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未來數據中心UPS需求淺談

未來數據中心UPS需求淺談

發布日期:2017-05-24 09:40 來源:http://www.babykeysday.com 點擊:

   貴陽UPS電源

         未來十年,UPS會消失嗎?——未來數據中心需要什麽樣的UPS?

  1972年,尼克鬆訪問中國,跟隨總統專機漂洋過海而來的禮品中據說就有一台UPS,這是UPS第一次出現在中國。四十多年過去了,如今全球UPS市場已達70億美元,而中國市場也超過40億人民幣。近年來,互聯網產業的蓬勃發展,數據中心的大規模建設進一步加大了市場對於UPS的需求。然而,現在的UPS真的能適應數據中心的發展,尤其是未來雲數據中心的發展嗎?十年後的供配電設備還會是現在這樣嗎,UPS最終是否會消失?這並非是杞人憂天,伴隨著計算機技術誕生的不間斷電源(UPS),已經越來越跟不上IT行業的發展,在伴隨大數據而來的各種新技術的衝擊下,傳統的UPS行業正在麵臨危機。

  1、數據中心的發展

  數據中心(Data Center)的發展從基礎設施層麵可以粗略劃分為三個階段:

  第一階段主要是場地、電源、網絡線路、通信設備等基礎電信資源和設施的托管和線路維護服務,多由電信企業提供,客戶包括行業、大型企業等。

  第二階段是90年代中後期互聯網的普及所帶來的主機托管、網站托管等業務的快速發展,IT設備的集中放置和對維護的要求也相應提高。IDC成為企業IT基礎設施的核心。

  第三階段是2000年後,隨著雲計算等技術的提出與高性能IT設備的應用,數據中心逐漸向大型化、虛擬化、綠色化發展。新型數據中心采用高性能基礎架構,可以實現資源的按需分配,並通過規模化運營與多種新型節能技術來降低整體運營成本。

  據Gartner統計,截止2010年底,全球的數據中心總量為339萬個,約占全球電力消耗的 1.3%。而在美國,這一比例更高,根據美國環境保護署的報告顯示,2011年數據中心能源消耗占到了美國電網總量的2%,並且還將呈現每五年翻一番的態勢。另據ICT Research統計,2012我國數據中心能耗高達664.5億度,占當年全國工業用電量的1.8%。根據預測,到2015年我國數據中心能耗預計高達1000億度,相當於整個三峽水電站一年的發電量。

  近年來,數據中心的發展逐漸呈現以下幾個趨勢,限於篇幅本文對於具體實現和技術細節不做過多介紹,僅對於基礎設施尤其是與供配電係統相關的各種趨勢進行剖析。

  (1)虛擬化,化繁為簡

  近年來,隨著雲計算的興起,虛擬化技術逐漸成熟。服務器虛擬化技術是指通過運用虛擬化的技術充分發揮服務器的硬件性能,確保在企業投入成本的同時,提高運營效率,節約能源,降低經濟成本和減少空間浪費。如原來四台20%使用率的服務器,通過虛擬化資源整合,可將業務集中到一台80%使用率的服務器上,從而提升資源利用率。

  最新Foresight調查報告顯示,提高業務連續性和實現災難恢複在消費者采用虛擬化的動機中排名前列,虛擬化文件和數據的備份、恢複、快照、複製、歸檔技術已經有一個相對健全的市場。

  (2)基礎架構,分久必合

  近年來,融合基礎架構成為數據中心的新趨勢。所謂融合基礎架構,簡單說來是將服務器、存儲、網絡以及管理軟件等資源融合於一體,形成一個整體的解決方案。和傳統的數據中心架構相比,融合基礎架構打破了存儲、計算、網絡的邊界,簡化了IT基礎設施的部署、運維和管理,從而縮短了用戶的部署時間,提高了資源利用率,大大降低了企業的采購成本。

