數(shù)據(jù)中心未來供電技術(shù)發(fā)展淺析

1、-. z.數(shù)據(jù)中心未來供電技術(shù)開展淺析2014-06-09 17:14 李典林騰訊字號：T | T隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的開展以及降低運(yùn)營本錢和節(jié)能減排的需求，市電直供方案將在大型的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等場合的應(yīng)用會越來越廣泛，成為未來趨勢。AD：WOT2014課程推薦：實(shí)戰(zhàn)MSA：用開源軟件搭建微效勞系統(tǒng)51CTO主辦WOT全球軟件技術(shù)峰會直減百元優(yōu)惠活動(dòng)搶票進(jìn)展中！隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的大規(guī)模建立，以及更為關(guān)注能源利用效率，數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)未來的開展方向一定是市電直供技術(shù)，在降低前提投資本錢的同時(shí)，還通過高效率供電減少后期運(yùn)營本錢。這里所說的高效率不僅僅是指電網(wǎng)側(cè)到IT設(shè)備的供電路徑高效率，而是一次能源側(cè)

2、到CPU等的整個(gè)能源路徑上的高效率和綠色環(huán)保，雖然傳統(tǒng)概念的PUE可能升高，但單位總能耗是降低的。未來的總體開展趨勢是高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向開展，由機(jī)房外集中式鉛酸電池向IT機(jī)柜內(nèi)分布式小(鋰)電池等方向開展，從化石能源向綠色能源方向開展。數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心供電不連續(xù)的核心在于不連續(xù)電源及其電池技術(shù)，因此電池連接的位置也決定了不同的供電架構(gòu)。目前業(yè)界主流的備用電池電壓從高到低分別有UPS的四百多伏，到直流電源的380V、240、及48V，甚至電池內(nèi)嵌到IT設(shè)備內(nèi)的12V等。下列圖是目前業(yè)界在數(shù)據(jù)中心供電方面的主要技術(shù)方案，首先從集中式四百多伏鉛酸電池的傳統(tǒng)UP

3、S，其次到標(biāo)準(zhǔn)效勞器不用定制、240V電池直掛輸出母線的240V高壓直流技術(shù)，接著還有效勞器采用定制48V或者380V輸入電源的48V直流或者380V高壓直流電池直掛技術(shù)，最后再到google等的12V電池直掛效勞器主板輸入方案。電池越靠近末端效勞器主板或者CPU，供電系統(tǒng)越為分散，相應(yīng)的IT系統(tǒng)也更為分布式;電池越靠近末端，供電系統(tǒng)的定制化程度越高，普通用戶規(guī)模開展的難度也越大;電池越靠近末端，對IT電源及電池的控制管理水平要求也越高。最后，電池越靠近末端，從電網(wǎng)到CPU供電路徑上的轉(zhuǎn)換級數(shù)也相應(yīng)減少，帶來更高的轉(zhuǎn)換效率，但可能在低壓側(cè)傳輸損耗又會增加。因此，比照集中式和分布式、高壓還是低壓

4、，選擇不同的供電架構(gòu)，會很大程度上影響供電系統(tǒng)可靠性、供電效率、造價(jià)本錢等，還有技術(shù)、生態(tài)的成熟性以及應(yīng)用靈活性等。此外，隨著電池技術(shù)的開展，以及風(fēng)能、太陽能、燃料電池等綠色能源在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的引入，給數(shù)據(jù)中心帶來更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。從*種意義上說，數(shù)據(jù)中心不連續(xù)供電技術(shù)取決于電池技術(shù)的開展，電池的革新也會帶來數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的變化，比方從傳統(tǒng)的低密度鉛酸電池到高能量密度鋰電池技術(shù)的開展，就很可能把備份電池從電池室改放到IT機(jī)柜內(nèi)。同樣的電池技術(shù)的開展，使得風(fēng)能、太陽能等波動(dòng)性綠色能源實(shí)現(xiàn)儲能的可能，也將改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心來自單一電網(wǎng)供電模式等。這些更進(jìn)一步的討論這里不再展開，本文暫以業(yè)界用到的主流

