大話數據中心：能量模型和技術革新

陳炎昌 阿里巴巴 IDC技術架構師

大話數據中心：能量模型和技術革新

陳炎昌 阿里巴巴 IDC技術架構師

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

數據中心；能量模型；技術革新

1 引言

近幾年，數據中心行業發展除了部件級廠家一直在基礎技術應用發展外，擁有巨大規模的互聯網公司對成本、效率追求也推動著產業鏈進步，令數據中心行業增添不少色彩。無論是傳統數據中心，還是互聯網數據中心以及各種綠色數據中心，筆者發現目前行業上缺乏一個能夠很好地描述數據中心技術并且易于比較的模型。例如，Facebook數據中心、國內BAT公司數據中心、谷歌數據中心等，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點的差異，例如Facebook是新風自然冷，BAT公司和國內運營商現在用高壓直流為主、交流UPS為輔，國內BAT也有搞天蝎機架等，這種技術點的對比，難以形成更直觀的理解。同時，由于數據中心機電系統相對復雜，往往很難通過一套簡單的圖或者表來描述和對比相關技術應用的情況。而本文的目的，就是提出一種新的方法論圖譜來解釋數據中心的技術應用情況。本文并未深入探討專業知識，而是希望從數據中心設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、清晰地描述一個數據中心的技術。

（2）數據中心現在的電氣和暖通技術圖譜是什么。

筆者在本節將會引入新的概念，叫做能量模型。什么是能量模型？先拋開那些非數據中心機電基礎設施的話題，例如服務器、存儲、網絡、應用層面等。筆者對能量模型的定義，就是能量傳輸到關鍵設備然后耗散的模型。從這個最基本的原理出發，把能源獲取的形式考慮進去，包括熱電三聯供、太陽能、風能等新能源，可以得出如圖1所示的能量轉換過程圖。

圖1 能量轉換過程流程圖

2 什么是能量模型

簡單的能量轉換流程圖，體現電力既需要供給計算機等關鍵負載，也需要給散熱設備供電從而排走廢熱。接下來，把供電系統、散熱系統以層級進行分解，這種層級的關系至少包括：

（1）Component，計算機設備的部件級。

（2）Server，計算機設備級。

（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，只需要把相關設備技術在合適的層級表示，就可以得到一個數據中心的能量模型。筆者用比較常見的中大型數據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 中大型數據中心能量模型

通過如圖3所示的能量模型不難發現，一般數據中心的電力通過發電機和市電切換的ATS、UPS和電池，到最后的服務器內部，由PSU和VR轉換給相關設備所需工作電壓。而設備的熱量，通過散熱片、服務器內部風扇排出后，會通過房間精密空調、冷凍站設備、冷卻塔排出室外。

同樣，這個能量模型不僅適用于中大型數據中心，也適用于非常小的網絡間和IT設備間。以現在國內小型網絡通信間、CDN節點、邊緣計算用的機柜式Mini機房為例，通常這類設備為單個機架集成UPS、電池、空調、配電、管理軟件等，圖4為某廠商產品示例。

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，國內互聯網數據中心、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。

●如果改成中壓發電機，ATS切換需要在中壓母線上。

●天蝎機架，服務器內部不再有PSU，轉而采用機架級別統一的PSU，同時服務器內部也沒有風扇，采用機架級別的風扇背板，有關天蝎機架的相關標準規范，可以查閱www.opendatacenter.cn的相關內容。

筆者從簡單原理逐步引入整個能量模型的核心思想，同時對國內一些常見數據中心技術應用組合進行了舉例，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數據中心設計的Tier可用性等級。筆者將會以能量模型為核心方法論，展示現階段主流技術以及創新技術的形態。

圖4 某廠商產品示例

3 能量模型和技術革新

圖5 某廠商解決方案能量模型

圖6 國內互聯網數據中心、天蝎機架、高壓直流等方案的能量模型

能量模型，不但反映了一個數據中心的應用技術組合，而且還可以就電氣系統或者散熱系統單系統，進行更深入的技術探討。筆者就目前出現的不間斷電源架構系統上，對現有的方案以及正在發生變化的技術革新進行橫向比較（見圖7）。

圖7 對現有的方案以及正在發生變化的技術革新進行橫向比較

對7種方案，筆者也給出對應案例，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現，實際上互聯網公司的創新，在電源本質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業鏈資源。生產制造商都在想方設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化電源的效率。層級越低，可能因為型號繁多導致難以標準化，縱使看上去規模大也未必能形成技術和成本優勢。

表1 根據方案描述給出參考案例1

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

根據能量模型圖，給出6種案例，具體參見表2。

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

進一步地，可以把若干技術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。從技術上來說，這些模塊化如何定義設備涵蓋范圍，簡單而言就是如何把它們圈起來，是通過集成交付也好，還是產品集成研發也好，最終目的就是做到一起而已（見圖9）。

圖8 散熱（制冷）系統能量模型

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

表2 根據方案描述給出參考案例2

圖9 若干技術橫向和縱向組合在能量模型上做出各種模塊化

4 結束語

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

2016-09-20）