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數(shù)據(jù)中心是如何發(fā)展的科普數(shù)據(jù)中心前世今生

2022-03-02 09:01:25 來源：鮮棗課堂

數(shù)據(jù)中心，英文縮寫叫IDC，也就是 Internet Data Center(互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)。

之所以不太直接稱之為“DC”，主要是為了避免和直流電(Direct Current)混淆。而且，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心普遍都接入互聯(lián)網(wǎng)，以互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)為主，所以，叫“IDC”也更準(zhǔn)確。

從作用上來看，數(shù)據(jù)中心就是一個(gè)超大號(hào)的機(jī)房，里面有很多很多的服務(wù)器，專門對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理(存儲(chǔ)、計(jì)算、交換)。

根據(jù)業(yè)界機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2020 年全球經(jīng)數(shù)據(jù)中心處理的數(shù)據(jù)流量高達(dá) 15.3ZB(1ZB≈10 億 TB)，占全球總流量的 99.35%。也就是說，幾乎所有的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，都離不開數(shù)據(jù)中心的處理，由此可見其重要性。

按現(xiàn)在比較流行的說法，數(shù)據(jù)中心是像水廠、電廠一樣的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的動(dòng)力引擎，也是國家和社會(huì)發(fā)展的支撐底座。

數(shù)據(jù)中心的發(fā)展階段

我們先來看看數(shù)據(jù)中心的發(fā)展歷史。

上世紀(jì) 60 年代的時(shí)候，人類還處于大型機(jī)時(shí)代。那時(shí)，為了存放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)和電力設(shè)備，人們修建了機(jī)房，并將其稱為“服務(wù)器農(nóng)場”(Server farm)。

這個(gè)“服務(wù)器農(nóng)場”，被認(rèn)為是數(shù)據(jù)中心的最早原型。

到了 90 年代，隨著互聯(lián)網(wǎng)的誕生和蓬勃發(fā)展，很多公司開始推行信息化。他們建設(shè)自己的網(wǎng)站，還搭建了大量的郵件、FTP、OA 辦公自動(dòng)化等服務(wù)器。

有些公司將服務(wù)器放在企業(yè)內(nèi)部的機(jī)房。也有些公司，因?yàn)榉?wù)器不多，但又不愿意放在辦公室(噪音大、容易斷電、安全性低)，于是，就“托管”在運(yùn)營商機(jī)房，租用運(yùn)營商的場地、電力、網(wǎng)絡(luò)帶寬，讓對方代為管理和維護(hù)。

于是，數(shù)據(jù)中心的概念開始逐漸形成。1996 年。一家名叫 Exodus 的美國公司(專門從事機(jī)房設(shè)施建設(shè)和帶寬服務(wù))，最早提出了“IDC”這個(gè)叫法。

這就是 IDC 數(shù)據(jù)中心發(fā)展的早期階段。

1997 年，蘋果公司推出了一款名叫“Virtual PC(虛擬 PC)”的虛擬機(jī)軟件。后來，VMWare 也推出了現(xiàn)在大名鼎鼎的 VMWare Workstation，標(biāo)志著虛擬機(jī)時(shí)代的到來，為數(shù)據(jù)中心的演進(jìn)打下了基礎(chǔ)。

隨著時(shí)間推移，第一代數(shù)據(jù)中心的托管服務(wù)開始精細(xì)化，從完整的服務(wù)器主機(jī)托管，延伸出了網(wǎng)站托管，出現(xiàn)了虛擬主機(jī)服務(wù)。

也就是說，在某一臺(tái)服務(wù)器上，通過虛擬主機(jī)軟件，虛擬出 N 個(gè)網(wǎng)站主機(jī)，出租給 N 個(gè)客戶使用。

除了網(wǎng)站之外，還出現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間租用等多樣化的服務(wù)。這就是 IDC 數(shù)據(jù)中心的第二個(gè)階段。

再往后，到了 21 世紀(jì)初，亞馬遜、谷歌等公司提出了云計(jì)算，從而將數(shù)據(jù)中心帶入了第三個(gè)階段(云計(jì)算階段)，持續(xù)至今。

云計(jì)算階段，是第二階段的升級(jí)演進(jìn)。它通過虛擬化技術(shù)、容器技術(shù)，徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心服務(wù)器算力資源的池化。所有的 CPU、內(nèi)存、硬盤等資源，都由更為強(qiáng)大的虛擬化軟件管理，然后分配給用戶使用。