5、技術(shù)為主，通過梳理粗淺分析，拋磚引玉，以便大家可以更為深入的探討未來數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)的開展方向。一、380V的高壓直流系統(tǒng)1.1 傳統(tǒng)的380V直流暫時(shí)沒有市場380V高壓直流技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)開展了很多年了，也有很多研究和標(biāo)準(zhǔn)等，雖然較傳統(tǒng)的UPS及48V通信電源系統(tǒng)有很多優(yōu)勢，但涉及IT設(shè)備電源的定制以及直流供配電等配套的跟進(jìn)，截至目前開展的應(yīng)用規(guī)模都很小，根本停留在實(shí)驗(yàn)室試點(diǎn)階段。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的設(shè)備復(fù)雜多樣，從主要的效勞器設(shè)備到相對少量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以及消防、弱電、照明等等，涉及很多行業(yè)及不同供給商，如果僅僅為了適應(yīng)380V直流供電，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的全部設(shè)備都要定制，則帶來的本錢增加及開展難度就

6、足以抵消了其節(jié)能利好，不管是在數(shù)據(jù)中心租賃方難以推廣，在用戶側(cè)也無法承受，因此截至目前業(yè)界開展的380V高壓直流工程規(guī)模都很小，示*意義大于實(shí)際節(jié)能收益。1.2 380V高壓直流在未來新能源方面存在一定應(yīng)用空間隨著太陽能、風(fēng)能及燃料電池等綠色能源的開展，這些分布式供電可能在未來會推進(jìn)380V高壓直流電源技術(shù)的開展。因?yàn)榇缶植康姆植际角鍧嵞茉赐ǔ６际遣▌?dòng)性的，需要先整流穩(wěn)壓并電池儲能后才可以直接用于數(shù)據(jù)中心供電。而傳統(tǒng)的48V電源系統(tǒng)因?yàn)殡妷狠^低，傳輸損耗及線纜投資較大，不適合于較大規(guī)模的分布式能源使用，而相對而言380V高壓直流系統(tǒng)在這方面有較大優(yōu)勢。在IT設(shè)備側(cè)，可以由DC/DC變換器直接將

7、380V高壓直流降壓到12V或5V甚至更低電壓，減少了電源內(nèi)部AC/DC整流環(huán)節(jié)，整個(gè)供電路經(jīng)上效率較高，很可能是未來的開展趨勢。但同樣涉及IT設(shè)備電源的定制，以及依賴電池儲能技術(shù)的開展，短期內(nèi)仍無法規(guī)模開展。二、根本不用定制的240V直流針對380V高壓直流技術(shù)技術(shù)不夠成熟，且需要定制IT設(shè)備電源等問題，目前在國內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的240V高壓直流技術(shù)很好的解決了380V高壓直流的這些問題。源于220V電力電源技術(shù)和48V通信電源技術(shù)的240V高壓直流，具有較為成熟的技術(shù)及生態(tài)積累，以及絕大多數(shù)的IT設(shè)備不用任何改造，可直接由240V高壓直流直接供電。此外240V高壓直流技術(shù)有高達(dá)96%的高效率、

8、智能節(jié)能休眠、高可靠性、熱插拔易維護(hù)等特性，這些優(yōu)點(diǎn)大大普及了240V高壓直流技術(shù)在國內(nèi)的開展實(shí)用，截至目前，全國已經(jīng)有近10萬臺以上IT設(shè)備運(yùn)行在240V高壓直流下。2.1 AC+240V HVDC 50%+50%目前業(yè)界以騰訊為首等互聯(lián)網(wǎng)公司提出的基于240V高壓直流技術(shù)衍生出來的市電+240V高壓直流供電架構(gòu)，正進(jìn)一步改變傳統(tǒng)UPS等靠硬件多重冗余來保障可靠性的高投入低能效模式。對于目前大多數(shù)的雙電源效勞器，可以采用如上圖所示的采用一路市電直供，另外一路來自240V高壓直流的供電架構(gòu)。效勞器電源內(nèi)部自動(dòng)均流，市電和240V高壓直流各承當(dāng)一半負(fù)載。由于市電直供支路可以到達(dá)近100%的供電效