  目前,IBM、惠普、戴爾、華為、甲骨文均推出了各有特色的融合基礎架構產品。預計到2017年,融合基礎架構會占到全球服務器、網絡、架構和服務市場總開支的三分之二,市場前景十分廣闊。而對於底層的供配電設備,未來也將進一步與IT設備進行融合。

  (3)綠色節能,大勢所趨

  不斷上漲的能源成本和不斷增長的計算需求,使得數據中心的能耗問題引發越來越多的關注。在工信部發布的《關於數據中心建設布局的指導意見》中,指出重點推廣綠色數據中心和綠色電源,明確要求新建大型雲計算數據中心的能耗效率(PUE)值達到1.5以下,已建的數據中心通過整合、改造和升級,PUE值應降到2.0以下。2014年2月1日,上海率先頒布了國內首個數據中心能耗限額的強製性地方標準,正式吹響了數據中心節能領域的先鋒號角。

  在國外,蘋果、亞馬遜、穀歌等公司都已積極開展數據中心的“綠色”改造,並推出許多超低PUE的數據中心,這些成功案例為國內的綠色數據中心建設提供了有益的借鑒。

  2、數據中心供配電係統的現狀

  (1)傳統UPS技術遠遠落後於數據中心的發展

  “矽進銅退”已成為電力電子領域的發展趨勢。在經曆了MOSFET、IGBT等功率器件的更新換代、DSP與數字電路的廣泛應用、LLC、軟開關、三電平逆變等新拓撲的逐漸成熟後,高頻化、數字化、智能化已成為電子產品的主流趨勢。“銅”所代表的變壓器、濾波電感等傳統模擬電路器件正逐漸被“矽”所代表的各種單片機、控製芯片、新型半導體功率器件等數字電路器件所代替。正是“矽”的大量應用,使得電子產品體積越來越小、效率越來越高、運算速度越來越快,這一趨勢在IT領域尤為明顯,如刀片服務器、原子路由器等。在消費電子領域,則表現為越來越薄的手機、越來越小的各種盒子等。而對UPS行業來說,“銅”代表的是傳統工頻UPS的隔離變壓器,“矽”代表的是更加智能化的高頻UPS。“矽”的大量使用,使得UPS更加智能化,因為涉及到軟件的要求越來越多,UPS也已從傳統的硬件產品變成了軟硬結合的產品。同時,從環保的角度來看,銅是不可再生資源,而矽主要來自於沙子,儲量巨大。所以,無論從技術角度還是從經濟成本角度考慮,“矽進銅退”都必將是UPS發展的重要趨勢。

  多方因素阻礙UPS技術進步。相比消費類電子產品的快速更新換代,數據中心的供配電產品明顯進步緩慢。這主要是因為供配電產品的“基礎設施”屬性注定了,隻要不壞,客戶很少會主動進行更換,筆者就曾在某運營商機房看到華為公司十多年前推出的UPS目前仍在使用。除此之外,部分設備廠商出於自身利益的考慮,也進一步阻礙了新技術在UPS領域的應用。結果導致在國內新建的各種數據中心中,仍不時可以看到各種傳統工頻機的身影。

  (2)供電設備長期低效率運轉,電力浪費嚴重

  對數據中心來說,追求更低的PUE和運營成本是CIO們永遠的任務。由輸入變壓器和ATS開關所組成的UPS輸入供電係統,以及由UPS及其相應的輸入和輸出配電櫃所組成的UPS供電係統,它們的功耗約占數據中心機房所需總功耗的10%左右。其中7%左右的功耗來源於UPS供電係統,3%左右來源於UPS輸入供電係統。對於大型數據中心來說,降低UPS供電損耗,可有效提升PUE,節省電費開支。

  而實際情況是,對於大部分的數據中心來說,UPS實際運行負載率都不會超過40%。尤其是對於可靠性要求較高的數據中心,傳統供配電係統在設計時往往會采用2N架構,UPS實際運行負載率甚至還不到20%。而對於大部分傳統UPS來說,在20%負載率左右的實際效率普遍低於85%。所以,在數據中心實際運營中,大部分UPS都在長期低效率的運行,電費浪費情況嚴重。據測算,對於200kW的小型數據中心而言,如果能將UPS實際運行效率提升到95%以上,每年僅電費就可節約30萬元。