從物理硬件出租，進(jìn)化為虛擬硬件出租，甚至軟件平臺(tái)出租、服務(wù)出租。IaaS、PaaS、SaaS，就這樣出現(xiàn)在我們面前。

數(shù)據(jù)中心的組成結(jié)構(gòu)

接下來，我們再看看數(shù)據(jù)中心到底由哪些部分組成。

前面小棗君說了，數(shù)據(jù)中心就是一個(gè)大機(jī)房。所以，從硬件種類上來說，數(shù)據(jù)中心和我們以前經(jīng)常看到的企業(yè)內(nèi)部機(jī)房差不多，只不過規(guī)格、檔次和管理級(jí)別更 high level 一點(diǎn)。

整體來看，數(shù)據(jù)中心的硬件分為兩類，分別是主設(shè)備和配套設(shè)備。

主設(shè)備，是真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算和通信功能的設(shè)備，也就是以服務(wù)器、存儲(chǔ)為代表的 IT 算力設(shè)備，以及以交換機(jī)、路由器、防火墻為代表的通信設(shè)備。

配套設(shè)備，則是為了保證主設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)而存在的底層基礎(chǔ)支撐設(shè)備(也包括一些設(shè)施)。

底層基礎(chǔ)支撐設(shè)備設(shè)施，又分為多種，主要是供配電系統(tǒng)和散熱制冷系統(tǒng)，另外還有消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、樓宇管理系統(tǒng)等。

主設(shè)備：

我們先看看主設(shè)備。

數(shù)據(jù)中心最基礎(chǔ)的主設(shè)備，當(dāng)然是服務(wù)器。服務(wù)器其實(shí)也就是個(gè)高性能計(jì)算機(jī)，大家應(yīng)該都見過，里面和臺(tái)式機(jī)一樣，是 CPU、內(nèi)存、主板、硬盤、顯卡(GPU)、電源等。

以前，服務(wù)器基本上都是 Intel 架構(gòu)(更早的時(shí)候，還有 PowerPC、SPARC 等)。如今，隨著國家政策變化，國產(chǎn) CPU 崛起，占據(jù)越來越多的份額。這些國產(chǎn) CPU 采用 ARM 架構(gòu)，性價(jià)比更高，成本更低。

服務(wù)器，一般都擺放在機(jī)架(也叫機(jī)柜)上。

一個(gè)常見標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，高度尺寸通常是 42U。U 是一種表示服務(wù)器外部尺寸的單位，是 unit 的縮略語，1U 等于 4.445cm。機(jī)架寬度的話，有 600mm 或 800mm。

機(jī)架的深度有很多種，包括 600mm、800mm、900mm、1000mm、1200mm 等。通常來說，IT 設(shè)備(服務(wù)器)機(jī)架的深度更深(1100mm 或 1200mm)，而通信設(shè)備的深度會(huì)淺一些(600mm)。

機(jī)架里面的 IT 設(shè)備，除了服務(wù)器之外，還有磁盤陣列這樣的專業(yè)存儲(chǔ)設(shè)備。

現(xiàn)在到處都講大數(shù)據(jù)，我們?nèi)祟惍a(chǎn)生的數(shù)據(jù)量每年都在激增，也就增加了對存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)量和性能要求。

大家應(yīng)該都知道，現(xiàn)在主流的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)硬盤分為 HDD 和 SSD 兩種。HDD 就是我們傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤，而 SSD 是逐漸開始普及的固態(tài)硬盤。

SSD 屬于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)速率快，體積小，非常受歡迎。但是，它的價(jià)格昂貴。對于數(shù)據(jù)中心來說，出于性價(jià)比考慮，HDD 仍然是主流選擇。而 SSD，目前主要用于高端客戶、高性能需求業(yè)務(wù)。

除了 IT 算力設(shè)備之外，就是交換機(jī)、路由器、防火墻等數(shù)據(jù)通信設(shè)備了。

說到交換機(jī)，就要提到一個(gè)名詞 ——TOR，Top of Rack。

TOR 交換機(jī)，是數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的常見名詞。顧名思義，就是機(jī)架頂部交換機(jī)的意思。這類交換機(jī)，是數(shù)據(jù)中心最底層的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，負(fù)責(zé)連接本機(jī)架內(nèi)部的服務(wù)器，以及與上層交換機(jī)相連。