9、率，而240V高壓直流供電具有的節(jié)能休眠控制策略可使其效率可在全負(fù)載*圍內(nèi)到達(dá)94%-96%，這樣均分負(fù)載情況下的綜合供電效率高達(dá)97%-98%，比傳統(tǒng)的UPS供電架構(gòu)效率高出很多，在保證2N供電可靠根底上還實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)市電直供技術(shù)的高效率。當(dāng)然，對于少量的單電源效勞器，可以直接掛接在240V高壓直流支路上。2.2 AC+240V HVDC 100%+0% 效勞器主從模式在前面市電+240V高壓直流數(shù)據(jù)中心側(cè)不用任何變化，如果能在效勞器的電源上做些主從設(shè)置，或者目前局部廠家的效勞器具備支持休眠一個(gè)電源的功能，則這種主從模式下，市電主供、高壓直流系統(tǒng)休眠后備，綜合供電效率更是高達(dá)99%，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心

10、供電系統(tǒng)的超高效率。實(shí)現(xiàn)效勞器電源主從模式的方式很多，如下采用騰訊專利的效勞器電源調(diào)壓技術(shù)可以通過電源硬件上的微調(diào)，即可實(shí)現(xiàn)可靠的主從工作及故障切換等，開展起來非常容易。當(dāng)然也可以通過更為高級的軟件控制等策略實(shí)現(xiàn)雙電源工作在主從模式下，這里不再展開說明。采用主從模式工作下的效勞器，由于從電源在市電正常的時(shí)候根本不帶載，因此高壓直流系統(tǒng)可以只是個(gè)容量很小的充電器，大大節(jié)省了240V高壓直流電源系統(tǒng)的投資及空間占用，可以是電源和電池一體柜的簡單電池柜設(shè)計(jì)。市電正常情況下，市電幾乎承當(dāng)絕全部負(fù)載，同時(shí)對電池充電備用，實(shí)現(xiàn)99%的供電效率。當(dāng)市電停電的時(shí)，電池瞬間承當(dāng)起全部IT負(fù)載，直至柴油發(fā)電機(jī)起來

11、帶起整個(gè)數(shù)據(jù)中心負(fù)載，電池逐步退出并重新被充滿，繼續(xù)等待下一次停電發(fā)生。采用240V高壓直流技術(shù)可以比傳統(tǒng)供電方案實(shí)現(xiàn)高效率，甚至實(shí)現(xiàn)近100%的市電直供，但其雙電源配置(當(dāng)然也可以類似facebook采用市電+240V高壓直流的單模塊雙輸入電源設(shè)計(jì)降低本錢)以及高壓電池等仍不是很完美方案，仍屬于過渡技術(shù)，將會被新的更好技術(shù)取代。三、現(xiàn)有12V的市電直供給用情況：3.1 google的12V分布式UPSGoogle的12V掛電池方案采用分布式電源加分布式電池作掉電備份，原理是每個(gè)效勞器帶一個(gè)電源并配一個(gè)鉛酸電池，市電正常時(shí)候市電直接給設(shè)備供電并給電池充滿電，市電中斷時(shí)候電池放電備份幾分鐘，直至

