華爲四大重構，新一代數據中心來了！
10月30日的2020共贏未來全球線上峰會（Better World Summit2020）數字化轉型之下的能源目標網專場，Uptime Institute全球大客戶總監Lilia Severina作了精彩的《數據中心發展趨勢洞察》報告，簡要介紹了2020年和2021年全球數據中心行業的十大最新趨勢。Uptime Institute是全球公認的數據中心標準組織和權威的第三方認證機構，其上述洞察引起了5G微信公衆平臺對國內數據中心發展趨勢的深思。
數據中心亟需成爲技術創新高地
當下，受"互聯網+"、大數據戰略、數字經濟、新基建等國家政策指引，以及5G、物聯網、大數據、雲計算、智能等技術蓬勃興起下消費互聯網和產業互聯網快速發展的驅動，數據正在成爲寶貴的戰略資源和關鍵生產要素，對產業生產方式、運行模式、生態體系產生深遠影響。各行各業利用傳感器、5G、物聯網、數據中心等採集、傳輸、存儲並分析顯性及非顯性數據，通過廣泛攫取數據及深度挖掘數據價值爲企業數字化轉型提供支撐，海量數據不斷生產並積累。如下圖所示，賽迪預計2030年中國數據原生產業規模將佔整個經濟總量的15%，數據的總體規模超過4096 ZB，佔全球數據總量的30%。
數據量及計算量呈指數級的爆發式增長，將帶動數據中心規模不斷擴張。與TCP/IP時代機房/數據中心處於"配角"地位不同，提供並管理資源的雲數據中心逐漸進入到了舞臺中央。一方面，數據中心進入需求擴張期且大型化、園區化、集羣化趨勢明顯，隨着雲計算技術的大規模商用，大型雲基礎設施要求在相對集中的區域內部署多個大型數據中心園區，滿足其超大規模計算和數據存儲的需要。另一方面，雲計算、大數據、智能等改變了數據中心，使得數據中心從拿來主義的技術輸入方逐漸變成各種創新技術的輸出方，使得數據中心成爲複雜性的聚集地，變得資源密集型、資本密集型，而且正在變得技術密集型，也將必然會發展爲技術創新的新高地以真正成爲數字經濟深入發展的"基石"。
數據中心的上述技術創新先是發生在其IT域，一是計算方面的整機櫃、多節點、定製化通用服務器等，二是網絡方面的超大規模組網、大規模路由組織、"SDN+OpenStack"雲網一體化管控、智能網卡、超低時延無損網絡等，三是存儲方面的企業級硬盤等。但是在非IT域，爲平衡效率和成本，作爲信息處理、存儲、發佈等核心設施的數據中心，其傳統的規劃、設計、建造、運維等全生命週期過程越來越不能適應飛速發展的業務需求的變化特點。而5G微信公衆平臺深入分析華爲近日發佈的"PowerX2025能源目標網"之"DC PowerX© （下一代數據中心能源）"解決方案後發現，圍繞數據中心的非IT域技術創新也已經取得了很大的成果，引領數據中心非IT域開始走向開放化、標準化、模塊化和預製化等，實現了對數據中心架構、供電鏈路、溫控系統、管理系統的重構。
華爲對數據中心進行了四大重構
市場需求激增的數據中心，面臨着建設資源獲取難/建設週期長、能耗高、運維複雜等艱鉅挑戰。據悉，華爲提出了極簡、綠色、智能、安全的下一代數據中心目標架構，以"四大重構"爲手段，解決了數據中心上述挑戰。
● 解決了"建設週期長"：重構數據中心架構
傳統的數據中心，在建設模式上的弊端多且大，在前期規劃建設階段主要有三大難點，一是存在過度投資的風險，初期投資成本高企；二是建設工程複雜，建設週期長，無法快速投產（比如以一個具有1000架機櫃的數據中心爲例，如果按照現有傳統的建設模式，需要經歷18個月以上甚至兩年時間的"曠日持久"）；三是即使是在建成後，業務需求增長、數據中心容量擴容、現有設施擴建或改造等帶來的設計和建設問題也很難得到解決。
