對復(fù)雜，往往很難通過一套簡單的圖或者表來描述和對比相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的情況。而本文的目的，就是提出一種新的方法論圖譜來解釋數(shù)據(jù)中心的技術(shù)應(yīng)用情況。本文并未深入探討專業(yè)知識，而是希望從數(shù)據(jù)中心設(shè)計的寬度和高度上提供思路及參考。筆者主要想分享兩點：

（1）如何用一張圖，一套方法論，簡單、清晰地描述一個數(shù)據(jù)中心的技術(shù)。

（2）數(shù)據(jù)中心現(xiàn)在的電氣和暖通技術(shù)圖譜是什么。

筆者在本節(jié)將會引入新的概念，叫做能量模型。什么是能量模型？先拋開那些非數(shù)據(jù)中心機電基礎(chǔ)設(shè)施的話題，例如服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用層面等。筆者對能量模型的定義，就是能量傳輸?shù)疥P(guān)鍵設(shè)備然后耗散的模型。從這個最基本的原理出發(fā)，把能源獲取的形式考慮進去，包括熱電三聯(lián)供、太陽能、風(fēng)能等新能源，可以得出如圖1所示的能量轉(zhuǎn)換過程圖。

圖1 能量轉(zhuǎn)換過程流程圖

2 什么是能量模型

簡單的能量轉(zhuǎn)換流程圖，體現(xiàn)電力既需要供給計算機等關(guān)鍵負(fù)載，也需要給散熱設(shè)備供電從而排走廢熱。接下來，把供電系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)以層級進行分解，這種層級的關(guān)系至少包括：

（1）Component，計算機設(shè)備的部件級。

（2）Server，計算機設(shè)備級。

（3）Rack，機架級。

（4）Row，行/列級。

（5）Room，房間級，MV/LV ROOM，中壓/低壓配電室。

（6）Building，樓宇/樓層級。

配合電能和熱能的能量轉(zhuǎn)換，以及上面的層級，就會得出一張能量模型圖譜（見圖2）。

對于圖2所示的圖譜，只需要把相關(guān)設(shè)備技術(shù)在合適的層級表示，就可以得到一個數(shù)據(jù)中心的能量模型。筆者用比較常見的中大型數(shù)據(jù)中心作為案例進行剖析，具體參見圖3。

圖2 能量模型圖譜

圖3 中大型數(shù)據(jù)中心能量模型

通過如圖3所示的能量模型不難發(fā)現(xiàn)，一般數(shù)據(jù)中心的電力通過發(fā)電機和市電切換的ATS、UPS和電池，到最后的服務(wù)器內(nèi)部，由PSU和VR轉(zhuǎn)換給相關(guān)設(shè)備所需工作電壓。而設(shè)備的熱量，通過散熱片、服務(wù)器內(nèi)部風(fēng)扇排出后，會通過房間精密空調(diào)、冷凍站設(shè)備、冷卻塔排出室外。

同樣，這個能量模型不僅適用于中大型數(shù)據(jù)中心，也適用于非常小的網(wǎng)絡(luò)間和IT設(shè)備間。以現(xiàn)在國內(nèi)小型網(wǎng)絡(luò)通信間、CDN節(jié)點、邊緣計算用的機柜式Mini機房為例，通常這類設(shè)備為單個機架集成UPS、電池、空調(diào)、配電、管理軟件等，圖4為某廠商產(chǎn)品示例。

同樣，可以把這種解決方案按能量模型通過圖5表示出來。

另外，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、天蝎機架、高壓直流等方案的能量模型可參見圖6。

需要值得注意的是：

●高壓直流的電池在直流母線上，交流UPS在能量路徑上有所不同。

●如果改成中壓發(fā)電機，ATS切換需要在中壓母線上。

●天蝎機架，服務(wù)器內(nèi)部不再有PSU，轉(zhuǎn)而采用機架級別統(tǒng)一的PSU，同時服務(wù)器內(nèi)部也沒有風(fēng)扇，采用機架級別的風(fēng)扇背板，有關(guān)天蝎機架的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可以查閱www.opendatacenter.cn的相關(guān)內(nèi)容。

筆者從簡單原理逐步引入整個能量模型的核心思想，同時對國內(nèi)一些常見數(shù)據(jù)中心技術(shù)應(yīng)用組合進行了舉例，用能量模型進行了分析。需要明白的是，能量模型并不能很好地反應(yīng)數(shù)據(jù)中心設(shè)計的Tier可用性等級。筆者將會以能量模型為核心方法論，展示現(xiàn)階段主流技術(shù)以及創(chuàng)新技術(shù)的形態(tài)。

