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未来十年,UPS会消失吗?—未来数据中心需要什么样的UPS(上)

2016-11-28 14:52:04 点击数:

    1.972年,尼克松访问中国,跟随总统专机漂洋过海而来的礼品中据说就有一台UPS,这是UPS第一次出现在中国。四十多年过去了,如今全球UPS市场已达70亿美元,而中国市场也超过40亿人民币。近年来,互联网产业的蓬勃发展,数据中心的大规模建设进一步加大了市场对于UPS的需求。然而,现在的UPS真的能适应数据中心的发展,尤其是未来云数据中心的发展吗?十年后的供配电设备还会是现在这样吗,UPS最终是否会消失?这并非是杞人忧天,伴随着计算机技术诞生的不间断电源(UPS),已经越来越跟不上IT行业的发展,在伴随大数据而来的各种新技术的冲击下,传统的UPS行业正在面临危机。

数据中心的发展

数据中心(Data Center)的发展从基础设施层面可以粗略划分为三个阶段:

第一阶段主要是场地、电源、网络线路、通信设备等基础电信资源和设施的托管和线路维护服务,多由电信企业提供,客户包括行业、大型企业等。

第二阶段是90年代中后期互联网的普及所带来的主机托管、网站托管等业务的快速发展,IT设备的集中放置和对维护的要求也相应提高。IDC成为企业IT基础设施的核心。

第三阶段是2000年后,随着云计算等技术的提出与高性能IT设备的应用,数据中心逐渐向大型化、虚拟化、绿色化发展。新型数据中心采用高性能基础架构,可以实现资源的按需分配,并通过规模化运营与多种新型节能技术来降低整体运营成本。

  据Gartner统计,截止2010年底,全球的数据中心总量为339万个,约占全球电力消耗的 1.3%。而在美国,这一比例更高,根据美国环境保护署的报告显示,2011年数据中心能源消耗占到了美国电网总量的2%,并且还将呈现每五年翻一番的态势。另据ICT Research统计,2012我国数据中心能耗高达664.5亿度,占当年全国工业用电量的1.8%。根据预测,到2015年我国数据中心能耗预计高达1000亿度,相当于整个三峡水电站一年的发电量。

近年来,数据中心的发展逐渐呈现以下几个趋势,限于篇幅本文对于具体实现和技术细节不做过多介绍,仅对于基础设施尤其是与供配电系统相关的各种趋势进行剖析。

1)虚拟化,化繁为简

   近年来,随着云计算的兴起,虚拟化技术逐渐成熟。服务器虚拟化技术是指通过运用虚拟化的技术充分发挥服务器的硬件性能,确保在企业投入成本的同时,提高运营效率,节约能源,降低经济成本和减少空间浪费。如原来四台20%使用率的服务器,通过虚拟化资源整合,可将业务集中到一台80%使用率的服务器上,从而提升资源利用率。

   最新Foresight调查报告显示,提高业务连续性和实现灾难恢复在消费者采用虚拟化的动机中排名前列,虚拟化文件和数据的备份、恢复、快照、复制、归档技术已经有一个相对健全的市场。

2)基础架构,分久必合

  近年来,融合基础架构成为数据中心的新趋势。所谓融合基础架构,简单说来是将服务器、存储、网络以及管理软件等资源融合于一体,形成一个整体的解决方案。和传统的数据中心架构相比,融合基础架构打破了存储、计算、网络的边界,简化了IT基础设施的部署、运维和管理,从而缩短了用户的部署时间,提高了资源利用率,大大降低了企业的采购成本。目前,IBM惠普戴尔华为甲骨文均推出了各有特色的融合基础架构产品。预计到2017年,融合基础架构会占到全球服务器、网络、架构和服务市场总开支的三分之二,市场前景十分广阔。而对于底层的供配电设备,未来也将进一步与IT设备进行融合。

3)绿色节能,大势所趋

  不断上涨的能源成本和不断增长的计算需求,使得数据中心的能耗问题引发越来越多的关注。在工信部发布的《关于数据中心建设布局的指导意见》中,指出重点推广绿色数据中心和绿色电源,明确要求新建大型云计算数据中心的能耗效率(PUE)值达到1.5以下,已建的数据中心通过整合、改造和升级,PUE值应降到2.0以下。201421日,上海率先颁布了国内首个数据中心能耗限额的强制性地方标准,正式吹响了数据中心节能领域的先锋号角。在国外,苹果、亚马逊、谷歌等公司都已积极开展数据中心的“绿色”改造,并推出许多超低PUE的数据中心,这些成功案例为国内的绿色数据中心建设提供了有益的借鉴。