這些使得數據中心越來越跟不上時代的發展。一方面，隨着消費互聯網業務以及產業互聯網業務日益呈現"短時間內快速爆發"的特徵，業務側數據和流量需求激增，要求數據中心必須快速投入使用。另一方面，數據中心正在由支撐系統轉變爲生產系統，"更快上線"意味着"更快收益"。
所以亟需對數據中心的建設模式進行變革。據瞭解，華爲推出了工程預製化和部件模塊化方案，通過工廠預製集成和預安裝以及發貨前全場景調測，將其作爲標準化"即插即用式"模塊運至數據中心施工現場以進行簡單、快速的"拼接"式安裝（好比拼接積木一般），以及後期模塊化靈活擴容，從而實現了"工程極簡"，可滿足數據中心對於"快速部署"和"業務快速上線"的需求——建設週期可以被大幅縮短至6-9個月，TTM和交付時間均節省50%以上。
綜上，5G微信公衆平臺認爲華爲的上述方案使得數據中心具備快速部署、彈性擴容、運維簡單、高效節能等優勢，相比於傳統數據中心在成本和效率的可預見性、時間成本、空間成本、規劃流程、可靠性、改善靈活性等方面都不可"同日而語"；而且尤其是在數據中心單櫃平均功率日趨高密的趨勢下，該方案使得數據中心更加節省空間。總體上，相關方案正在引領數據中心的建設模式從實體建築向模塊化組裝過渡。
● 解決了"能耗高"：重構數據中心供電鏈路、溫控系統
數據中心的本質是把電力轉換爲算力，再把算力轉換爲IT服務。隨着計算能力不斷提升，能耗必然大幅提升。數據中心屬於高能耗信息基礎設施，一個擁有1000臺高密度機架的小型數據中心，總功耗是21000kW，全年滿負荷能耗可達1.8億千瓦時。還有數據顯示，全球數據中心目前的耗電量約佔總量的3%，預計到2025年總耗電量將達1000TWh以上。巨大的能耗成本是數據中心最主要的運營成本之一，節能減排和降低運營成本面臨巨大挑戰，受不可再生資源稀缺及能源成本日益上升的影響，降低數據中心PUE以及建設低能耗綠色數據中心成爲必然的發展方向。
從數據中心的能耗構成來看，IT系統、供電系統以及溫控系統是構成數據中心能耗的主體， 三者所消耗的能耗佔數據中心整體能耗的98%，成爲數據中心節能降耗的關鍵領域。其中，供電系統以及溫控系統的能耗僅次於IT系統的能耗，比如PUE=1.6的數據中心，供電系統以及溫控系統約佔整體能耗的40%左右。目前國內大多數數據中心的PUE值還有着很大的優化空間。着眼於大幅降低數據中心PUE，筆者瞭解到，華爲提出了重構數據中心供電鏈路、重構數據中心溫控系統的解決方案——通過"硅進銅退"、"鋰進鉛退"、預測性維護，重構供電鏈路，實現安全可靠；通過"風進水退"與智能節能，重構溫控系統，降低PUE，實現極致節能。
一是重構數據中心供電鏈路。
傳統數據中心供配電系統包括變壓器、低壓配電、UPS、支路饋線等多個部分，存在系統割裂且複雜、佔地面積大、故障定位難等問題。而如果有極簡的供電架構，則可減少變換次數，縮短供電距離，減少佔地，提升出櫃率和系統能效。同時，相比於傳統鉛酸電池的佔地面積大、初始投資高、維護成本高，鋰電池在佔地面積、使用壽命等方面存在優勢，隨着鋰電池成本的不斷下降，未來將在數據中心規模應用。華爲通過鋰進鉛退硅和進銅退的數據中心供電鏈路重構，大幅降低能源浪費。一方面華爲電力模塊用電效率高達95.5%；另一方面智能鋰電實行全部件模塊化，按需求擴容，單櫃電量高。同時，系統運行效率高，單套UPS全生命週期可省電費約20萬，且全部件模塊化，可在後期按需擴容。
