關於“資料中心”的最強入門科普

資料中心，英文縮寫叫IDC，也就是Internet Data Center(網際網路資料中心)。

之所以不太直接稱之為“DC”，主要是為了避免和直流電(Direct Current)混淆。而且，現在的資料中心普遍都接入網際網路，以網際網路業務為主，所以，叫“IDC”也更準確。

從作用上來看，資料中心就是一個超大號的機房，裡面有很多很多的伺服器，專門對資料進行集中管理(儲存、計算、交換)。

根據業界機構統計，2020年全球經資料中心處理的資料流量高達15.3ZB(1ZB≈10億TB)，佔全球總流量的99.35%。也就是說，幾乎所有的網際網路資料，都離不開資料中心的處理，由此可見其重要性。

按現在比較流行的說法，資料中心是像水廠、電廠一樣的重要基礎設施，是數字經濟的動力引擎，也是國家和社會發展的支撐底座。

█ 資料中心的發展階段

我們先來看看資料中心的發展歷史。

上世紀60年代的時候，人類還處於大型機時代。那時，為了存放計算機系統、儲存系統和電力裝置，人們修建了機房，並將其稱為“伺服器農場”(Server farm)。

這個“伺服器農場”，被認為是資料中心的最早原型。

到了90年代，隨著網際網路的誕生和蓬勃發展，很多公司開始推行資訊化。他們建設自己的網站，還搭建了大量的郵件、FTP、OA辦公自動化等伺服器。

有些公司將伺服器放在企業內部的機房。也有些公司，因為伺服器不多，但又不願意放在辦公室(噪音大、容易斷電、安全性低)，於是，就“託管”在運營商機房，租用運營商的場地、電力、網路頻寬，讓對方代為管理和維護。

資料中心的早期階段(第一階段)

於是，資料中心的概念開始逐漸形成。1996年。一家名叫Exodus的美國公司(專門從事機房設施建設和頻寬服務)，最早提出了“IDC”這個叫法。

這就是IDC資料中心發展的早期階段。

1997年，蘋果公司推出了一款名叫“Virtual PC(虛擬PC)”的虛擬機器軟體。後來，VMWare也推出了現在大名鼎鼎的VMWare Workstation，標誌著虛擬機器時代的到來，為資料中心的演進打下了基礎。

隨著時間推移，第一代資料中心的託管服務開始精細化，從完整的伺服器主機託管，延伸出了網站託管，出現了虛擬主機服務。

也就是說，在某一臺伺服器上，透過虛擬主機軟體，虛擬出N個網站主機，出租給N個客戶使用。

除了網站之外，還出現了資料儲存空間租用等多樣化的服務。這就是IDC資料中心的第二個階段。

資料中心的第二階段

再往後，到了21世紀初，亞馬遜、谷歌等公司提出了雲端計算，從而將資料中心帶入了第三個階段(雲端計算階段)，持續至今。

雲端計算階段，是第二階段的升級演進。它透過虛擬化技術、容器技術，徹底實現了資料中心伺服器算力資源的池化。所有的CPU、記憶體、硬碟等資源，都由更為強大的虛擬化軟體管理，然後分配給使用者使用。

從物理硬體出租，進化為虛擬硬體出租，甚至軟體平臺出租、服務出租。IaaS、PaaS、SaaS，就這樣出現在我們面前。

資料中心的第三階段(雲端計算階段)

█ 資料中心的組成結構

接下來，我們再看看資料中心到底由哪些部分組成。

前面小棗君說了，資料中心就是一個大機房。所以，從硬體種類上來說，資料中心和我們以前經常看到的企業內部機房差不多，只不過規格、檔次和管理級別更high level一點。

整體來看，資料中心的硬體分為兩類，分別是主裝置和配套裝置。

主裝置，是真正實現計算和通訊功能的裝置，也就是以伺服器、儲存為代表的IT算力裝置，以及以交換機、路由器、防火牆為代表的通訊裝置。

配套裝置，則是為了保證主裝置正常運轉而存在的底層基礎支撐裝置(也包括一些設施)。

底層基礎支撐裝置設施，又分為多種，主要是供配電系統和散熱製冷系統，另外還有消防系統、監控系統、樓宇管理系統等。

• 主裝置

我們先看看主裝置。

資料中心最基礎的主裝置，當然是伺服器。伺服器其實也就是個高效能運算機，大家應該都見過，裡面和桌上型電腦一樣，是CPU、記憶體、主機板、硬碟、顯示卡(GPU)、電源等。

以前，伺服器基本上都是Intel架構(更早的時候，還有PowerPC、SPARC等)。如今，隨著國家政策變化，國產CPU崛起，佔據越來越多的份額。這些國產CPU採用ARM架構，價效比更高，成本更低。

