數(shù)據(jù)中心行業(yè)發(fā)展的十大趨勢

摘 要數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運營耗用在不斷創(chuàng)歷史新高的同時，也正在遭受不少抨擊，因為它們消耗大量的電力和水、排放溫室氣體、產(chǎn)生垃圾填埋場的垃圾，卻不產(chǎn)生如汽車、房屋和鋼鐵有形的產(chǎn)品。其實我們的生產(chǎn)生活中，無論是視頻媒體、在線購物、在線社交、沉浸式視頻會議，還是工業(yè)過程和生產(chǎn)控制等等，都離開不數(shù)據(jù)中心的支撐。數(shù)字化世界需要相當(dāng)數(shù)量的處理和存儲能力，這是數(shù)據(jù)中心呈指數(shù)級增長的動因。而如何提高數(shù)據(jù)中心的能效、減少對環(huán)境的影響、以及對電力供應(yīng)所帶來的挑戰(zhàn)也成為當(dāng)下備受關(guān)注的議題。作為數(shù)據(jù)中心、行業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和數(shù)字化服務(wù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者施耐德電氣。

每年年初都會基于深刻的行業(yè)洞察和實踐發(fā)布《看得見的未來—數(shù)據(jù)中心市場的新趨勢與新突破》以揭示新一年數(shù)據(jù)中心行業(yè)會發(fā)生哪些變化，有哪些趨勢會影響數(shù)據(jù)中心行業(yè)未來的發(fā)展方向（這些趨勢的落地在未來有可能需要持續(xù)數(shù)年）以及這些變化和趨勢對數(shù)據(jù)中心運營商的價值和意義。以下是施耐德電氣數(shù)據(jù)中心全球科研中心對2023年的新興趨勢的預(yù)測。

趨勢一：數(shù)據(jù)中心將開始關(guān)注來自供應(yīng)鏈的碳足跡

隨著越來越多的數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)向采用可再生能源，與能源消耗相關(guān)（范圍2）的碳排放占整個數(shù)據(jù)中心碳足跡的比重變得越來越小。這種情況下，來自建設(shè)和運營階段供應(yīng)鏈（范圍3）的碳排放將成為數(shù)據(jù)中心碳排放的最大來源。然而，數(shù)據(jù)中心行業(yè)對于范圍3的了解與核算非常有限，這主要是由于缺乏可靠的供應(yīng)商數(shù)據(jù)、缺乏量化工具以及缺少核算的方法。未來，關(guān)于范圍3的量化評估將成為數(shù)據(jù)中心行業(yè)面臨的最重要的問題之一。施耐德電氣此前已經(jīng)發(fā)表了與范圍3相關(guān)的白皮書和權(quán)衡工具——數(shù)據(jù)中心全生命周期碳足跡計算器，通過提供有關(guān)范圍3的核算方法及量化工具，幫助數(shù)據(jù)中心行業(yè)對范圍3排放進(jìn)行“洞察”，來優(yōu)化決策早日實現(xiàn)凈零碳排放。施耐德電氣倡議供應(yīng)商必須向數(shù)據(jù)中心運營商提供與數(shù)據(jù)中心使用的產(chǎn)品相關(guān)的范圍3的排放數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步推動整個行業(yè)減排進(jìn)程。范圍3減排方面的最佳實踐包括延長服務(wù)器的生命周期、采購高效的綠色低碳產(chǎn)品、全面提升從IT到物理基礎(chǔ)設(shè)施的利用率等。

