引言
隨著云計(jì)算時(shí)代的來臨,在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)大量釋放的計(jì)算需求進(jìn)一步得到釋放,這導(dǎo)致全球數(shù)據(jù)中心呈爆炸式增長,而且服務(wù)器部署密度進(jìn)一步提高。與此同時(shí),全球能源危機(jī)卻日益臨近,對企業(yè)而言,信息化程度的日益提升意味著運(yùn)營成本的飛速增長。因此提升密度、降低PUE,逐漸成為下一代數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)方向。
在下一代數(shù)據(jù)中心的技術(shù)研究和實(shí)踐上,以Google、Facebook、Yahoo為代表的互聯(lián)網(wǎng)公司走在了前列。
以Google為例,其核心業(yè)務(wù)搜索引擎的性能極度依賴數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和效率;ヂ(lián)網(wǎng)公司基本上都是技術(shù)型公司,有非常鮮明的技術(shù)導(dǎo)向;又由于創(chuàng)業(yè)時(shí)的艱難,他們非常熱衷于利用技術(shù)手段降低成本,特別是釆用廉價(jià)的部件搭建高性能、高可靠性的系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)上也是如此。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心相比,互聯(lián)網(wǎng)公司沒有采用傳統(tǒng)技術(shù),摒棄了高冗余供電系統(tǒng)設(shè)計(jì),少采用甚至不釆用空調(diào)系統(tǒng),大大降低了基礎(chǔ)設(shè)施的建造成本。同時(shí),互聯(lián)網(wǎng)公司又使用先進(jìn)的軟件技術(shù),使系統(tǒng)高度并行化,在應(yīng)用層設(shè)置備份機(jī)制,用應(yīng)用層的冗余代替了基礎(chǔ)設(shè)施的冗余,建立起了一整套高效、可靠、廉價(jià)的系統(tǒng)。
Google最為人熟知的3篇論文:GFS、MapReduce、Bigtable,是Google大規(guī)模分布式計(jì)算系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型,GFS是Google的分布式文件系統(tǒng),MapReduce是并行計(jì)算模型,Bigtable是分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)布儲,它們合起來代表了Google的應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)。這種架構(gòu)對服務(wù)器、存儲的需求與傳統(tǒng)應(yīng)用完全不同,它們不要求服務(wù)器的單機(jī)性能,但要求服務(wù)器的數(shù)量非常龐大,并且具有高速互聯(lián)能力,以及大量的本地存儲,另外少量服務(wù)器還需求大量內(nèi)存。Google的數(shù)據(jù)中心必須提供這樣的IT基礎(chǔ)能力,再加之Google的服務(wù)器數(shù)量實(shí)在過于龐大,還必須考慮電力、水的消耗,所以Google采用了全新的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)理念,其它互聯(lián)網(wǎng)公司,如Facebook也類似。它們采用的理念主要包括:
1)數(shù)據(jù)中心選址:一般選擇高緯度地區(qū),并兼顧氣候干燥、空氣潔凈、接近水源等條件。
2)服務(wù)器定制:放棄使用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架服務(wù)器或刀片服務(wù)器,按自己的需要進(jìn)行定制。如Google采用整機(jī)柜高速背板設(shè)計(jì),每一臺服務(wù)器采用類似刀片服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案,插入背板;再如Facebook采用1.5U的機(jī)架式服務(wù)器設(shè)計(jì)方案,并去除機(jī)箱頂蓋,更利于散熱;再如它們都使用特殊的電源設(shè)計(jì),以接入高壓直流的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)。
3)自然冷源:多使用自然冷源可減少制冷機(jī)組的開機(jī)時(shí)間,而近期建設(shè)的一些數(shù)據(jù)中心已做全部使有然冷源,完全不使用冷機(jī)。在自然冷源的使用中,大部分是采用自然通風(fēng)技術(shù),還有少量采用了自然水源制冷。
4)高壓直流:除了制冷系統(tǒng)有全新設(shè)計(jì)外,它們在供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)上也與傳統(tǒng)方案截然不同,如放棄使用UPS,采用全直流供電,在供電備份上也有很多創(chuàng)新,如直流供電與市電互備等等。
