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數據中心是如何發展的 科普數據中心前世今生

2022-03-02 09:01:25 來源：鮮棗課堂

數據中心，英文縮寫叫IDC，也就是 Internet Data Center(互聯網數據中心)。

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，現在的數據中心普遍都接入互聯網，以互聯網業務為主，所以，叫“IDC”也更準確。

從作用上來看，數據中心就是一個超大號的機房，里面有很多很多的服務器，專門對數據進行集中管理(存儲、計算、交換)。

根據業界機構統計，2020 年全球經數據中心處理的數據流量高達 15.3ZB(1ZB≈10 億 TB)，占全球總流量的 99.35%。也就是說，幾乎所有的互聯網數據，都離不開數據中心的處理，由此可見其重要性。

按現在比較流行的說法，數據中心是像水廠、電廠一樣的重要基礎設施，是數字經濟的動力引擎，也是國家和社會發展的支撐底座。

數據中心的發展階段

我們先來看看數據中心的發展歷史。

上世紀 60 年代的時候，人類還處于大型機時代。那時，為了存放計算機系統、存儲系統和電力設備，人們修建了機房，并將其稱為“服務器農場”(Server farm)。

這個“服務器農場”，被認為是數據中心的最早原型。

到了 90 年代，隨著互聯網的誕生和蓬勃發展，很多公司開始推行信息化。他們建設自己的網站，還搭建了大量的郵件、FTP、OA 辦公自動化等服務器。

有些公司將服務器放在企業內部的機房。也有些公司，因為服務器不多，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”在運營商機房，租用運營商的場地、電力、網絡帶寬，讓對方代為管理和維護。

于是，數據中心的概念開始逐漸形成。1996 年。一家名叫 Exodus 的美國公司(專門從事機房設施建設和帶寬服務)，最早提出了“IDC”這個叫法。

這就是 IDC 數據中心發展的早期階段。

1997 年，蘋果公司推出了一款名叫“Virtual PC(虛擬 PC)”的虛擬機軟件。后來，VMWare 也推出了現在大名鼎鼎的 VMWare Workstation，標志著虛擬機時代的到來，為數據中心的演進打下了基礎。

隨著時間推移，第一代數據中心的托管服務開始精細化，從完整的服務器主機托管，延伸出了網站托管，出現了虛擬主機服務。

也就是說，在某一臺服務器上，通過虛擬主機軟件，虛擬出 N 個網站主機，出租給 N 個客戶使用。

除了網站之外，還出現了數據存儲空間租用等多樣化的服務。這就是 IDC 數據中心的第二個階段。

再往后，到了 21 世紀初，亞馬遜、谷歌等公司提出了云計算，從而將數據中心帶入了第三個階段(云計算階段)，持續至今。

云計算階段，是第二階段的升級演進。它通過虛擬化技術、容器技術，徹底實現了數據中心服務器算力資源的池化。所有的 CPU、內存、硬盤等資源，都由更為強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，進化為虛擬硬件出租，甚至軟件平臺出租、服務出租。IaaS、PaaS、SaaS，就這樣出現在我們面前。

數據中心的組成結構

接下來，我們再看看數據中心到底由哪些部分組成。

前面小棗君說了，數據中心就是一個大機房。所以，從硬件種類上來說，數據中心和我們以前經常看到的企業內部機房差不多，只不過規格、檔次和管理級別更 high level 一點。