趨勢二：數(shù)據(jù)中心的演進(jìn)將加速替代備電技術(shù)的采用

作為長延時的（諸如24小時）備用電源，柴油發(fā)電機以其高可靠性一直都是數(shù)據(jù)中心的首選。然而，隨著環(huán)境問題的出現(xiàn)，越來越多的人希望可以用更加可持續(xù)的方案來替代它們。但是，施耐德電氣研究發(fā)現(xiàn)如果從投資成本、燃料成本、碳排放、可用性等多個維度進(jìn)行綜合權(quán)衡，目前還沒有一個比較理想的替代方案。這些替代方案還需要進(jìn)一步降低投資成本和燃料成本，來實現(xiàn)備用電源的經(jīng)濟性。但同時，隨著電網(wǎng)供電穩(wěn)定性和IT系統(tǒng)彈性的不斷提高，對備用電源時延的要求正在顯著降低（比如大多數(shù)電網(wǎng)的中斷時間小于2個小時）。此外，風(fēng)電光伏等分布式能源的采用為數(shù)據(jù)中心與電網(wǎng)間的動態(tài)響應(yīng)提供了更多降低能源成本和碳減排的機會。傳統(tǒng)的依靠柴發(fā)和UPS為關(guān)鍵負(fù)載提供高品質(zhì)電能的配電架構(gòu)正在演進(jìn)，儲能系統(tǒng)扮演著越來越重要的角色。施耐德電氣最新的研究發(fā)現(xiàn)，以上三個數(shù)據(jù)中心的演進(jìn)將使鋰電池儲能技術(shù)或氫燃料電池技術(shù)更具競爭優(yōu)勢，從而促進(jìn)其作為柴發(fā)替代方案被行業(yè)采用。未來，數(shù)據(jù)中心能源格局將更加多樣化，備用電源方案、電網(wǎng)服務(wù)以及配電架構(gòu)將具有更大的想象與發(fā)展空間。

趨勢三：多接入邊緣計算（MEC）將在網(wǎng)絡(luò)邊緣興起

為支持?jǐn)?shù)據(jù)密集型和超低時延應(yīng)用，如高清流媒體、自動駕駛汽車、自動開采和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，我們必須將計算和存儲資源置于網(wǎng)絡(luò)邊緣，從而確保這些資源更靠近數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)消費端，進(jìn)而消除從集中的核心云數(shù)據(jù)中心或區(qū)域邊緣數(shù)據(jù)中心到邊緣設(shè)備的時延。此外，也需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣數(shù)據(jù)中心和邊緣設(shè)備之間采用更快的網(wǎng)絡(luò)通信，比如5G、Wi-Fi 6。過去，電信行業(yè)和IT行業(yè)一直都沿著各自的技術(shù)路線不斷演進(jìn)，比如傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)云化，分布式云計算數(shù)據(jù)中心用作IT云的擴展。而如今我們看到分布式云和傳統(tǒng)電信數(shù)據(jù)中心的功能正在網(wǎng)絡(luò)邊緣融合為多接入邊緣計算（MEC）數(shù)據(jù)中心。未來，電信基站也可以提供軟件定義的服務(wù)（如網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）；而分布式云也將具有電信控制的功能。施耐德電氣認(rèn)為MEC將賦能數(shù)字化轉(zhuǎn)型（諸如智慧城市、智能制造），但其大規(guī)模部署也對配電、制冷、能效、管理以及維護(hù)均提出了獨特的挑戰(zhàn)。MEC設(shè)計在滿足韌性和性能的目標(biāo)外，運營商也必須將可持續(xù)發(fā)展作為企業(yè)的核心價值，以最大限度地減少能源使用、碳排放和廢棄物的產(chǎn)生。

趨勢四：數(shù)據(jù)中心對電能利用與質(zhì)量的測量將更加全面精準(zhǔn)