12、柴發(fā)起來繼續(xù)供電。有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：1、電源產(chǎn)自中國，輸出參數(shù)為13.65V &20.5A，這個(gè)效勞器的總輸出功率不會超過250w。有趣的是這個(gè)電池接入開關(guān)電源，則開關(guān)電源當(dāng)成一個(gè)UPS看也不為過，就是一個(gè)13.65v輸出的ups，不會比市面上幾百塊錢最低檔次的UPS更貴。2、關(guān)于電池，免維護(hù)鉛酸蓄電池?zé)o疑，從公開的資料上其容量只有3.2ah，充其量只能夠維持3、4分鐘以內(nèi)的效勞器掉電保護(hù)時(shí)間。該方案的核心技術(shù)是電池管理及切換控制，原理如下列圖所示，實(shí)現(xiàn)供電效率到達(dá)99.99%。3.2 微軟的12V BBU集中式市電直供方案下列圖是微軟的12V電池BBU集中式市電直供方案，微軟在2010年推出該

13、ITPAC的機(jī)柜效勞器供電方案，從概念圖上看機(jī)柜采用集中電源供電，并在12V母排集中掛鋰電池備份方案。分為上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)單獨(dú)供電，單機(jī)柜到達(dá)18.6KW功率給96臺效勞器供電。選用的4.5KW效勞器電源也是高效率的電源模塊，通過12V集中母排給效勞器子機(jī)單元供電。市電正常時(shí)候直接給設(shè)備供電，市電中斷情況下，靠鋰電池短時(shí)間放電過渡，直至柴發(fā)起來承當(dāng)全部負(fù)載。3.3 隨著功率增加，12V將不再適合于數(shù)據(jù)中心從前面的兩個(gè)案例可以看出，不管是google的12V帶電池分布式小UPS供電方案，還是微軟的12V鋰電池BBU半集中式供電方案，都實(shí)現(xiàn)了市電直供近100%的供電效率。但12V電池要么直接掛在IT

14、設(shè)備內(nèi)，要么就安裝在效勞器機(jī)柜內(nèi)，主要的目的都是為了盡量減少12V低壓供電的傳輸損耗。谷歌12V分布式供電雖然12V傳輸損耗較小，但電源和電池?cái)?shù)量大/本錢高/電源負(fù)載率低效率會偏低;而微軟的12V集中式供電的電源和電池?cái)?shù)量少/本錢稍低/負(fù)載率高電源效率高，但12V傳輸損耗大，都存在一定缺乏。隨著業(yè)界IT機(jī)柜功率的不斷增加，以及對能效的更高要求，12V低壓傳輸損耗及本錢會成為嚴(yán)重限制。舉個(gè)簡單例子，對于12KW的機(jī)柜，如果采用12V集中單母線供電，則供電電流可以高達(dá)1000安培，假設(shè)電源框和母線等的接觸電阻為1毫歐，光接觸電阻的損耗也會高達(dá)1KW，還沒算銅排上的大電流傳輸損耗及電源插框的電源轉(zhuǎn)換

15、效率損耗，總計(jì)高達(dá)3、4千瓦。而采用較高電壓的48V供電方案，則可以大大降低傳輸及接觸電阻損耗，且48V電源的效率也比12V電源的效率高2%以上，如下列圖的兩者損耗分析比照。采用12V集中供電方案，機(jī)柜的總功率不宜超過6-8KW，如果超過10KW以上，傳輸及接觸電阻損耗就會很大。而采用48V供電方案則沒有這個(gè)問題，整機(jī)柜的總功率可以高達(dá)30KW以上，傳輸及接觸損耗都可以控制較小。當(dāng)然采用類似前面微軟的做法，將總功率分散在兩個(gè)甚至更多的電源插框中可以減少母線電流，但仍會帶來更多電源插框占用珍貴機(jī)柜空間，以及更多電源和電池帶來更大投資本錢等問題。最后，對于12V低壓市電直供，還存在電源及電池BBU