圖4 某廠商產(chǎn)品示例

3 能量模型和技術(shù)革新

圖5 某廠商解決方案能量模型

圖6 國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、天蝎機架、高壓直流等方案的能量模型

能量模型，不但反映了一個數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用技術(shù)組合，而且還可以就電氣系統(tǒng)或者散熱系統(tǒng)單系統(tǒng)，進行更深入的技術(shù)探討。筆者就目前出現(xiàn)的不間斷電源架構(gòu)系統(tǒng)上，對現(xiàn)有的方案以及正在發(fā)生變化的技術(shù)革新進行橫向比較（見圖7）。

圖7 對現(xiàn)有的方案以及正在發(fā)生變化的技術(shù)革新進行橫向比較

對7種方案，筆者也給出對應(yīng)案例，具體參見表1。

能量模型的每個層級都代表市場。從能量模型中也可以發(fā)現(xiàn)，實際上互聯(lián)網(wǎng)公司的創(chuàng)新，在電源本質(zhì)上并沒有任何的改變。在不同層級上做后備電源UPS和電池備份，意味著整合不同的產(chǎn)業(yè)鏈資源。生產(chǎn)制造商都在想方設(shè)法讓自己可以在更多層級里提供解決方案，例如從房間級到機架級，同時也在各自能力最強層級里盡量優(yōu)化電源的效率。層級越低，可能因為型號繁多導(dǎo)致難以標(biāo)準(zhǔn)化，縱使看上去規(guī)模大也未必能形成技術(shù)和成本優(yōu)勢。

表1 根據(jù)方案描述給出參考案例1

談完電氣系統(tǒng)，再來看散熱（制冷）系統(tǒng)的變化，類似上面電氣系統(tǒng)的分析方法，散熱系統(tǒng)也按照層級以及應(yīng)用技術(shù)展開對比，具體參見圖8。

根據(jù)能量模型圖，給出6種案例，具體參見表2。

通過能量模型，只要把電氣系統(tǒng)方案和散熱系統(tǒng)方案進行組合，就會得出多種方案。所以，不妨把那些看上去酷炫技術(shù)的數(shù)據(jù)中心拆解出來分析一下其機電系統(tǒng)，基本就是這幾種形式進行組合。實際上，機電設(shè)備本來就是基礎(chǔ)行業(yè)和學(xué)科，暫時在物理學(xué)（電磁學(xué)、熱力學(xué)）、化學(xué)（儲能）上沒有突破性進展，目前技術(shù)創(chuàng)新更多是技術(shù)改良以及整合供應(yīng)鏈。撥開大數(shù)據(jù)、云計算等云霧，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)機電設(shè)施仍然還是那些技術(shù)，不同的是，技術(shù)應(yīng)用場景會不斷變化。

進一步地，可以把若干技術(shù)橫向和縱向組合在一起，就可以在能量模型上做出各種模塊化。從技術(shù)上來說，這些模塊化如何定義設(shè)備涵蓋范圍，簡單而言就是如何把它們?nèi)ζ饋?，是通過集成交付也好，還是產(chǎn)品集成研發(fā)也好，最終目的就是做到一起而已（見圖9）。

圖8 散熱（制冷）系統(tǒng)能量模型

這種模塊化的方式，對技術(shù)本質(zhì)基本沒有任何創(chuàng)新，更多收益來自供應(yīng)鏈，在交付上。筆者并非想否認(rèn)做模塊的價值，只是希望讀者更深入地理解能量模型能夠分析得出什么，以及怎樣看待技術(shù)問題的思路。

表2 根據(jù)方案描述給出參考案例2

圖9 若干技術(shù)橫向和縱向組合在能量模型上做出各種模塊化

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心由于專業(yè)繁多，很多人往往只專注于自己的領(lǐng)域而沒有站在更高的角度思考技術(shù)的影響及技術(shù)的價值。本文的目的，引入能量模型的新理念去思考整個技術(shù)架構(gòu)和產(chǎn)業(yè)變化。通過本文介紹的能量模型的示例可以看出，即使互聯(lián)網(wǎng)公司如何創(chuàng)新研發(fā)，暫時也沒有突破技術(shù)本質(zhì)的邊界，差異的只是技術(shù)的表現(xiàn)形式。因此，無論是作為用戶，還是設(shè)計院、集成商亦或設(shè)備制造商，要清楚地知道在能量模型里，自己需要什么不需要什么，商業(yè)和技術(shù)能力邊界在哪里，哪些是自己有競爭力的。選擇合適的技術(shù)和成本模型，比單純追求模塊化和創(chuàng)新更有價值。

2016-09-20）