隨著強制性能效標(biāo)準(zhǔn)GB40879-2021《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級》的生效與實施，這一全國統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心能效評價標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)準(zhǔn)則和分析方法將對數(shù)據(jù)中心的建設(shè)、運行和維護(hù)起到積極的指導(dǎo)作用。未來，針對新建及改擴建的數(shù)據(jù)中心，電能利用效率（PUE）需要滿足規(guī)范所規(guī)定的三個等級能效指標(biāo)要求，并進(jìn)行實時的在線監(jiān)測。監(jiān)測應(yīng)采用符合精度要求的測量儀器儀表（比如：1級電能計量儀表、0.5級電流互感器、0.5級功率表等）對測算期內(nèi)數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和其他輔助設(shè)施耗電量進(jìn)行計量。此外，更多可再生能源采用對電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)。對于托管型服務(wù)提供商來說，如何進(jìn)行責(zé)任界定與故障根源分析變得尤為關(guān)鍵，這時就需要采用高精度的儀器儀表對電能質(zhì)量進(jìn)行實時的在線監(jiān)控與分析。施耐德電氣認(rèn)為高精度的儀器儀表和電能質(zhì)量管理數(shù)字化工具將受到數(shù)據(jù)中心運營商的青睞，一方面可以滿足監(jiān)管部門對PUE的要求；另一方面可以對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測與分析，實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，同時也是進(jìn)行責(zé)任界定與故障根源洞察的有效工具。

趨勢五：新型電力系統(tǒng)對配電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響引關(guān)注

隨著更多分布式清潔能源（比如：風(fēng)能、太陽能等）的應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心在享受用能成本優(yōu)化和碳足跡降低的同時，也面臨間歇性能源對傳統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。一些數(shù)據(jù)中心由于電壓波動較大或者電能質(zhì)量不過關(guān)（超出UPS控制能力范圍）而出現(xiàn)宕機事故，并造成重大的經(jīng)濟損失?！霸淳W(wǎng)荷儲”一體化能源系統(tǒng)管理的微網(wǎng)技術(shù)將成為保障供電可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心需要在設(shè)計和運維階段分別采用數(shù)字化工具來實現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與管理，以確保電能質(zhì)量符合要求。微網(wǎng)配電架構(gòu)需要同時支持并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運行模式，對負(fù)荷和儲能進(jìn)行控制，可以自適應(yīng)調(diào)整繼電保護(hù)定值，同時實現(xiàn)新能源發(fā)電的預(yù)測和運維。施耐德電氣認(rèn)為需要借助數(shù)字化工具，對電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定性、潮流方向、弧閃、短路分析、過流保護(hù)的選擇性和配網(wǎng)過電壓等方面進(jìn)行模擬計算，從而確保設(shè)計的合理性，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心供電的可靠性、連續(xù)性與穩(wěn)定性。

趨勢六：增容數(shù)據(jù)中心設(shè)計方案將受到青睞

為了實現(xiàn)對關(guān)鍵負(fù)載的支持，數(shù)據(jù)中心通常采用2N冗余設(shè)計，并預(yù)留較大的安全裕量。這導(dǎo)致了物理基礎(chǔ)設(shè)施容量得不到充分利用，形成了大量擱淺的容量，也造成投資成本和市電容量的嚴(yán)重浪費。數(shù)據(jù)中心行業(yè)過去一直在探討如何通過架構(gòu)的優(yōu)化，比如用分布式冗余（DR）或者共享冗余（BR）替代2N冗余來釋放擱淺容量，提升系統(tǒng)的帶載率。也就是說在相同的市電容量下支持更多的IT負(fù)載，同時提高供配電系統(tǒng)的能效。但新的架構(gòu)對運維人員的更高要求一直阻礙這一進(jìn)展。尤其在市電容量申請日益困難的情況下，數(shù)據(jù)中心運營商希望能通過創(chuàng)新的設(shè)計方案來釋放擱淺的物理基礎(chǔ)設(shè)施容量，在相同的市電容量下最大化產(chǎn)出IT容量或機柜數(shù)量，同時還需要確保系統(tǒng)的可用性不受影響。施耐德電氣推出的增容創(chuàng)新設(shè)計方案，采用UPS的扛峰功能（通過市電和電池進(jìn)行聯(lián)合供電），并充分利用閑置的柴油發(fā)電機和蓄冷罐儲冷來保障一次故障下數(shù)據(jù)中心對配電系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)可用性的要求。研究發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)新的增容方案在相同市電容量下，可以實現(xiàn)35% IT容量的增加，同時實現(xiàn)每ITkW投資成本16%的降低。該參考設(shè)計可以為數(shù)據(jù)中心運營商解決市電擴容申請困難和投資浪費等痛點，實現(xiàn)商業(yè)價值最大化。

