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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

http://www.c114.com.cn ( 2014/11/18 13:35 )
1972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。 1 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。2014年2月1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。   2 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MOSFET、IGBT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。 3 数据中心需要什么样的UPS 首先应该承认,不同行业对UPS的认知与应用仍存在巨大差异。各种方案的应用也因人而异,并无统一标准。但是在保证可靠供电的前提下,笔者认为未来的数据中心将会在以下几个方面对供配电系统提出更高的要求。 1)首先是“快”,即快速建设、快速扩容。 目前在数据中心的建设方式上,模块化的理念已逐渐被大家所接受。无论是模块化数据中心还是集装箱数据中心,都是这一理念的具体实现。模块化UPS同样符合这一理念。如果仅从整体部署速度来看,模块化UPS和塔式UPS差别并不大。但如果从后期扩容方面以及初期投资方面,模块化的优势都非常明显。首先,按需扩容的功率模块,更符合业务发展的需要。尤其是对于平均寿命只有3到5年的互联网企业,谁能早一天完成部署,早一天实现扩容,就能早一步赢得客户,早一步占据市场。相比传统塔式UPS一到两周的安装时间,模块化UPS只需几分钟即可完成扩容。其次,商业竞争日趋激烈,市场环境变幻莫测,以及未来发展的不确定性都要求CEO们必须在长期规划与初期投入之间寻找最合适的平衡点。模块化的结构只需要预留合适空间,而不需一次性投入,未来可根据业务发展分批分期投入,明显降低企业运营风险。对客户而言,无论是自建还是出租,模块化UPS都更适合企业的未来长远发展。 2)其次是“易”,即易用性、高可用性。 相比传统数据中心为保证可靠性而设计的复杂的Tire4架构、2N系统,旁路模式、市电直供+UPS备份等等“不可思议”的方案正在被互联网巨头们采用。正是虚拟化的技术实现,使得互联网企业从追求单纯的供电可靠性变成了更看重以快速维护代表的可用性。 因此UPS也要向IT设备一样易维护。这对UPS有两点要求:1、发生故障不能影响业务运行,即不影响正常电力供应;2、发生故障后要方便维护,最好运维人员可自行维护而无需联系厂家。显然,模块化UPS最符合这一要求。无论是交流模块化UPS还是直流模块化UPS(高压直流)都体现出了更高的可用性和易维护性。 3)然后是“省”,即节省。 省空间:目前的中小型数据中心大多建设在寸土寸金的楼宇之间,高密度一直是IT设备的普遍追求,如刀片式服务器。更高功率密度,体积更加小巧的UPS能够为用户节省更多空间,对提供出租服务的企业来说,则意味着可以部署更多的IT设备用于租赁;另一方面,如前文所述,基础设施架构融合,已成为数据中心发展的趋势之一,而更高功率密度的UPS将更方便地与服务、存储等IT设备实现一体化部署,目前各主流厂家均已推出了这种一体化产品,如华为mircoDC, APC infraStruXure等。 省电费:高昂的电费开支,也使得用户更青睐高效率的UPS,因为高效率UPS除本身损耗更低之外,还能降低制冷方面的能耗开支。有一点需要指出的是,虽然大多数厂家都宣称可提供高效UPS,但负载率的影响仍然要考虑。对大部分数据中心而言,UPS的实际负载率不会超过30%(新建数据中心甚至只有10%),而随着虚拟化技术的实现,CPU利用率上升之后,UPS的实际负载率一般也不会超过40%(以1+1系统为例)。因此只有在低负载率(20%~40%)也能做到94%以上高效的UPS才最符合数据中心的实际需求。 除此之外,目前的主流服务器因为大量采用PFC校正电路,其输入功率因数已普遍超过0.9。这就要求为其供电的UPS同样应能提供0.9甚至更高的输出功率因数,否则为了匹配这些服务器,用户将不得不采购更多的UPS。 比如,按理论计算(不考虑冗余等实际情况),10台500VA/450W(功率因数0.9)的服务器,其总功耗为5KVA/4.5KW,只需采购一台5KVA输出功率因数大于0.9(输出功率大于4.5KW)的UPS即可。而如果UPS功率因数为0.8甚至更低,则需要两台5KVA的UPS。 4)最后是“智”,即智能化。 几乎所有的UPS厂商都宣称可提供智能化的设备。但目前的智能化主要还是集中在UPS本身的技术层面,或网管方面。面对IT与CT行业层出不穷的新理念、新产品,尤其是近年来伴随移动互联网而出现的智能终端、可穿戴设备,UPS行业的“智能化”显然还不够智能。