  (3)傻大笨重,安裝維護困難

  傳統工頻UPS一般采用塔式結構,其內置變壓器往往導致UPS體積巨大、笨重,運輸安裝困難。對於大功率UPS,往往會因為超重而不得不采用大型工程機械來進行吊裝,如果運輸通道過窄,甚至還需要砸開機房牆壁進行搬運。所以一旦初期安裝完成,基本很難再進行擴容。但對於業務快速發展的企業尤其是互聯網企業來說,未來的不確定性往往要求基礎設備也同樣具備隨需擴容的能力,傳統的UPS顯然無法滿足這一訴求。騰訊微模塊概念的提出、HVDC的大量應用,無疑都是對快速建設、快速擴容、快速維護這一趨勢的體現。

  近年來雲計算的迅速興起,虛擬化技術的大量應用,使得各種應用與IT硬件設備進一步解耦。與此同時,便宜好用的X86服務器逐漸代替傳統小型機,模塊化的架構設計也早已成為IT設備的普遍趨勢。“即插即用、壞了就換”的維護模式,使得對IT運維人員的數量和能力要求進一步降低。而傳統的塔式UPS,一旦損壞就必須停機由專業人員進行維護,維護費用高昂、恢複時間漫長,故障的UPS長期運行在旁路模式的同時也使得業務中斷的風險大幅增加。傳統塔式UPS已經成為製約數據中心穩定運營的瓶頸。

  3、數據中心需要什麽樣的UPS

  首先應該承認,不同行業對UPS的認知與應用仍存在巨大差異。各種方案的應用也因人而異,並無統一標準。但是在保證可靠供電的前提下,筆者認為未來的數據中心將會在以下幾個方麵對供配電係統提出更高的要求。

  (1)首先是“快”,即快速建設、快速擴容。

  目前在數據中心的建設方式上,模塊化的理念已逐漸被大家所接受。無論是模塊化數據中心還是集裝箱數據中心,都是這一理念的具體實現。模塊化UPS同樣符合這一理念。如果僅從整體部署速度來看,模塊化UPS和塔式UPS差別並不大。但如果從後期擴容方麵以及初期投資方麵,模塊化的優勢都非常明顯。首先,按需擴容的功率模塊,更符合業務發展的需要。尤其是對於平均壽命隻有3到5年的互聯網企業,誰能早一天完成部署,早一天實現擴容,就能早一步贏得客戶,早一步占據市場。相比傳統塔式UPS一到兩周的安裝時間,模塊化UPS隻需幾分鍾即可完成擴容。其次,商業競爭日趨激烈,市場環境變幻莫測,以及未來發展的不確定性都要求CEO們必須在長期規劃與初期投入之間尋找最合適的平衡點。模塊化的結構隻需要預留合適空間,而不需一次性投入,未來可根據業務發展分批分期投入,明顯降低企業運營風險。對客戶而言,無論是自建還是出租,模塊化UPS都更適合企業的未來長遠發展。

  (2)其次是“易”,即易用性、高可用性。

  相比傳統數據中心為保證可靠性而設計的複雜的Tire4架構、2N係統,旁路模式、市電直供+UPS備份等等“不可思議”的方案正在被互聯網巨頭們采用。正是虛擬化的技術實現,使得互聯網企業從追求單純的供電可靠性變成了更看重以快速維護代表的可用性。

  因此UPS也要向IT設備一樣易維護。這對UPS有兩點要求:1、發生故障不能影響業務運行,即不影響正常電力供應;2、發生故障後要方便維護,最好運維人員可自行維護而無需聯係廠家。顯然,模塊化UPS最符合這一要求。無論是交流模塊化UPS還是直流模塊化UPS(高壓直流)都體現出了更高的可用性和易維護性。