趨勢七：數(shù)據(jù)中心在持續(xù)創(chuàng)新的同時更關(guān)注設(shè)備的安全可靠

能效與容量等規(guī)格參數(shù)一直作為數(shù)據(jù)中心行業(yè)進(jìn)行設(shè)備選擇的主要參考依據(jù)，在過去這些年推動行業(yè)不斷取得進(jìn)步。但隨著這些設(shè)備參數(shù)提升到較高水平之后，繼續(xù)優(yōu)化為用戶所帶來邊際效益將變得越來越小。同時，UPS、電網(wǎng)與柴發(fā)的轉(zhuǎn)換開關(guān)以及柴發(fā)故障是導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障的主要來源，給數(shù)據(jù)中心運營商帶來的損失是巨大的。因此，設(shè)備的安全可靠將被提到一個新的高度。設(shè)備的安全性與可靠性很難像能效那樣進(jìn)行量化，而主要依賴設(shè)備廠家在設(shè)計階段對設(shè)備進(jìn)行充分的失效模式影響分析（FMEA）實驗，以及在生產(chǎn)制造階段嚴(yán)格把控產(chǎn)品品質(zhì)。同時，采用更多的數(shù)字化技術(shù)、模塊化設(shè)計理念以及在線插拔技術(shù)來提高設(shè)備的可靠性與可維護(hù)性，還可以實現(xiàn)“邊成長邊部署”，從而降低設(shè)備的初期投資。施耐德電氣認(rèn)為行業(yè)在創(chuàng)新的同時，要始終堅持產(chǎn)品安全可靠方面高標(biāo)準(zhǔn)與高要求。數(shù)據(jù)中心運營商在設(shè)備選型時，最好選擇由第三方獨立的權(quán)威認(rèn)證機構(gòu)（諸如UL、TüV、泰爾）認(rèn)證過的設(shè)備。以確保設(shè)備的可靠運行，同時在使用和維護(hù)的過程中不會對運維人員帶來安全隱患。

趨勢八：數(shù)字化工具的應(yīng)用將貫穿數(shù)據(jù)中心全生命周期

過去，數(shù)字化軟件主要被用在數(shù)據(jù)中心的運行維護(hù)階段，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的高效運營。隨著數(shù)據(jù)中心能源供給的多元化，對可持續(xù)發(fā)展和高可用性的訴求，迫使數(shù)據(jù)中心從設(shè)計、建造到運行維護(hù)都需要數(shù)字化軟件的加持。在設(shè)計階段，數(shù)字化工具（諸如BIM、ETAP、CFD）可以優(yōu)化數(shù)據(jù)中心空間設(shè)計，通過模擬來確保電氣和制冷系統(tǒng)的性能。在建造階段，數(shù)字化工具（諸如數(shù)字孿生、MTWO）可以幫助建設(shè)方選擇低碳環(huán)保的建筑材料和低碳設(shè)備。在運行維護(hù)階段，數(shù)字化工具（諸如Resource Advisor、Microgrid Advisor）可視化數(shù)據(jù)中心的能源與資源的使用，可以實現(xiàn)運營的持續(xù)改善，以提高能源效率和可持續(xù)性。施耐德電氣認(rèn)為新一代的數(shù)據(jù)中心管理工具需要實現(xiàn)監(jiān)控、測量、管理、控制、規(guī)劃與模擬等功能，可以實現(xiàn)定制化的解決方案與系統(tǒng)集成，更多地借助AI的仿真調(diào)優(yōu)以及大數(shù)據(jù)智能化分析手段，賦能數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)韌性、安全與可持續(xù)發(fā)展。

趨勢九：預(yù)制模塊化解決方案將進(jìn)一步在全球推進(jìn)

隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型與升級的快速推進(jìn)，我們對算力的需求變得更多與更快。實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的快速部署已成為互聯(lián)網(wǎng)巨頭與數(shù)據(jù)中心運營商的核心競爭力之一。數(shù)據(jù)中心預(yù)制模塊化解決方案經(jīng)過預(yù)先定制化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，并在工廠環(huán)境中進(jìn)行預(yù)組裝、集成和測試，以縮短部署周期，提高性能、質(zhì)量與成本的可預(yù)測性。預(yù)制模塊化實現(xiàn)現(xiàn)場安裝的去工程化，以邊成長邊部署來優(yōu)化投資成本，同時減少建筑過程中廢棄物的產(chǎn)生。尤其是最近幾年突出的供應(yīng)鏈短缺，預(yù)制模塊化還可以解決跨地域/國家長途運輸?shù)葐栴}，從而解決當(dāng)?shù)毓?yīng)鏈短缺所帶來的挑戰(zhàn)。施耐德電氣認(rèn)為行業(yè)在享受預(yù)制化所帶來諸多好處的同時，需要特別關(guān)注系統(tǒng)設(shè)計的可靠性與安全性，尤其對于供配電系統(tǒng)。由于高度集成縮短了中低壓和末端配電之間的路徑和空間，容易造成短路電流升高、散熱不均勻等不利影響。因此在設(shè)計過程中，需要嚴(yán)格校驗系統(tǒng)短路故障水平、開關(guān)/柜體的分?jǐn)?耐受水平，以及上下游開關(guān)/其它保護(hù)元件的選擇性配合，來避免電氣系統(tǒng)故障對整個數(shù)據(jù)中心可用性的影響。

趨勢十：再生設(shè)計理念開始融入更多數(shù)據(jù)中心

再生數(shù)據(jù)中心是一個開創(chuàng)性的概念，它意味著數(shù)據(jù)中心可以實現(xiàn)資源的自給自足。比如在現(xiàn)場生產(chǎn)自用的可再生能源，收集雨水和廢水作為其所消耗的所有水資源，對其建筑材料、供配電和制冷系統(tǒng)的所有硬件實現(xiàn)再循環(huán)。數(shù)據(jù)中心必須在干旱、無風(fēng)和黑天的時候運行，因此需要多種形式的現(xiàn)場可再生能源或大量的現(xiàn)場能源存儲。從價格和性能的角度來看，電化學(xué)儲能正變得越來越具有吸引力。如果風(fēng)能、太陽能或水力發(fā)電的可再生能源容量過剩，這些能源可以儲存在電池中或制成綠氫。燃料電池將是實現(xiàn)綠氫轉(zhuǎn)化為電能的最佳選擇。在工廠建造并運輸?shù)浆F(xiàn)場的小型模塊化核反應(yīng)堆（SMR）也已經(jīng)開始獲得監(jiān)管部門的設(shè)計批準(zhǔn)，但仍需要經(jīng)過嚴(yán)格的測試。它們似乎更適合支持再生數(shù)據(jù)中心，但第一代要到2030年之后才能建成。施耐德電氣認(rèn)為數(shù)據(jù)中心可持續(xù)發(fā)展計劃的最終目標(biāo)是再生數(shù)據(jù)中心的一個重要起點，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我們最終的目標(biāo)不應(yīng)該只是控制碳排放，最小化水資源的使用和廢棄物的產(chǎn)生。而是最終能夠?qū)崿F(xiàn)一個自給自足的數(shù)據(jù)中心，特征是現(xiàn)場可再生發(fā)電、水資源獨立甚至正效益和采用100%循環(huán)材料來消除廢棄物的產(chǎn)生。

進(jìn)入2023年，數(shù)據(jù)中心行業(yè)的重點仍然是可持續(xù)發(fā)展與安全可靠，通過采用數(shù)字化工具、提高能效、實現(xiàn)供應(yīng)鏈脫碳等手段來驅(qū)動可持續(xù)發(fā)展，提高數(shù)據(jù)中心的可用性。數(shù)據(jù)中心供電和制冷系統(tǒng)也將向著可持續(xù)發(fā)展和軟件定義的方向不斷演進(jìn)。（施耐德）