事實(shí)上，機(jī)架交換機(jī)并沒有說一定要放在機(jī)架頂部。它既可以在機(jī)架頂部，也可以在機(jī)架的中部或底部。之所以通常放在頂部，只是因?yàn)檫@樣最有利于內(nèi)部布線。

機(jī)架再往上，就是一排機(jī)架、N 排機(jī)架。將這些機(jī)架和服務(wù)器連接起來，就需要數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)技術(shù)。

現(xiàn)在最流行的數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)架構(gòu)，就是葉脊網(wǎng)絡(luò)(Spine-Leaf)。我有文章(鏈接)專門介紹，這里就不廢話了。

值得一提的是，現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心為了高帶寬傳輸數(shù)據(jù)，普遍使用光纖替代網(wǎng)線。所以，光纖、光模塊和光通信設(shè)備(OTN 等)，成為數(shù)據(jù)中心重要的組成部分。

尤其是光模塊，高速率光模塊(例如 400G)價(jià)格很昂貴，占了數(shù)據(jù)中心很大一塊成本，制約了發(fā)展。

現(xiàn)在還有一個(gè)比較流行的光通信名詞，叫做 DCI，也就是 Data Center Inter-connect(數(shù)據(jù)中心互聯(lián))。現(xiàn)在流行分布式部署，數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)流量很大，對帶寬要求很高。

所以，運(yùn)營商和云服務(wù)商就搞 DCI，建設(shè)數(shù)據(jù)中心之間專門的光通信骨干網(wǎng)，是很大一塊市場。

我們國家搞的那個(gè)“東數(shù)西算”，就涉及到數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)互通，對 DCI 相關(guān)市場有不可忽視的刺激作用。

配套設(shè)備：

接下來，我們看看數(shù)據(jù)中心的配套支撐設(shè)備和設(shè)施。

先看供配電。

供電是數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)作的基礎(chǔ)。沒有電，數(shù)據(jù)中心就是廢鐵。

數(shù)據(jù)中心的配電設(shè)備，主要作用就是電能的通斷、控制和保護(hù)。最主要的配電設(shè)備，就是配電柜。

數(shù)據(jù)中心配電柜分為中壓配電柜和低壓配電柜。中壓配電柜主要是 10kV 電壓等級(jí)，向上接入市電，向下接低壓配電柜。低壓配電柜主要是 400V 電壓等級(jí)，對電能進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換、分配、控制、保護(hù)和監(jiān)測。

除了配電柜之后，為了保證緊急情況下的正常供電，數(shù)據(jù)中心還會(huì)配備大量的 UPS(不間斷電源)甚至柴油發(fā)電機(jī)組。

“UPS + 市電”是傳統(tǒng)的供電方案。現(xiàn)在，更流行的是“HVDC + 市電”的方案。

HVDC 是 High Voltage Direct Current，高壓直流輸電。它和 UPS 之間的區(qū)別涉及到較為復(fù)雜的強(qiáng)電知識(shí)，后續(xù)有機(jī)會(huì)再專門介紹。

總之，“HVDC + 市電”的可靠性和安全性更高，供電效率強(qiáng)于“UPS + 市電”，是不間斷電源的主流發(fā)展趨勢。

我們簡單說說-48V 和 220V。

有過 ICT 行業(yè)實(shí)際從業(yè)經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)們都知道，服務(wù)器這樣的 IT 設(shè)備通常是使用 220V 交流電，而核心網(wǎng)、無線等通信設(shè)備則更多使用的是-48V 直流電。

市電供電，一般都是交流。數(shù)據(jù)中心，一般既會(huì)提供-48V 直流，也會(huì)提供 220V 交流(通過 AC-DC 轉(zhuǎn)換和 DC-AC 逆變轉(zhuǎn)換)。

事實(shí)上，直流現(xiàn)在正成為更多數(shù)據(jù)中心的選擇(例如谷歌)，因?yàn)橹绷鞯膿p耗更小，對電能的利用率更高，符合現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心高算力下的高能耗發(fā)展趨勢。

再來看看散熱制冷。

制冷系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心除了主設(shè)備之外的第二大耗能主體。目前，數(shù)據(jù)中心制冷主要包括兩種方式，一種是風(fēng)冷，另一種是液冷。

風(fēng)冷一般采用風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)。和我們家用空調(diào)一樣，數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷空調(diào)也分為室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)。相對來說，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，容易維護(hù)。