所有這些技術(shù)的綜合運(yùn)用,使用這些互聯(lián)網(wǎng)公司在低成本上構(gòu)建了大規(guī)模、高效的系統(tǒng)。從近年來數(shù)據(jù)中心的PUE排名,可以看到互聯(lián)網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)中心技術(shù)已經(jīng)非常領(lǐng)先,F(xiàn)acebook的美國俄勒岡數(shù)據(jù)中心PUE達(dá)到1.07,Yahoo“雞窩”式數(shù)據(jù)中心達(dá)到1.08,Google的比利時(shí)數(shù)據(jù)中心達(dá)到1.16,而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心一般在2.5以上。
1 制冷系統(tǒng)
IT設(shè)備對環(huán)境的要求是非常高的,如服務(wù)器一般要求工作溫度10℃-35℃,工作濕度RH10%-90%[4],為了保持IT設(shè)備正常高效的運(yùn)行,數(shù)據(jù)中心機(jī)房一般會設(shè)定溫度22℃±2℃,相對濕度RH50%±5%,并且7*24*365的保持這樣的機(jī)房環(huán)境。要保持這樣環(huán)境條件,精密空調(diào)系統(tǒng)一般是必不可少的。在數(shù)據(jù)中心的能耗分布,空調(diào)系統(tǒng)的電力消耗是除了IT設(shè)備之外最大的。
從上圖我們可以看到,在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中,用于制冷系統(tǒng)的能耗幾乎占到總能耗的35%-45%(Chiller+Humidifier+CRAC)。
在這里簡要介紹一下PUE的概念。PUE(Power Usage Effectiveness)是評價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo),是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載使用的能源之比,是DCiE(Data Center Infrastructure Efficiency)的反比。
Total Facility Power:數(shù)據(jù)中心總能耗
IT Equipment Power:IT設(shè)備總能耗
PUE值越低意味著除IT設(shè)備之外的能源消耗越少,也就是數(shù)據(jù)中心越節(jié)能。而除IT設(shè)備耗能之外的能耗主要是在制冷設(shè)備的能耗和供配電設(shè)備的損耗,因此減少制冷系統(tǒng)的能耗和供配電系統(tǒng)的損耗是綠色節(jié)能設(shè)計(jì)的主要方向。
當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)中,無一例外的都采用了自然冷卻(Free Cooling)技術(shù)。按維基百科的解釋,自然冷卻的定義如下:
Free cooling is an economical method of using low external air temperatures to assist in chilling water,which can then be used for industrial process, or air conditioning systems.
制冷(Cooling)是指從空間或從對空間的送風(fēng)中移走熱量,以抵消空間獲得的熱量。通俗的講,制冷并不是真的制造出了冷,而且把室內(nèi)的熱量移到室外,一般采用的方法是通過對冷媒的壓縮、蒸發(fā),人為的制造出冷源,再運(yùn)用熱交換技術(shù)把室內(nèi)熱量帶走。
而自然冷卻則不使用冷媒,無需人工制造冷源,直接把室外的冷源引入室內(nèi),達(dá)到冷卻的目的。目前廣泛采用的自然冷卻方法主要有水側(cè)自然冷卻和風(fēng)側(cè)自然冷卻2種方式,而風(fēng)側(cè)自然冷卻又分為自然通風(fēng)(Natural Ventilation)和熱交換2種方式。本文毛要介紹自然通風(fēng)方式。
下圖是一種典型的白然通風(fēng)冷卻方案的結(jié)構(gòu),從中我們可以石一到自然冷卻方案的主要原理是:室外冷空氣導(dǎo)入室內(nèi),與室內(nèi)熱氣混和,再經(jīng)過一定的過濾處理,以調(diào)節(jié)溫度和濕度,最后通過風(fēng)機(jī)把混和后的冷空氣送入機(jī)房內(nèi)。通過散熱形成的熱空氣再與新的室外冷空氣混和,多余的熱氣直接排入室外。
Intel新墨西哥州數(shù)據(jù)中心Free Cooling示意圖
目前Google. Facebook, Yahoo以及Intel. Microsoft均建有類似方案的數(shù)據(jù)中心。Facebook的普賴恩維爾數(shù)據(jù)中心在俄勒岡州普賴恩維爾(Prineville, Oregon)到雷德蒙德(Redmond, Oregon)之間,它全年都采用了自然通風(fēng)制冷的方案,完全不使用制冷機(jī)組,再加之其它方面的節(jié)能設(shè)計(jì)一,根據(jù)Facebook自己公布的數(shù)據(jù),PUE可達(dá)到1. 07。