16、設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)很大的問題，畢竟通常5%的電壓波動(dòng)允許，以及至少幾分鐘電池掉電備份時(shí)間要求等，對于電源及電池的設(shè)計(jì)和選擇都是很大挑戰(zhàn)，總體而言，目前業(yè)界采用12V直掛電池市電直供方案的用戶較少，且在未來會逐步往48V市電直供技術(shù)方向上開展。四、面向未來的48V市電直供架構(gòu)如上圖，從電網(wǎng)側(cè)到CPU的整個(gè)供電路徑上，采用傳統(tǒng)12V供電方式帶來的供電損耗會比采用48V供電方式的損耗高出很多，特別在未來高功率密度應(yīng)用場合12V已經(jīng)不再適宜采用了。48V市電直供方案在通訊行業(yè)已經(jīng)非常成熟，只是傳統(tǒng)的48V供電方案是集中式電源系統(tǒng)，而未來開展的48V市電直供方案是分布式電源和IT融合的方案，電源和電池就近放在IT

17、機(jī)柜邊上，甚至放到IT機(jī)柜內(nèi)部，大大減少供電傳輸損耗及線纜投資等。且允許48V電池電壓有個(gè)很寬的波動(dòng)*圍，電池備電時(shí)間也可以得到較大提高。目前48V電源最高效率也高達(dá)97%以上，本錢也比12V電源要低較多，是個(gè)低本錢高效率解決方案，帶來的問題是局部IT設(shè)備需要定制。但目前在數(shù)據(jù)中心行業(yè)，很多IT設(shè)備及根底設(shè)施都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了48V供電架構(gòu)，推動(dòng)起來難度比采用380V高壓直流要小很多，目前業(yè)界已經(jīng)有較多互聯(lián)網(wǎng)等公司已采用48V供電架構(gòu)了。1、facebook的48V半集中供電及下一代架構(gòu)從Facebook的公開資料上看采用了分布式效勞器電源加分布式48V電池的方案，每臺效勞器配一個(gè)277Vac和48

18、Vdc雙輸入、單輸出為12.5V的定制電源。其中277Vac接口直接接到市電交流PDU上，而48Vdc接口連接到48V直流PDU。市電正常的時(shí)候市電直供，48V電池作為后備，當(dāng)市電異?；蛘咧袛嗲闆r下，48V電池瞬間放電短時(shí)備份，直至柴發(fā)起來承當(dāng)負(fù)載。在實(shí)際的物理布局上，由于分布式48V備份電源不能長距離傳輸供電，因此電池就近擺放在IT機(jī)柜邊上，每個(gè)電池柜覆蓋6個(gè)IT機(jī)柜。如前面所述，市電正常情況下市電承當(dāng)了全部負(fù)載，所以48V電源只作為充電器使用，保證對備份電池的充電即可，因此48V電源只是個(gè)小充電插框，直接放置在電池柜頂部即可，如下列圖所示。Facebook的這個(gè)市電直供48V備份方案由于采

19、用的是鉛酸電池作為后備，考慮鉛酸電池的功率密度低、對溫度敏感且存在漏夜等風(fēng)險(xiǎn)，因此把電池放在了IT機(jī)柜之外但靠近IT機(jī)柜安裝。其每個(gè)市電+48V雙輸入效勞器電源內(nèi)部實(shí)際還是兩個(gè)電源并聯(lián)在一起，數(shù)量多，定制本錢高等，投資造價(jià)還是很大，所以在后續(xù)的整機(jī)柜版本中facebook改用了電源更少的集中電源插框方式供電。且隨著電池技術(shù)的開展，比方更高密度、放電能力及高溫特性更好的鋰電池等價(jià)格下來，則電源及電池會更為分布，直接從IT機(jī)柜外轉(zhuǎn)移到IT機(jī)柜內(nèi)部，如open rack的V2.0版本。如前面的12V供電分析，facebook的這個(gè)V2版本雖然電源適當(dāng)集中，且電池和電源就近匹配安裝，但單機(jī)柜內(nèi)仍采用了

