数据中心,英文缩写叫IDC,也就是Internet Data Center(互联网数据中心)。

之所以不太直接称之为“DC”,主要是为了避免和直流电(Direct Current)混淆。而且,现在的数据中心普遍都接入互联网,以互联网业务为主,所以,叫“IDC”也更准确。

从作用上来看,数据中心就是一个超大号的机房,里面有很多很多的服务器,专门对数据进行集中管理(存储、计算、交换)。

根据业界机构统计,2020年全球经数据中心处理的数据流量高达15.3ZB(1ZB≈10亿TB),占全球总流量的99.35%。也就是说,几乎所有的互联网数据,都离不开数据中心的处理,由此可见其重要性。

按现在比较流行的说法,数据中心是像水厂、电厂一样的重要基础设施,是数字经济的动力引擎,也是国家和社会发展的支撑底座。

█ 数据中心的发展阶段

我们先来看看数据中心的发展历史。

上世纪60年代的时候,人类还处于大型机时代。那时,为了存放计算机系统、存储系统和电力设备,人们修建了机房,并将其称为“服务器农场”(Server farm)

这个“服务器农场”,被认为是数据中心的最早原型。

到了90年代,随着互联网的诞生和蓬勃发展,很多公司开始推行信息化。他们建设自己的网站,还搭建了大量的邮件、FTP、OA办公自动化等服务器。

有些公司将服务器放在企业内部的机房。也有些公司,因为服务器不多,但又不愿意放在办公室(噪音大、容易断电、安全性低),于是,就“托管”在运营商机房,租用运营商的场地、电力、网络带宽,让对方代为管理和维护。

数据中心的早期阶段(第一阶段)

数据中心的早期阶段(第一阶段)

于是,数据中心的概念开始逐渐形成。1996年。一家名叫Exodus的美国公司(专门从事机房设施建设和带宽服务),最早提出了“IDC”这个叫法。

这就是IDC数据中心发展的早期阶段。

1997年,苹果公司推出了一款名叫“Virtual PC(虚拟PC)”的虚拟机软件。后来,VMWare也推出了现在大名鼎鼎的VMWare Workstation,标志着虚拟机时代的到来,为数据中心的演进打下了基础。

随着时间推移,第一代数据中心的托管服务开始精细化,从完整的服务器主机托管,延伸出了网站托管,出现了虚拟主机服务。

也就是说,在某一台服务器上,通过虚拟主机软件,虚拟出N个网站主机,出租给N个客户使用。

除了网站之外,还出现了数据存储空间租用等多样化的服务。这就是IDC数据中心的第二个阶段。

数据中心的第二阶段

数据中心的第二阶段

再往后,到了21世纪初,亚马逊、谷歌等公司提出了云计算,从而将数据中心带入了第三个阶段(云计算阶段),持续至今。

云计算阶段,是第二阶段的升级演进。它通过虚拟化技术、容器技术,彻底实现了数据中心服务器算力资源的池化。所有的CPU、内存、硬盘等资源,都由更为强大的虚拟化软件管理,然后分配给用户使用。

从物理硬件出租,进化为虚拟硬件出租,甚至软件平台出租、服务出租。IaaS、PaaS、SaaS,就这样出现在我们面前。

数据中心的第三阶段(云计算阶段)

数据中心的第三阶段(云计算阶段)

█ 数据中心的组成结构

接下来,我们再看看数据中心到底由哪些部分组成。

前面小枣君说了,数据中心就是一个大机房。所以,从硬件种类上来说,数据中心和我们以前经常看到的企业内部机房差不多,只不过规格、档次和管理级别更high level一点。

数据中心内部

数据中心内部

整体来看,数据中心的硬件分为两类,分别是主设备和配套设备。

主设备,是真正实现计算和通信功能的设备,也就是以服务器、存储为代表的IT算力设备,以及以交换机、路由器、防火墙为代表的通信设备。

配套设备,则是为了保证主设备正常运转而存在的底层基础支撑设备(也包括一些设施)。

底层基础支撑设备设施,又分为多种,主要是供配电系统和散热制冷系统,另外还有消防系统、监控系统、楼宇管理系统等。

数据中心设备结构图

主设备

我们先看看主设备。

数据中心最基础的主设备,当然是服务器。服务器其实也就是个高性能计算机,大家应该都见过,里面和台式机一样,是CPU、内存、主板、硬盘、显卡(GPU)、电源等。

某型号服务器正面视角

某型号服务器正面视角

以前,服务器基本上都是Intel架构(更早的时候,还有PowerPC、SPARC等)。如今,随着国家政策变化,国产CPU崛起,占据越来越多的份额。这些国产CPU采用ARM架构,性价比更高,成本更低。