首先,從選址上看,普賴恩維爾屬于高緯度高原沙漠類型地貌,全年平均氣溫只有8. 2度,相對濕度呈現(xiàn)夏季低、冬季高的分布情況,這對采用數(shù)據(jù)中心采用自然通風(fēng)提供非常有利的自然條件,降低了溫度、濕度控制的難度。除了極端天氣的情況,不論是夏季或冬季均可以采用自然通風(fēng)。而假如出現(xiàn)夏季25℃以上情況,由于濕度低,也可通過水噴淋降濕的方法使室外空氣達(dá)到輸入機(jī)房的條件。OCP(Open Compute Project)公布了這個(gè)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)規(guī)格,其中對室外空氣條件描述如下:
下圖展示了Facebook普賴恩維爾數(shù)據(jù)中心的氣流組織方向
首先該數(shù)據(jù)中心建筑有兩層,一層是數(shù)據(jù)中心機(jī)房及動力房,二層是完全用于空氣處理。室外新風(fēng)首先通過一道百葉窗進(jìn)入二樓的室外新風(fēng)室,百葉窗可以阻擋樹枝等大的雜質(zhì)進(jìn)入室內(nèi), 同時(shí)新風(fēng)室還有排水渠用于在雨天排水。
然后室外冷空氣會通過一個(gè)風(fēng)閥導(dǎo)入下一個(gè)房間一一空氣混和室, 當(dāng)然在這之前會進(jìn)行一個(gè)初步過濾, 如砂子、灰塵等會在這一階段過濾掉。同時(shí)由機(jī)房排出的部分熱空氣也會通過另一個(gè)風(fēng)閥導(dǎo)入空氣混和室,冷空氣、熱空氣充分混和后形成溫度、濕度合適的空氣。多余的機(jī)房熱空氣則會直接排出室外。
混和空氣再通過空氣過濾組(Filter Bank)進(jìn)行空氣凈化,這個(gè)步驟主要解決2個(gè)問題,一是過濾掉一些微小的懸浮顆粒,二是化學(xué)處理掉對電子設(shè)備有腐蝕作用的成分, 如硫化物等。第二步根據(jù)當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量確定如何去做。如果當(dāng)?shù)乜諝鉂崈簦?沒有污染, 則基本無需進(jìn)行化學(xué)過濾。
接下來的環(huán)節(jié)是進(jìn)行冷卻和加濕處理;旌涂諝鈺M(jìn)行蒸發(fā)冷卻/濕房, 通過噴水霧的方式, 利用蒸發(fā)的原理進(jìn)行降溫, 同時(shí)也會增加濕度。
空氣處理的最后一步就比較簡單了,通過整面的風(fēng)扇墻,把處理好的空氣送入一樓的機(jī)房。
2 關(guān)鍵技術(shù)分析
1)熱通道封閉
一般數(shù)據(jù)中心在制冷方面的能耗太高、容易出現(xiàn)局部溫度熱點(diǎn), 主要是因?yàn)闅饬鹘M織不合理,機(jī)房內(nèi)出現(xiàn)了冷空氣與熱空氣的直接對流混和,這會使得部分空調(diào)輸出的冷量沒有用于設(shè)備散熱。因此,不論是否采用自然通風(fēng)方案,冷熱通道隔離都是必須的,如果進(jìn)行冷或熱通道封閉,那隔離效果就更好了。
Facebook普賴恩維爾數(shù)據(jù)中心采用的是熱通道封閉,這主要是因?yàn)樵O(shè)備散熱后形成的熱空氣需要導(dǎo)入到二層的空氣混和室, 熱通道封閉后可以形成一個(gè)好的風(fēng)道向空氣混和室排風(fēng)。熱通道封閉也意味著冷空氣也密閉在獨(dú)立的空間中, 因此處理好的混和空氣吹入機(jī)房的冷空間, 形成靜壓箱后, 冷空氣就可以被服務(wù)器自動吸入進(jìn)行散熱了。
2)自動控制系統(tǒng)
在空氣處理流程中,動力及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是必須具備的重要系統(tǒng), 該系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)采集各環(huán)節(jié)的環(huán)境數(shù)據(jù),包括室外及室內(nèi)各房間的風(fēng)速、溫度、濕度等數(shù)據(jù), 以及各控制器、閥門的遙測、遙信數(shù)據(jù),并能發(fā)出遙控、遙調(diào)指令,使得百葉窗的開度控制閥、冷空氣風(fēng)閥、熱空氣風(fēng)閥、水霧控制裝置、風(fēng)扇墻的風(fēng)機(jī)等控制器能根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的動作邏輯進(jìn)行自動聯(lián)動。
控制邏輯是這個(gè)系統(tǒng)的核心技術(shù), 目前我們正在進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)。
核心關(guān)注:拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用,蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念,功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域,是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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