整體來看，數據中心的硬件分為兩類，分別是主設備和配套設備。

主設備，是真正實現計算和通信功能的設備，也就是以服務器、存儲為代表的 IT 算力設備，以及以交換機、路由器、防火墻為代表的通信設備。

配套設備，則是為了保證主設備正常運轉而存在的底層基礎支撐設備(也包括一些設施)。

底層基礎支撐設備設施，又分為多種，主要是供配電系統和散熱制冷系統，另外還有消防系統、監控系統、樓宇管理系統等。

主設備：

我們先看看主設備。

數據中心最基礎的主設備，當然是服務器。服務器其實也就是個高性能計算機，大家應該都見過，里面和臺式機一樣，是 CPU、內存、主板、硬盤、顯卡(GPU)、電源等。

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

服務器，一般都擺放在機架(也叫機柜)上。

一個常見標準機架，高度尺寸通常是 42U。U 是一種表示服務器外部尺寸的單位，是 unit 的縮略語，1U 等于 4.445cm。機架寬度的話，有 600mm 或 800mm。

機架的深度有很多種，包括 600mm、800mm、900mm、1000mm、1200mm 等。通常來說，IT 設備(服務器)機架的深度更深(1100mm 或 1200mm)，而通信設備的深度會淺一些(600mm)。

機架里面的 IT 設備，除了服務器之外，還有磁盤陣列這樣的專業存儲設備。

現在到處都講大數據，我們人類產生的數據量每年都在激增，也就增加了對存儲設備的數量和性能要求。

大家應該都知道，現在主流的計算機存儲硬盤分為 HDD 和 SSD 兩種。HDD 就是我們傳統的機械硬盤，而 SSD 是逐漸開始普及的固態硬盤。

SSD 屬于半導體存儲器，存儲速率快，體積小，非常受歡迎。但是，它的價格昂貴。對于數據中心來說，出于性價比考慮，HDD 仍然是主流選擇。而 SSD，目前主要用于高端客戶、高性能需求業務。

除了 IT 算力設備之外，就是交換機、路由器、防火墻等數據通信設備了。

說到交換機，就要提到一個名詞 ——TOR，Top of Rack。

TOR 交換機，是數據中心領域的常見名詞。顧名思義，就是機架頂部交換機的意思。這類交換機，是數據中心最底層的網絡交換設備，負責連接本機架內部的服務器，以及與上層交換機相連。

事實上，機架交換機并沒有說一定要放在機架頂部。它既可以在機架頂部，也可以在機架的中部或底部。之所以通常放在頂部，只是因為這樣最有利于內部布線。

機架再往上，就是一排機架、N 排機架。將這些機架和服務器連接起來，就需要數據中心組網技術。

現在最流行的數據中心組網架構，就是葉脊網絡(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，現在數據中心為了高帶寬傳輸數據，普遍使用光纖替代網線。所以，光纖、光模塊和光通信設備(OTN 等)，成為數據中心重要的組成部分。

尤其是光模塊，高速率光模塊(例如 400G)價格很昂貴，占了數據中心很大一塊成本，制約了發展。

現在還有一個比較流行的光通信名詞，叫做 DCI，也就是 Data Center Inter-connect(數據中心互聯)。現在流行分布式部署，數據中心之間的數據流量很大，對帶寬要求很高。

所以，運營商和云服務商就搞 DCI，建設數據中心之間專門的光通信骨干網，是很大一塊市場。

我們國家搞的那個“東數西算”，就涉及到數據中心的互聯互通，對 DCI 相關市場有不可忽視的刺激作用。

配套設備：

接下來，我們看看數據中心的配套支撐設備和設施。

先看供配電。

供電是數據中心正常運作的基礎。沒有電，數據中心就是廢鐵。

數據中心的配電設備，主要作用就是電能的通斷、控制和保護。最主要的配電設備，就是配電柜。

數據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，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，對電能進行進一步的轉換、分配、控制、保護和監測。

除了配電柜之后，為了保證緊急情況下的正常供電，數據中心還會配備大量的 UPS(不間斷電源)甚至柴油發電機組。

“UPS + 市電”是傳統的供電方案。現在，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 之間的區別涉及到較為復雜的強電知識，后續有機會再專門介紹。