华为芯片Hi1620(数据中心用ARM架构处理器)

华为芯片Hi1620(数据中心用ARM架构处理器)

服务器,一般都摆放在机架(也叫机柜)上。

服务器机架

服务器机架

一个常见标准机架,高度尺寸通常是42U。U是一种表示服务器外部尺寸的单位,是unit的缩略语,1U等于4.445cm。机架宽度的话,有600mm或800mm。

机架的深度有很多种,包括600mm、800mm、900mm、1000mm、1200mm等。通常来说,IT设备(服务器)机架的深度更深(1100mm或1200mm),而通信设备的深度会浅一些(600mm)。

IT设备和通信设备的机架深度对比

IT设备和通信设备的机架深度对比

机架里面的IT设备,除了服务器之外,还有磁盘阵列这样的专业存储设备。

现在到处都讲大数据,我们人类产生的数据量每年都在激增,也就增加了对存储设备的数量和性能要求。

大家应该都知道,现在主流的计算机存储硬盘分为HDD和SSD两种。HDD就是我们传统的机械硬盘,而SSD是逐渐开始普及的固态硬盘。

SSD属于半导体存储器,存储速率快,体积小,非常受欢迎。但是,它的价格昂贵。对于数据中心来说,出于性价比考虑,HDD仍然是主流选择。而SSD,目前主要用于高端客户、高性能需求业务。

除了IT算力设备之外,就是交换机、路由器、防火墙等数据通信设备了。

说到交换机,就要提到一个名词——TOR,Top of Rack。

TOR交换机,是数据中心领域的常见名词。顾名思义,就是机架顶部交换机的意思。这类交换机,是数据中心最底层的网络交换设备,负责连接本机架内部的服务器,以及与上层交换机相连。

TOR交换机的位置

TOR交换机的位置

事实上,机架交换机并没有说一定要放在机架顶部。它既可以在机架顶部,也可以在机架的中部或底部。之所以通常放在顶部,只是因为这样最有利于内部布线。

机架再往上,就是一排机架、N排机架。将这些机架和服务器连接起来,就需要数据中心组网技术。

数据中心机架示意图

现在最流行的数据中心组网架构,就是叶脊网络(Spine-Leaf)。

叶脊网络架构

叶脊网络架构

值得一提的是,现在数据中心为了高带宽传输数据,普遍使用光纤替代网线。所以,光纤、光模块和光通信设备(OTN等),成为数据中心重要的组成部分。

尤其是光模块,高速率光模块(例如400G)价格很昂贵,占了数据中心很大一块成本,制约了发展。

光模块

光模块

现在还有一个比较流行的光通信名词,叫做DCI,也就是Data Center Inter-connect(数据中心互联)。现在流行分布式部署,数据中心之间的数据流量很大,对带宽要求很高。

所以,运营商和云服务商就搞DCI,建设数据中心之间专门的光通信骨干网,是很大一块市场。

我们国家搞的那个“东数西算”,就涉及到数据中心的互联互通,对DCI相关市场有不可忽视的刺激作用。

光通信骨干网设备

光通信骨干网设备

配套设备

接下来,我们看看数据中心的配套支撑设备和设施。

先看供配电

供电是数据中心正常运作的基础。没有电,数据中心就是废铁。

数据中心的配电设备,主要作用就是电能的通断、控制和保护。最主要的配电设备,就是配电柜。

数据中心配电柜分为中压配电柜和低压配电柜。中压配电柜主要是10kV电压等级,向上接入市电,向下接低压配电柜。低压配电柜主要是400V电压等级,对电能进行进一步的转换、分配、控制、保护和监测。

数据中心供配电示意图(案例)

数据中心供配电示意图(案例)

数据中心低压配电柜(图片来自网络)

数据中心低压配电柜(图片来自网络)