那么未来十年,将有哪些方面会出现突破? ① 能耗精细化管理 目前服务器芯片已可以通过在空闲时关闭部分功能来实现降低能耗,而服务器风扇的转速可调也已经大量应用,这些都为L1层供配电设备与L2层IT设备的联动与统一降耗提供了便利。随着传感器的大量应用,机房内的局部环境与用电情况已经可以被轻松获取,一个包含了机房内部物理生态系统(供配电系统、温控系统、IT设备等)与机房外部自然生态系统(电网信息、气象信息、用户使用信息等)的综合能耗管理系统已经初见雏形,一些互联网巨头以此为基础通过机器学习技术将最终实现整个数据中心的自我优化与瓦特级的能耗管理。 ② 信息处理与价值挖掘 UPS作为网元之一,将与配电柜、空调实现联动。作为电网与设备之间的媒介,作为被管理的网元之一,包括UPS在内的供配电系统本身将承担更多的信息收集与处理的功能,电网数据、负载数据,都将是未来的有用信息,通过数据分析,它将为用户描绘出一副数据中心的整体用电图谱,客户可以快速的查询到相关信息,如最耗电的服务器、用电的周期规律等;而互联网大数据技术的应用,将会进一步挖掘这些信息的价值,目前已有一些互联网企业开始投入研究,相信在不久的将来,以UPS为主的供配电系统很可能从纯粹的消耗性设备变成能够提供利润的生产性设备。 ③ 物联网技术应用 随着移动通信技术的进一步普及,万物互联的时代已经到来。网管APP、移动式运维、自动化维护将逐渐代替传统的运维方式。设想一下,位于内蒙古某太阳能发电站附近的数据中心,机房中空无一人。千里之外的北京,某公司IT维护人员打开手机,发现网管系统给出告警“12#UPS负荷已超过预期”,系统自动追踪后发现某几台服务器用电量大幅上升,原因是服务器上运行的某款游戏用户数量暴增。这时系统给出了两个选择:“1、启动备用供电模块(将增加系统电费65元/天)”和“2、迁移部分应用到453#空闲服务器(将增加系统电费32元/天)”。网管系统则根据选择自动开启供电模块或服务器。除了对数据中心的日常管理,物联网技术的应用,还将带来设备维护方式的变革。如设备寿命预测、故障预防、故障处理等。用户会像在淘宝购物一样根据网管系统的提示购买相应的维护产品,并远程授权厂家维护人员前往故障地点进行维护,而单板级的空间定位系统则可以引导维修人员快速更换故障部件。 设备日益智能化的同时,随之而来的信息安全问题也不能忽视。传统用户往往认为病毒、黑客都是只有互联网才会碰到的倒霉事,对于“纯硬件”的供配电系统来说,可以不用过于担心。但随着移动互联网与智能化技术的普及,基础设施必将被纳入网络管理系统,所以同样也会面临各种网络安全的风险。如前段时间曝出的OpenSSL“心血”漏洞,表明部分UPS网管系统就可能会存在泄露用户账号密码的风险。即便是黑客们不能通过网管系统来关闭UPS(部分小容量UPS确实具备远程关闭服务器的功能),而仅仅是改变一些关键参数,也可能会对整个供电系统造成严重影响。 由此可见,高效率、智能化的模块化UPS显然更符合未来数据中心发展的要求。据了解,目前模块化UPS年市场增长率超过6%,预计未来将会超过10%。而在最近结束的中移动集采中,模块化UPS作为独立标段,已占据120kVA以上容量段超过14%的采购份额。在电信行业,高频化、模块化已经成为UPS采购的主流趋势。 4 UPS行业的机遇与挑战 传统的数据中心面临转型。当前很多企业都是按照90年代标准建设的数据中心,在系统的可靠性、能耗管理和制冷系统等方面都不能满足业务发展的需要,也使得企业面临高能耗和高运营成本的问题。目前很多数据中心的运营者和拥有者都开始筹划或者正在进行数据中心的升级改造计划。伴随着大量数据中心的扩容与迁移,对UPS的需求将会加大。这对UPS行业来说,无疑是个好消息。 但传统UPS厂家可不要高兴的太早。与此同时,更具颠覆性的挑战则来自于互联网巨头们。相比传统企业数据中心,互联网行业发展迅猛,对数据中心的需求也更加迫切。互联网企业往往通过自建、租用、联合建设等方式大规模部署数据中心,因为没有老旧设备的拖累,他们往往更乐于采用最先进的技术。在国内,腾讯通过微模块数据中心实现批量部署与快速建设,而供电系统则采用HVDC的模块化设计来摆脱对传统UPS的依赖。在百度,IT工程师们甚至采用传统数据中心不敢尝试的市电直供+UPS备份的形式来给服务器供电。而在海外,谷歌的做法更加激进,他们抛弃了传统的供电系统,转而采用新型的自带电池的定制服务器来减少对传统UPS系统的依赖。为了追求高效、弹性、按需部署、快速扩容,互联网企业的工程师们无所不用其极。 笔者相信,大数据时代的来临必将改变整个世界,UPS行业同样不能幸免。只有勇于面对挑战,加强技术创新,融合最新ICT技术的厂家才能在未来立于不败之地。在这股大数据与云计算的狂风中,UPS的小伙伴们,你们准备好了吗?
作者:华为技术有限公司 李晶晶   来源:C114齐乐娱乐网 版权说明:凡注明来源为“C114齐乐娱乐网”的文章皆属C114版权所有,除与C114签署内容授权协议的单位外,其他单位未经允许禁止转载、摘编,违者必究。如需使用,请联系021-54451141。其中编译类仅出于传递更多信息之目的,系C114对海外相关站点最新信息的翻译稿,仅供参考,不代表证实其描述或赞同其观点,投资者据此操作,风险自担;翻译质量问题请指正
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