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云数据中心供电架构的变化脉络分析(一)
作者:伊顿电源            来源:             发布时间: 2016-01-08
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随着云计算和OTT的技术发展,互联网对数据的需求呈现爆炸式的增长,这极大地促进了云数据中心的市场需求,近年来国内外几乎同步兴起了建设云数据中心的热潮。大规模的建设也引发了业界对数据中心基础架构的重新思考,作为数据中心基础设施重要组成部分的供电架构自然也不例外。

基于对投资规划、高效低碳、安全可用、快速部署、按需扩展等因素的不同解读和引入互联网思维的创新激情,产生了各种各样的数据中心供电架构。从传统UPS到HVDC,从240V HVDC到336VHVDC,从集中式电源到分布式电源,从微软的LES架、Facebook的OCP架构到中国的天蝎机柜供电架构,从电源供电到市电直供等等,这让沉肃了几十年的电源行业出现了空前的“繁荣”,那些打着“高安全、高节能、易规划、易部署、易扩容”旗号的新方案、新架构多得有点让人眼花缭乱、应接不暇。但是,无论供电架构怎样千变万化,供电架构用来为服务器提供“供电、备电”服务的核心思想始终不变。“供电”意味着“怎么把外部市电最有效地传递到服务器”,“备电”意味着“在外部市电中断时怎么接入第二路市电和蓄电池等广义的备电系统”。为此,本文希望通过对这两个概念的重新解读,从构成逻辑上来梳理数据中心供电架构变化的脉络。本文不讨论供电架构的技术细节,后续图中的示意也仅表示数据中心供电架构的逻辑关系,并不是配电结构的实际反映。

基于“供电”的数据中心供电架构的变化模式

数据中心“供电”的概念就是把外部市电以最安全、最有效的途径传递到数据中心内部最底层的IT设备,从目前供电架构的发展看,这些IT设备可能是服务器,也可能仅仅是服务器去除电源部件PSU后的“板卡/芯片”部件。所以,所谓的数据中心供电架构模式,实际上无非是怎样把电能送到这些“板卡/芯片”的途径,从逻辑上看,可能的途径无非是从集中到分散或从分散到集中的不同程度而已:

1、数据中心电源集中供电模式

该模式如下图1所示,采用集中的电源室将变配电室送来的外部市电能经变换后送到数据机房,在数据机房内经列头柜将电能分配到每一个机柜,由机柜内的PDU将电能分送到每一台服务器。就目前的数据中心应用来看,这一模式是行业的主流,占比至少超过95%。其主要的优点是实现了动力设备与数据设备的物理隔离,实现了强、弱电专业管理的自然分区,安全性高,缺点是需要单独设立动力室,并需要专业的人员来负责维护。

2、数据中心微模块的分区供电模式

微模块也是近年来数据中心行业的热点,该模式如下图2所示,将变配电室送来的外部市电直接分区送到每一个微模块机房的输入配电模块,由微模块内的机柜式电源设备将变换后的电能送到输出配电模块,经分配后送到每一机柜的PDU,由机柜内的PDU将电能分送到每一台服务器。该方案的供电架构特点,是实现了从大电源设备到分区小电源设备的转变,对于1000个机柜的数据中心来说,大约需要50~100套这样的电源系统;节省的动力室空间,被拆分到每一个微模块里。其主要优点是可以工厂定制化,把不可控的工程时间转换为工厂化生产的可控时间;主要缺点是数据设备与动力设备,包括电池等化学能设备混装在一个封闭的物理空间,如果动力系统发生炸机起火事故,可能危及数据系统。

 

3、数据中心的机柜级分布式供电模式

如图3所示,该模式直接将变换电源置于每个服务器机柜的底部,一般视电源大小和后备时间,约占4`6U左右的机柜空间(一般10KVA/10min内)。来自变配电室的电能直接送到列头柜进行二次配电,二次配电后的电能经机柜内的机架式电源、PDU或汇流铜牌向服务器供电。该模式既是最古老的供电方案又是最新的应用方式,90年代因为大功率用UPS电源设备价格奇高,很多数据机房都不得不采用这种方式,但是近年这一模式又被赋予新的技术内涵,比如电源模块可以采用机架式HVDC代替机架式UPS、采用锂电池模块代替铅酸电池、采用市电+电源的双路供电等。相比与微模块供电架构,这一方案的电源分散性更大,对于1000个机柜的数据中心来说,就需要配置1000套这样的电源,后续运行时的日常电源管理是很大的问题,尽管故障时可以热插拔,但是电源系统偶发的短路起火、电池漏液等将是很大的安全威胁。当然,该方案也有可快速部署、没有承重问题等优势。

 

4、数据中心的服务器级直接供电模式

从上面三种供电模式的推演,我们完全有理由相信,肯定还有最后一种供电模式,那就是由外部市电直接向服务器供电的供电架构模式,目前该模式只有微软、Google试验过,如下图4所示。如果锂电池在服务器等高热环境下的安全性、工作寿命、容积比及低压工作下的自身损耗都能得到充分的保证,这无疑是供电架构的终极目标,不仅实现了外部电能向服务器最有效的直接供电,也实现了最短路径的备电。所以将来数据中心的供电是否能象笔记本电脑那样的直接,完全取决于未来电池技术的发展,最近报道的石墨烯电池的技术进展给这一应用创造了希望,但目前这一技术也还仅仅停留在实验室阶段。

 
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