数据中心供配电系统的现状

1)传统UPS技术远远落后于数据中心的发展

  “硅进铜退”已成为电力电子领域的发展趋势。在经历了MOSFETIGBT等功率器件的更新换代、DSP与数字电路的广泛应用、LLC、软开关、三电平逆变等新拓扑的逐渐成熟后,高频化、数字化、智能化已成为电子产品的主流趋势。“铜”所代表的变压器、滤波电感等传统模拟电路器件正逐渐被“硅”所代表的各种单片机、控制芯片、新型半导体功率器件等数字电路器件所代替。正是“硅”的大量应用,使得电子产品体积越来越小、效率越来越高、运算速度越来越快,这一趋势在IT领域尤为明显,如刀片服务器、原子路由器等。在消费电子领域,则表现为越来越薄的手机、越来越小的各种盒子等。而对UPS行业来说,“铜”代表的是传统工频UPS的隔离变压器,“硅”代表的是更加智能化的高频UPS。“硅”的大量使用,使得UPS更加智能化,因为涉及到软件的要求越来越多,UPS也已从传统的硬件产品变成了软硬结合的产品。同时,从环保的角度来看,铜是不可再生资源,而硅主要来自于沙子,储量巨大。所以,无论从技术角度还是从经济成本角度考虑,“硅进铜退”都必将是UPS发展的重要趋势。

  多方因素阻碍UPS技术进步。相比消费类电子产品的快速更新换代,数据中心的供配电产品明显进步缓慢。这主要是因为供配电产品的“基础设施”属性注定了,只要不坏,客户很少会主动进行更换,笔者就曾在某运营商机房看到华为公司十多年前推出的UPS目前仍在使用。除此之外,部分设备厂商出于自身利益的考虑,也进一步阻碍了新技术在UPS领域的应用。结果导致在国内新建的各种数据中心中,仍不时可以看到各种传统工频机的身影。

2)供电设备长期低效率运转,电力浪费严重

   对数据中心来说,追求更低的PUE和运营成本是CIO们永远的任务。由输入变压器和ATS开关所组成的UPS输入供电系统,以及由UPS及其相应的输入和输出配电柜所组成的UPS供电系统,它们的功耗约占数据中心机房所需总功耗的10%左右。其中7%左右的功耗来源于UPS供电系统,3%左右来源于UPS输入供电系统。对于大型数据中心来说,降低UPS供电损耗,可有效提升PUE,节省电费开支。

   而实际情况是,对于大部分的数据中心来说,UPS实际运行负载率都不会超过40%。尤其是对于可靠性要求较高的数据中心,传统供配电系统在设计时往往会采用2N架构,UPS实际运行负载率甚至还不到20%。而对于大部分传统UPS来说,在20%负载率左右的实际效率普遍低于85%。所以,在数据中心实际运营中,大部分UPS都在长期低效率的运行,电费浪费情况严重。据测算,对于200kW的小型数据中心而言,如果能将UPS实际运行效率提升到95%以上,每年仅电费就可节约30万元。

3)傻大笨重,安装维护困难

  传统工频UPS一般采用塔式结构,其内置变压器往往导致UPS体积巨大、笨重,运输安装困难。对于大功率UPS,往往会因为超重而不得不采用大型工程机械来进行吊装,如果运输通道过窄,甚至还需要砸开机房墙壁进行搬运。所以一旦初期安装完成,基本很难再进行扩容。但对于业务快速发展的企业尤其是互联网企业来说,未来的不确定性往往要求基础设备也同样具备随需扩容的能力,传统的UPS显然无法满足这一诉求。腾讯微模块概念的提出、HVDC的大量应用,无疑都是对快速建设、快速扩容、快速维护这一趋势的体现。

  近年来云计算的迅速兴起,虚拟化技术的大量应用,使得各种应用与IT硬件设备进一步解耦。与此同时,便宜好用的X86服务器逐渐代替传统小型机,模块化的架构设计也早已成为IT设备的普遍趋势。“即插即用、坏了就换”的维护模式,使得对IT运维人员的数量和能力要求进一步降低。而传统的塔式UPS,一旦损坏就必须停机由专业人员进行维护,维护费用高昂、恢复时间漫长,故障的UPS长期运行在旁路模式的同时也使得业务中断的风险大幅增加。传统塔式UPS已经成为制约数据中心稳定运营的瓶颈。

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