液冷，是采用液體作為冷媒，進(jìn)行降溫散熱。

液體的導(dǎo)熱能力是空氣的 25 倍，相同體積下，液體帶走的熱量是空氣的近 3000 倍。從噪音角度來看，同等散熱水平下，液冷的噪音比風(fēng)冷降低 20-35 分貝。從能耗的角度來看，液冷比風(fēng)冷節(jié)約電量 30%-50%。

目前，液冷技術(shù)被行業(yè)普遍看好，但仍處于探索階段。從總體來看，液冷的市場前景非常廣闊，據(jù)稱市場規(guī)模超過千億。

關(guān)于制冷和散熱，值得一提的是，機(jī)柜池級(jí)、排級(jí)和機(jī)柜級(jí)等近端制冷方式，正在崛起，成為新建數(shù)據(jù)中心的主流選擇。

傳統(tǒng)的制冷都是房間級(jí)，對整個(gè)機(jī)房進(jìn)行空調(diào)制冷，這種方式制冷路徑太長，效率太低，無法滿足高功耗設(shè)備的散熱需求，能耗也很大。

機(jī)柜池級(jí)、排級(jí)和機(jī)柜級(jí)，是以一個(gè)機(jī)柜池、一排機(jī)柜或者單個(gè)機(jī)柜為中心，進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

機(jī)柜排級(jí)散熱，以一排機(jī)柜為對象，進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)。這種方式，氣流路徑明顯縮短，散熱效率很高。

除了配電和散熱制冷之外，數(shù)據(jù)中心還有一些和管理運(yùn)維有關(guān)的設(shè)備設(shè)施，例如動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。

動(dòng)環(huán)監(jiān)控，就是動(dòng)力和環(huán)境監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理數(shù)據(jù)中心運(yùn)行狀態(tài)的。

這些年，在傳統(tǒng)動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開始演進(jìn)出了 DCIM。

DCIM 全名叫做 Data Center Infrastructure Management，是知名咨詢公司 Garter 提出來的。它的管理范圍更為全面，采用工具監(jiān)控、管理和控制數(shù)據(jù)中心的所有 IT 主設(shè)備以及配套基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)據(jù)中心的消防系統(tǒng)比較有意思。因?yàn)闄C(jī)房里都是電子設(shè)備，所以發(fā)生火災(zāi)的話，肯定不能直接噴水、泡沫或粉塵。

那怎么辦呢?氣體滅火。

出現(xiàn)火災(zāi)后，火災(zāi)和煙霧傳感器的警鈴響起，然后，機(jī)房區(qū)域可以釋放氬氣、氮?dú)膺@樣的惰性氣體，剝奪火焰中的氧氣，實(shí)現(xiàn)滅火(大約幾十秒就能搞定)。

模塊化數(shù)據(jù)中心：

數(shù)據(jù)中心是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，建設(shè)過程非常復(fù)雜繁瑣，工期也很長。這些年，為了更快速、更靈活地部署數(shù)據(jù)中心，廠商推出了模塊化數(shù)據(jù)中心的概念。

說白了，就是將數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、綜合布線等進(jìn)行集成，變成一個(gè)一個(gè)的“積木”。然后，將“積木”運(yùn)送到現(xiàn)場后，進(jìn)行簡單吊裝、搭建，就可以完成建設(shè)和部署。

采用這種方式，大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)周期從 18-24 個(gè)月壓縮成了 6 個(gè)月左右，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

結(jié)語

好了，以上就是關(guān)于數(shù)據(jù)中心的介紹。

正如我前文所說，數(shù)據(jù)中心是數(shù)字時(shí)代重要的信息化基礎(chǔ)實(shí)施，是算力的重要載體，直接決定了國家的數(shù)字競爭力。

在“東數(shù)西算”戰(zhàn)略的帶動(dòng)下，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心將迎來又一波發(fā)展熱潮。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022 年我國數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)市場規(guī)模將達(dá)到 3200.5 億元，年均復(fù)合增長率高達(dá) 27.0%。2025 年，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心 IT 投資規(guī)模有望達(dá)到 7070.9 億元。

除了數(shù)量激增之外，數(shù)據(jù)中心正在向綠色化、智能化的方向發(fā)展，積極引入 AI 人工智能，提升能效，降低運(yùn)營復(fù)雜度。

未來，數(shù)據(jù)中心是否會(huì)出現(xiàn)新的形態(tài)變化，讓我們拭目以待吧!

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 供配電系統(tǒng) 暖通系統(tǒng)