此外，傳統數據中心的供配電系統採用"分散設計，分段招標，再進行現場施工"的部署方式。而華爲電力模塊採用全鏈路融合的一體化設計，並採用預製化、預調測來實現極簡安裝、即插即用，不但可實現快速部署，還更加省地、省電，以及更易於維護管理。5G微信公衆平臺認爲預製化電力模塊是數據中心配電系統建設的一種創新形式，從設計到建設階段，全程遵循"標準化設計、工廠化加工、裝配式建設"的理念，通過電氣一次和二次集成設備最大限度實現規模生產、集成調試、模塊化配送，減少現場安裝、接線、調試工作；電力模塊採用裝配式結構，可通過工廠預製、現場機械化安裝，有效提高建設質量和效率，既能縮短施工現場部署時間，又能提高系統性能的可預見性。
二是重構數據中心溫控系統。
GPU、NPU的應用促進高密場景增多，液冷系統越來越普遍。但部分存儲與計算業務仍爲低密場景，爲快速適應未來不確定的IT業務需求，製冷方案需兼容液冷系統和風冷系統。
一方面，數據中心液冷系統的節能可分爲設計節能和運維節能。設計節能主要是通過製冷系統方案設計和設備選型來實現，更多體現在通過硬件來節能。但是，有了高能效的硬件，並不代表就能發揮出最優的節能效果，其節能效果的優劣還與數據中心的運維水平息息相關。而傳統的運維節能往往依賴於一個有經驗的運維團隊，他們會根據多年的運維經驗，判斷出在不同季節、不同環境溫度和不同負載率下，如何調節整個製冷系統的運行參數，儘可能地實現製冷系統能效的最大化。但運維團隊的經驗是在實踐中摸索出來的，不但可遇不可求，同時也難以精準把控。因此，針對複雜的冷凍水製冷系統，需要找到一種新的控制算法，以達到整體最優的效果，而大數據、智能化則是能效優化的一個探索方向。5G微信公衆平臺瞭解到，目前華爲iCooling技術已經在多個大型數據中心規模商用，實現了數據中心製冷智能化，實測可有效降低數據中心PUE 8%-15%（比如實踐表明，通過引入iCooling，華爲廊坊雲數據中心的PUE值從1.42降低到了1.26），還大幅度節省了運維人力。
另一方面，現有的傳統冷凍水系統由冷卻塔、板式換熱器、冷水機組與冷凍水型精密空調組成，架構複雜、鏈條長，需四次換熱，且安裝和運維複雜，不利於快速部署和運維，而華爲模塊化架構的間接蒸發冷卻系統只有一套系統、只需一次換熱，可縮短部署時間、降低運維難度，同時充分利用自然冷卻資源，大幅降低製冷系統的電力消耗，能將PUE降至1.2，年電費節省14.3%，在氣候適宜區域將逐步取代冷凍水系統。
● 解決了"運維複雜"：重構數據中心管理系統
數據中心運維中最大的難點在於當調整了其中一個參數時，系統中的其他參數將做出如何改變、又應該如何配合？在目前的運維體系中沒有現成的公式或算法可供參考。通過數字技術分析與數據中心內具體組件生成的數據之間的聯繫，以發現不同設備與不同系統參數對系統整體的影響，於其中，動態模型訓練、推理與決策是關鍵。據悉，華爲重構了數據中心的管理系統，讓傳統被動型人工運維轉變爲主動預防型數字化運維，並將逐級實現自動化運維，實現數據中心運維的自動駕駛，降低運維成本。筆者相信隨着iCooling方案以及一系列數字技術在數據中心運營和管理中的作用越來越廣泛，"智能運維"、"無人值守"等概念將不再只是被反覆提及的"熱詞"。
助力推進碳中和的偉大目標
新基建時代，網聯化、信息化、數字化將驅動數據呈爆發式增長態勢，迎來政策與技術發展風口期的數據中心，亟需解決建設週期長、能耗高、運維複雜等艱鉅挑戰，以成爲數字經濟深入發展的堅實底座。從上文看來，華爲"DC PowerX© （下一代數據中心能源）"解決方案通過重構數據中心架構、重構數據中心供電鏈路與溫控系統、重構數據中心管理系統很好地解決了上述三大挑戰，引領數據中心開始走向開放化、標準化、模塊化和預製化等，爲"二氧化碳排放2030年左右達到峰值並爭取儘早達峰，單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%"這一目標的早日實現提供了很大的助力。
作者：5G