  (3)然後是“省”,即節省。

  省空間:目前的中小型數據中心大多建設在寸土寸金的樓宇之間,高密度一直是IT設備的普遍追求,如刀片式服務器。更高功率密度,體積更加小巧的UPS能夠為用戶節省更多空間,對提供出租服務的企業來說,則意味著可以部署更多的IT設備用於租賃;另一方麵,如前文所述,基礎設施架構融合,已成為數據中心發展的趨勢之一,而更高功率密度的UPS將更方便地與服務、存儲等IT設備實現一體化部署,目前各主流廠家均已推出了這種一體化產品,如華為mircoDC, APC infraStruXure等。

  省電費:高昂的電費開支,也使得用戶更青睞高效率的UPS,因為高效率UPS除本身損耗更低之外,還能降低製冷方麵的能耗開支。有一點需要指出的是,雖然大多數廠家都宣稱可提供高效UPS,但負載率的影響仍然要考慮。對大部分數據中心而言,UPS的實際負載率不會超過30%(新建數據中心甚至隻有10%),而隨著虛擬化技術的實現,CPU利用率上升之後,UPS的實際負載率一般也不會超過40%(以1+1係統為例)。因此隻有在低負載率(20%~40%)也能做到94%以上高效的UPS才最符合數據中心的實際需求。

  除此之外,目前的主流服務器因為大量采用PFC校正電路,其輸入功率因數已普遍超過0.9。這就要求為其供電的UPS同樣應能提供0.9甚至更高的輸出功率因數,否則為了匹配這些服務器,用戶將不得不采購更多的UPS。 比如,按理論計算(不考慮冗餘等實際情況),10台500VA/450W(功率因數0.9)的服務器,其總功耗為5KVA/4.5KW,隻需采購一台5KVA輸出功率因數大於0.9(輸出功率大於4.5KW)的UPS即可。而如果UPS功率因數為0.8甚至更低,則需要兩台5KVA的UPS。

  (4)最後是“智”,即智能化。

  幾乎所有的UPS廠商都宣稱可提供智能化的設備。但目前的智能化主要還是集中在UPS本身的技術層麵,或網管方麵。麵對IT與CT行業層出不窮的新理念、新產品,尤其是近年來伴隨移動互聯網而出現的智能終端、可穿戴設備,UPS行業的“智能化”顯然還不夠智能。那麽未來十年,將有哪些方麵會出現突破?

  ① 能耗精細化管理

  目前服務器芯片已可以通過在空閑時關閉部分功能來實現降低能耗,而服務器風扇的轉速可調也已經大量應用,這些都為L1層供配電設備與L2層IT設備的聯動與統一降耗提供了便利。隨著傳感器的大量應用,機房內的局部環境與用電情況已經可以被輕鬆獲取,一個包含了機房內部物理生態係統(供配電係統、溫控係統、IT設備等)與機房外部自然生態係統(電網信息、氣象信息、用戶使用信息等)的綜合能耗管理係統已經初見雛形,一些互聯網巨頭以此為基礎通過機器學習技術將最終實現整個數據中心的自我優化與瓦特級的能耗管理。

  ② 信息處理與價值挖掘

  貴陽UPS電源作為網元之一,將與配電櫃、空調實現聯動。作為電網與設備之間的媒介,作為被管理的網元之一,包括UPS在內的供配電係統本身將承擔更多的信息收集與處理的功能,電網數據、負載數據,都將是未來的有用信息,通過數據分析,它將為用戶描繪出一副數據中心的整體用電圖譜,客戶可以快速的查詢到相關信息,如最耗電的服務器、用電的周期規律等;而互聯網大數據技術的應用,將會進一步挖掘這些信息的價值,目前已有一些互聯網企業開始投入研究,相信在不久的將來,以UPS為主的供配電係統很可能從純粹的消耗性設備變成能夠提供利潤的生產性設備。