除了配电柜之后,为了保证紧急情况下的正常供电,数据中心还会配备大量的UPS(不间断电源)甚至柴油发电机组。

“UPS+市电”是传统的供电方案。现在,更流行的是“HVDC+市电”的方案。

HVDC是High Voltage Direct Current,高压直流输电。它和UPS之间的区别涉及到较为复杂的强电知识,后续有机会再专门介绍。

总之,“HVDC+市电”的可靠性和安全性更高,供电效率强于“UPS+市电”,是不间断电源的主流发展趋势。

我们简单说说-48V220V

有过ICT行业实际从业经验的同学们都知道,服务器这样的IT设备通常是使用220V交流电,而核心网、无线等通信设备则更多使用的是-48V直流电。

市电供电,一般都是交流。数据中心,一般既会提供-48V直流,也会提供220V交流(通过AC-DC转换和DC-AC逆变转换)。

事实上,直流现在正成为更多数据中心的选择(例如谷歌),因为直流的损耗更小,对电能的利用率更高,符合现在数据中心高算力下的高能耗发展趋势。

再来看看散热制冷

制冷系统是数据中心除了主设备之外的第二大耗能主体。

目前,数据中心制冷主要包括两种方式,一种是风冷,另一种是液冷。

风冷一般采用风冷空调系统。和我们家用空调一样,数据中心风冷空调也分为室内机和室外机。相对来说,技术成熟,结构简单,容易维护。

液冷,是采用液体作为冷媒,进行降温散热。

液体的导热能力是空气的25倍,相同体积下,液体带走的热量是空气的近3000倍。从噪音角度来看,同等散热水平下,液冷的噪音比风冷降低20-35分贝。从能耗的角度来看,液冷比风冷节约电量30%-50%。

目前,液冷技术被行业普遍看好,但仍处于探索阶段。从总体来看,液冷的市场前景非常广阔,据称市场规模超过千亿。

中兴展示的服务器浸没式液冷技术

中兴展示的服务器浸没式液冷技术

关于制冷和散热,值得一提的是,机柜池级、排级和机柜级等近端制冷方式,正在崛起,成为新建数据中心的主流选择。

传统的制冷都是房间级,对整个机房进行空调制冷,这种方式制冷路径太长,效率太低,无法满足高功耗设备的散热需求,能耗也很大。

机柜池级、排级和机柜级,是以一个机柜池、一排机柜或者单个机柜为中心,进行散热设计。

机柜排级散热,以一排机柜为对象,进行风道设计

机柜排级散热,以一排机柜为对象,进行风道设计。

这种方式,气流路径明显缩短,散热效率很高。

除了配电和散热制冷之外,数据中心还有一些和管理运维有关的设备设施,例如动环监控系统、楼宇自动控制系统、消防系统等。

动环监控,就是动力和环境监控,实时监测和管理数据中心运行状态的。

这些年,在传统动环监控系统的基础上,开始演进出了DCIM

DCIM全名叫做Data Center Infrastructure Management,是知名咨询公司Garter提出来的。它的管理范围更为全面,采用工具监控、管理和控制数据中心的所有IT主设备以及配套基础设施。

DCIM

数据中心的消防系统比较有意思。因为机房里都是电子设备,所以发生火灾的话,肯定不能直接喷水、泡沫或粉尘。

那怎么办呢?气体灭火。

出现火灾后,火灾和烟雾传感器的警铃响起,然后,机房区域可以释放氩气、氮气这样的惰性气体,剥夺火焰中的氧气,实现灭火(大约几十秒就能搞定)。

气体灭火(图片来自网络)

气体灭火(图片来自网络)

模块化数据中心

数据中心是一个庞大的系统,建设过程非常复杂繁琐,工期也很长。这些年,为了更快速、更灵活地部署数据中心,厂商推出了模块化数据中心的概念。

说白了,就是将数据中心的结构系统、供配电系统、暖通系统、消防系统、照明系统、综合布线等进行集成,变成一个一个的“积木”。然后,将“积木”运送到现场后,进行简单吊装、搭建,就可以完成建设和部署。

采用这种方式,大型数据中心的建设周期从18-24个月压缩成了6个月左右,经济效益明显。

模块化数据中心(模型)

模块化数据中心(模型)

█ 结语

好了,以上就是关于数据中心的介绍。

正如我前文所说,数据中心是数字时代重要的信息化基础实施,是算力的重要载体,直接决定了国家的数字竞争力。

在“东数西算”战略的带动下,国内数据中心将迎来又一波发展热潮。根据数据统计,2022年我国数据中心业务市场规模将达到3200.5亿元,年均复合增长率高达27.0%。2025年,国内数据中心IT投资规模有望达到7070.9亿元。

除了数量激增之外,数据中心正在向绿色化、智能化的方向发展,积极引入AI人工智能,提升能效,降低运营复杂度。

未来,数据中心是否会出现新的形态变化,让我们拭目以待吧!

参考文献:

1、《数据中心产业图谱研究报告》,信通院

2、《数据中心能源白皮书》,华为

3、《数据中心专题报告》,东莞证券

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