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数据中心基础设施新技术及发展趋势分析
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  随着信息化建设的加速推进以及互联网、云计算等新技术新业务的蓬勃发展,出现了非常多的数据中心基础设施新技术。此外,随着通信网络规模快速扩张,信息通信业能源消耗呈现快速增长态势,推动了数据中心基础设施领域节能的新技术发展,从而降低整个信息通信领域的能耗。根据对数据中心能耗组成的研究我们发现,基础设施能耗占整个数据中心能耗50%左右,因此研究数据中心基础设施新技术发展及其在节能领域的应用在信息通信领域甚至整个工业领域都显得尤其重要。

  一、数据中心基础设施新技术研究

  本章节分别从数据中心基础设施中主要组成部分,也是能耗较大的部分,如IT系统、供电系统和制冷系统等三个部分分析数据中心基础设施新技术。

  (一)IT系统新技术

  服务器系统采用通用硬件架构上的虚拟化技术是近年来应用的新技术。存储方面,传统数据中心以传统硬盘以磁介质为材料,是服务器主要数据存储单元。近年来,随着闪存成本不断降低,以闪存为介质的SSD固态硬盘速度快、时延低,在云计算、大数据等场景应用广泛,有逐步替代传统硬盘的趋势。

  数据中心网络方面,VxLAN等大二层技术的应用,使得大规模数据中心中跨物理数据中心的二层连接成为可能。在虚拟化的大背景下,虚拟机的自由迁移成为必要的业务需求,使得原有的二层网络亟待扩展,甚至需要扩展到跨异地数据中心的大二层网络。VxLAN等大二层技术实质是将二层数据包封装入三层包内的Overlay技术,解决了以上需求。VxLAN在软件定义网络(SDN)中也有很大用处,不仅仅用于软件定义网络环境内的虚拟机之间的互通,也能够实现虚拟软件环境与物理网络环境的互通。部分硬件厂商已经将VxLAN打包和解包使用硬件芯片实现,大大提高了大二层互通的性能。

  软件定义网络(SDN)的大范围部署增加了数据中心网络部署的弹性和敏捷性,使得数据中心的网络建设和运维成本进一步降低,性能大幅度优化,网络的控制层面和转发层面分离,使得网络体系更加开放,从而使开源和白牌转发设备会成为数据中心网络设备的主体。

  (二)供电系统新技术

  市电和高压直流(240V直流或者336V直流)两路供电技术由于市电直供回路中没有任何能量转换单元而能够大大提高供电系统效率,在数据中心得到了大量的应用。此供电系统具有市电优先供电模式和两路共同均分负载两种运行模式。

  数据中心供电是由油机和电池等后备电源系统进行保障的,而在油机启动过程中,一般为十五分钟,数据中心需要大电流短时间放电电池来给数据中心内所有设备供电。近年来在数据中心大面积应用了高功率电池。该电池能够在半小时甚至十五分钟之内以大电流放电,在很大程度上解决了投入成本过高的问题。

  (三)制冷系统新技术

  列间制冷设备和热管背板(或前门)制冷设备可以方便地将制冷设备靠近服务器热源,大大减小送风距离从而有效减少冷量浪费,直接吸收设备热量,满足数据中心机房不断散热的要求,同时大幅提升整个制冷系统的能效。

  此外,在大型数据中心比较广泛的利用自然冷源的冷却技术,如水侧自然冷源制冷技术,用冷却塔来替代冷水机组供冷,可以达到节省能耗的目的,效果显著。

  在服务器密度高的机房环境中,液冷技术也逐渐体现了它的作用。其利用管道将冷媒传送到服务器内部,直接贴合热源。利用冷媒的温升带走热量,具有冷却能力极强,噪音低等特点。

  (四)综合新技术

  数据中心对微模块的使用已是大势所趋,因为它具有标准的功能定义和输入输出接口,是能够完成单项或多项业务的功能单元。模块化的数据中心成本也相对较低,因此在整个信息通信行业内得到了广泛的应用。

  而在机柜层面,整机柜服务器也即将成为数据中心大热的产品。它是集中散热、集中供电、集中管理、一体化交付的整体式机柜,上架密度最大可提高一倍,同时具备自动资产定位等常规服务器所不具备的特性。  

  二、我国数据中心基础设施发展趋势

  数据中心由第一代大型计算机机房,到第四代云计算大型数据中心,微模块一体化机房,呈现了逐渐与IT设备深度融合的趋势。同时多种能源的综合利用也是一个重要的发展趋势,例如冷热电联供技术,是世界第二代能源技术发展的重要方向之一。此外,数据中心基础设施在深度应用物联网技术,能够帮助数据中心正常运行时保持高水平,且降低资本和运营支出。

  (一)IT系统发展趋势

  硬件技术的进一步发展和软件虚拟化技术的应用使得数据中心服务器实现了更高的密度。目前大型主流数据中心已经广泛部署25G以太网接口的服务器,正在向50G和100G迈进。同时CPU主频和存储也在向更高技术指标更高密度迈进,使得单台物理机的性能越来越强大。同时一虚多等虚拟技术的广泛应用,使得单台物理主机可以虚拟为多台虚拟机,实现了单位体积的更高应用密度。

  另外,大型互联网公司基于成本和运行效率考虑更愿意采用定制化的服务器。天蝎整机柜服务器标准就是国内的互联网巨头将自己的特殊的大规模服务器部署需求定制化于整体服务器机柜而制定的。国际上,互联网巨头亚马逊和谷歌等自建的数据中心也都有各自的服务器定制化标准。

  (二)供电系统发展趋势

  高压直流供电以低投资、高可靠性、低运营成本等优势逐步成为IDC机房一种新的供电模式,同时具备采用全数字化控制技术的电源可实时监视设备本身的各种运行参数和状态,蓄电池直接与后端负载相连等特点,可大大提高设备的可靠性和对用户的适应性。

  从能源多样化角度来看,在资源丰富的区域,太阳能和风能等可再生能源的低排放与可循环利用,将是市电供电方式的有益补充。与此同时,不同的能源输入形成的能源互联网将在信息供电系统中得到大量的应用。

  (三)制冷系统发展趋势

  水侧自然冷却系统和热管制冷(如热管背板)等领用自然冷源进行冷却的方式将是未来发展的方向。此外,IT设备与数据中心基础设施制冷系统协同运行也是研究的一个大方向。数据中心冷暖需求的智能化感知,可以实现服务器与空调系统智能化的供需平衡,进而达到节能减排。

  三、促进我国数据中心基础设施发展的建议

  如何结合IT设备的需求来供电和制冷,实时的自我监控与联动控制,与云计算技术相结合,能源互联网和云端制冷技术将会是业界考虑的重点问题。同时随着大量数据中心的建设,维护人员的缺口问题也日益明显,因此培养本土化人员也是今后要做的重点工作之一。

  个人简介:

  齐曙光,北京邮电大学硕士。现就职于中国信息通信研究院泰尔系统实验室,高级工程师,研究方向:信息通信能源技术、基础设施节能技术。

  联系方式:qishuguang@caict.ac.cn

  地址:北京酒仙桥北路9号恒通国际创新园C15中国泰尔实验室

  陈雷,北京邮电大学硕士。现就职于中国信息通信研究院泰尔系统实验室,高级工程师,研究方向为未来网络、软件定义网络(SDN)。

  联系方式:chenlei@caict.ac.cn

  地址:北京花园北路52号中国信息通信研究院泰尔系统实验室网络技术部


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