  ③ 物聯網技術應用

  隨著移動通信技術的進一步普及,萬物互聯的時代已經到來。網管APP、移動式運維、自動化維護將逐漸代替傳統的運維方式。設想一下,位於內蒙古某太陽能發電站附近的數據中心,機房中空無一人。千裏之外的北京,某公司IT維護人員打開手機,發現網管係統給出告警“12#UPS負荷已超過預期”,係統自動追蹤後發現某幾台服務器用電量大幅上升,原因是服務器上運行的某款遊戲用戶數量暴增。這時係統給出了兩個選擇:“1、啟動備用供電模塊(將增加係統電費65元/天)”和“2、遷移部分應用到453#空閑服務器(將增加係統電費32元/天)”。網管係統則根據選擇自動開啟供電模塊或服務器。除了對數據中心的日常管理,物聯網技術的應用,還將帶來設備維護方式的變革。如設備壽命預測、故障預防、故障處理等。用戶會像在淘寶購物一樣根據網管係統的提示購買相應的維護產品,並遠程授權廠家維護人員前往故障地點進行維護,而單板級的空間定位係統則可以引導維修人員快速更換故障部件。

  設備日益智能化的同時,隨之而來的信息安全問題也不能忽視。傳統用戶往往認為病毒、黑客都是隻有互聯網才會碰到的倒黴事,對於“純硬件”的供配電係統來說,可以不用過於擔心。但隨著移動互聯網與智能化技術的普及,基礎設施必將被納入網絡管理係統,所以同樣也會麵臨各種網絡安全的風險。如前段時間曝出的OpenSSL“心血”漏洞,表明部分UPS網管係統就可能會存在泄露用戶賬號密碼的風險。即便是黑客們不能通過網管係統來關閉UPS(部分小容量UPS確實具備遠程關閉服務器的功能),而僅僅是改變一些關鍵參數,也可能會對整個供電係統造成嚴重影響。

  由此可見,高效率、智能化的模塊化UPS顯然更符合未來數據中心發展的要求。據了解,目前模塊化UPS年市場增長率超過6%,預計未來將會超過10%。而在最近結束的中移動集采中,模塊化UPS作為獨立標段,已占據120kVA以上容量段超過14%的采購份額。在電信行業,高頻化、模塊化已經成為UPS采購的主流趨勢。

  4、UPS行業的機遇與挑戰

  傳統的數據中心麵臨轉型。當前很多企業都是按照90年代標準建設的數據中心,在係統的可靠性、能耗管理和製冷係統等方麵都不能滿足業務發展的需要,也使得企業麵臨高能耗和高運營成本的問題。目前很多數據中心的運營者和擁有者都開始籌劃或者正在進行數據中心的升級改造計劃。伴隨著大量數據中心的擴容與遷移,對UPS的需求將會加大。這對UPS行業來說,無疑是個好消息。

  但傳統UPS廠家可不要高興的太早。與此同時,更具顛覆性的挑戰則來自於互聯網巨頭們。相比傳統企業數據中心,互聯網行業發展迅猛,對數據中心的需求也更加迫切。互聯網企業往往通過自建、租用、聯合建設等方式大規模部署數據中心,因為沒有老舊設備的拖累,他們往往更樂於采用最先進的技術。在國內,騰訊通過微模塊數據中心實現批量部署與快速建設,而供電係統則采用HVDC的模塊化設計來擺脫對傳統UPS的依賴。在百度,IT工程師們甚至采用傳統數據中心不敢嚐試的市電直供+UPS備份的形式來給服務器供電。而在海外,穀歌的做法更加激進,他們拋棄了傳統的供電係統,轉而采用新型的自帶電池的定製服務器來減少對傳統UPS係統的依賴。為了追求高效、彈性、按需部署、快速擴容,互聯網企業的工程師們無所不用其極。

  筆者相信,大數據時代的來臨必將改變整個世界,UPS行業同樣不能幸免。隻有勇於麵對挑戰,加強技術創新,融合最新ICT技術的廠家才能在未來立於不敗之地。在這股大數據與雲計算的狂風中,UPS的小夥伴們,你們準備好了嗎?

 

  

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