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

我們簡單說說-48V 和 220V。

有過 ICT 行業實際從業經驗的同學們都知道，服務器這樣的 IT 設備通常是使用 220V 交流電，而核心網、無線等通信設備則更多使用的是-48V 直流電。

市電供電，一般都是交流。數據中心，一般既會提供-48V 直流，也會提供 220V 交流(通過 AC-DC 轉換和 DC-AC 逆變轉換)。

事實上，直流現在正成為更多數據中心的選擇(例如谷歌)，因為直流的損耗更小，對電能的利用率更高，符合現在數據中心高算力下的高能耗發展趨勢。

再來看看散熱制冷。

制冷系統是數據中心除了主設備之外的第二大耗能主體。目前，數據中心制冷主要包括兩種方式，一種是風冷，另一種是液冷。

風冷一般采用風冷空調系統。和我們家用空調一樣，數據中心風冷空調也分為室內機和室外機。相對來說，技術成熟，結構簡單，容易維護。

液冷，是采用液體作為冷媒，進行降溫散熱。

液體的導熱能力是空氣的 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，液冷的噪音比風冷降低 20-35 分貝。從能耗的角度來看，液冷比風冷節約電量 30%-50%。

目前，液冷技術被行業普遍看好，但仍處于探索階段。從總體來看，液冷的市場前景非常廣闊，據稱市場規模超過千億。

關于制冷和散熱，值得一提的是，機柜池級、排級和機柜級等近端制冷方式，正在崛起，成為新建數據中心的主流選擇。

傳統的制冷都是房間級，對整個機房進行空調制冷，這種方式制冷路徑太長，效率太低，無法滿足高功耗設備的散熱需求，能耗也很大。

機柜池級、排級和機柜級，是以一個機柜池、一排機柜或者單個機柜為中心，進行散熱設計。

機柜排級散熱，以一排機柜為對象，進行風道設計。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，數據中心還有一些和管理運維有關的設備設施，例如動環監控系統、樓宇自動控制系統、消防系統等。

動環監控，就是動力和環境監控，實時監測和管理數據中心運行狀態的。

這些年，在傳統動環監控系統的基礎上，開始演進出了 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，采用工具監控、管理和控制數據中心的所有 IT 主設備以及配套基礎設施。

數據中心的消防系統比較有意思。因為機房里都是電子設備，所以發生火災的話，肯定不能直接噴水、泡沫或粉塵。

那怎么辦呢?氣體滅火。

出現火災后，火災和煙霧傳感器的警鈴響起，然后，機房區域可以釋放氬氣、氮氣這樣的惰性氣體，剝奪火焰中的氧氣，實現滅火(大約幾十秒就能搞定)。

模塊化數據中心：

數據中心是一個龐大的系統，建設過程非常復雜繁瑣，工期也很長。這些年，為了更快速、更靈活地部署數據中心，廠商推出了模塊化數據中心的概念。

說白了，就是將數據中心的結構系統、供配電系統、暖通系統、消防系統、照明系統、綜合布線等進行集成，變成一個一個的“積木”。然后，將“積木”運送到現場后，進行簡單吊裝、搭建，就可以完成建設和部署。

采用這種方式，大型數據中心的建設周期從 18-24 個月壓縮成了 6 個月左右，經濟效益明顯。

結語

好了，以上就是關于數據中心的介紹。

正如我前文所說，數據中心是數字時代重要的信息化基礎實施，是算力的重要載體，直接決定了國家的數字競爭力。

在“東數西算”戰略的帶動下，國內數據中心將迎來又一波發展熱潮。根據數據統計，2022 年我國數據中心業務市場規模將達到 3200.5 億元，年均復合增長率高達 27.0%。2025 年，國內數據中心 IT 投資規模有望達到 7070.9 億元。

除了數量激增之外，數據中心正在向綠色化、智能化的方向發展，積極引入 AI 人工智能，提升能效，降低運營復雜度。

未來，數據中心是否會出現新的形態變化，讓我們拭目以待吧!

關鍵詞： 數據中心 結構系統 供配電系統 暖通系統