20、三個(gè)電源插框，以及多根供電母線排等，并沒有解決電源數(shù)量多，12V低壓傳輸損耗大等問題。而48V供電架構(gòu)，可以只用一個(gè)電源插框及一根母線排搞定，且48V鋰電池包較為成熟且容易設(shè)計(jì)，因此這個(gè)V2應(yīng)該只是個(gè)過渡版本，未來一定會向48V供電架構(gòu)切換(數(shù)據(jù)中心根底設(shè)施可以根本保存不變，只是將電池柜替換成整機(jī)柜即可完成升級)。上圖市電轉(zhuǎn)48V再直接降壓到1.2V的供電架構(gòu)，如前述，具有極高供電效率，且很低傳輸損耗，技術(shù)成熟度最高，且可選的供給商非常多，因此已經(jīng)是未來數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)方向。據(jù)不可靠資料，目前業(yè)界的google、amazon和思科等公司已經(jīng)在采用此方案。當(dāng)然這個(gè)架構(gòu)的缺乏之處在于需要修改傳統(tǒng)

21、效勞器主板上的12V輸入供電，改用48V輸入供電，但技術(shù)難度很小，比方很多刀片效勞器、網(wǎng)絡(luò)板卡等都是48V輸入供電。且對于效勞器白牌化、深度定制的今天，對于前述互聯(lián)網(wǎng)巨頭而言，定制48V輸入供電的效勞器已經(jīng)完全不是問題了。2、考慮數(shù)據(jù)中心的整體需求，包括交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、行間空調(diào)等供電的歸一化隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的開展，未來的IT和根底設(shè)施會更為融合在一起，就像今天我們今天看到的機(jī)柜級效勞器集成了電源和風(fēng)扇，效勞器會板卡化，支撐的電源和散熱組建也會適當(dāng)集中。再往上一級，比方微模塊級，一定是分布式供電和散熱組建更為靠近IT負(fù)載，分期投資并彈性配置，實(shí)現(xiàn)就近供電和高效散熱，這種情況下散熱系統(tǒng)的供電跟著

22、分布式電源一起走。剛好目前主流的末端空調(diào)EC風(fēng)機(jī)等很大局部也是48V供電，分布式電池還可對散熱系統(tǒng)做持續(xù)供電保障。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的交換機(jī)、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根本都是可以選配可支持48V供電的電源，比方facebook數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根本也是采用48V直供供電，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其他弱電、監(jiān)控、照明等可以很容易選擇適當(dāng)?shù)?8V電源以支持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)的其他局部供電，最終實(shí)現(xiàn)IT和根底支撐48V供電的歸一化。3、和鐵鋰電池、燃料電池、太陽能、風(fēng)能等等結(jié)合在一起的直流微網(wǎng)架構(gòu)我們前面提到數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)很大程度取決于電池技術(shù)的進(jìn)步和開展，傳統(tǒng)的鉛酸電池由于功率密度以及平安性等原因不適合直接和IT設(shè)備放在一起，但鋰電池則由于其高功率密度以及高溫特性好等，未來很有可能會以BBU等形態(tài)和IT設(shè)備就近擺放，甚至?xí)旁贗T設(shè)備內(nèi)部。當(dāng)電網(wǎng)正?；蛘咝履茉垂╇姖M足負(fù)載需求的時(shí)候，直接給設(shè)備供電，電池作為儲能單元充電備份。當(dāng)供電出現(xiàn)波動(dòng)或者中斷情況下，則電池放電承當(dāng)起負(fù)載，其大電流放電能力非常適合此應(yīng)用。除了鐵鋰電池等會集成到IT機(jī)柜內(nèi)之外，未來燃料電池也可能給IT機(jī)柜供電。據(jù)微軟公開的一份白皮書顯示，微軟正在研究使用基于沼氣的燃料電池來提升設(shè)備能效，同時(shí)，還能到