伺服器，一般都擺放在機架(也叫機櫃)上。

一個常見標準機架，高度尺寸通常是42U。U是一種表示伺服器外部尺寸的單位，是unit的縮略語，1U等於4.445cm。機架寬度的話，有600mm或800mm。

機架的深度有很多種，包括600mm、800mm、900mm、1000mm、1200mm等。通常來說，IT裝置(伺服器)機架的深度更深(1100mm或1200mm)，而通訊裝置的深度會淺一些(600mm)。

機架裡面的IT裝置，除了伺服器之外，還有磁碟陣列這樣的專業儲存裝置。

現在到處都講大資料，我們人類產生的資料量每年都在激增，也就增加了對儲存裝置的數量和效能要求。

大家應該都知道，現在主流的計算機儲存硬碟分為HDD和SSD兩種。HDD就是我們傳統的機械硬碟，而SSD是逐漸開始普及的固態硬碟。

SSD屬於半導體儲存器，儲存速率快，體積小，非常受歡迎。但是，它的價格昂貴。對於資料中心來說，出於價效比考慮，HDD仍然是主流選擇。而SSD，目前主要用於高階客戶、高效能需求業務。

除了IT算力裝置之外，就是交換機、路由器、防火牆等資料通訊裝置了。

說到交換機，就要提到一個名詞——TOR，Top of Rack。

TOR交換機，是資料中心領域的常見名詞。顧名思義，就是機架頂部交換機的意思。這類交換機，是資料中心最底層的網路交換裝置，負責連線本機架內部的伺服器，以及與上層交換機相連。

事實上，機架交換機並沒有說一定要放在機架頂部。它既可以在機架頂部，也可以在機架的中部或底部。之所以通常放在頂部，只是因為這樣最有利於內部佈線。

機架再往上，就是一排機架、N排機架。將這些機架和伺服器連線起來，就需要資料中心組網技術。

現在最流行的資料中心組網架構，就是葉脊網路(Spine-Leaf)。我有文章(連結)專門介紹，這裡就不廢話了。

值得一提的是，現在資料中心為了高頻寬傳輸資料，普遍使用光纖替代網線。所以，光纖、光模組和光通訊裝置(OTN等)，成為資料中心重要的組成部分。

尤其是光模組，高速率光模組(例如400G)價格很昂貴，佔了資料中心很大一塊成本，制約了發展。

現在還有一個比較流行的光通訊名詞，叫做DCI，也就是Data Center Inter-connect(資料中心互聯)。現在流行分散式部署，資料中心之間的資料流量很大，對頻寬要求很高。

所以，運營商和雲服務商就搞DCI，建設資料中心之間專門的光通訊骨幹網，是很大一塊市場。

我們國家搞的那個“東數西算”，就涉及到資料中心的互聯互通，對DCI相關市場有不可忽視的刺激作用。

• 配套裝置

接下來，我們看看資料中心的配套支撐裝置和設施。

先看供配電。

供電是資料中心正常運作的基礎。沒有電，資料中心就是廢鐵。

資料中心的配電裝置，主要作用就是電能的通斷、控制和保護。最主要的配電裝置，就是配電櫃。

資料中心配電櫃分為中壓配電櫃和低壓配電櫃。中壓配電櫃主要是10kV電壓等級，向上接入市電，向下接低壓配電櫃。低壓配電櫃主要是400V電壓等級，對電能進行進一步的轉換、分配、控制、保護和監測。

除了配電櫃之後，為了保證緊急情況下的正常供電，資料中心還會配備大量的UPS(不間斷電源)甚至柴油發電機組。

“UPS+市電”是傳統的供電方案。現在，更流行的是“HVDC+市電”的方案。

HVDC是High Voltage Direct Current，高壓直流輸電。它和UPS之間的區別涉及到較為複雜的強電知識，後續有機會再專門介紹。

總之，“HVDC+市電”的可靠性和安全性更高，供電效率強於“UPS+市電”，是不間斷電源的主流發展趨勢。

我們簡單說說-48V和220V。

有過ICT行業實際從業經驗的同學們都知道，伺服器這樣的IT裝置通常是使用220V交流電，而核心網、無線等通訊裝置則更多使用的是-48V直流電。

市電供電，一般都是交流。資料中心，一般既會提供-48V直流，也會提供220V交流(透過AC-DC轉換和DC-AC逆變轉換)。

事實上，直流現在正成為更多資料中心的選擇(例如谷歌)，因為直流的損耗更小，對電能的利用率更高，符合現在資料中心高算力下的高能耗發展趨勢。

再來看看散熱製冷。

製冷系統是資料中心除了主裝置之外的第二大耗能主體。關於資料中心的耗電資料，我在“東數西算”那篇文章中有詳細介紹，這裡就不多說了。

目前，資料中心製冷主要包括兩種方式，一種是風冷，另一種是液冷。

風冷一般採用風冷空調系統。和我們家用空調一樣，資料中心風冷空調也分為室內機和室外機。相對來說，技術成熟，結構簡單，容易維護。

液冷，是採用液體作為冷媒，進行降溫散熱。

液體的導熱能力是空氣的25倍，相同體積下，液體帶走的熱量是空氣的近3000倍。從噪音角度來看，同等散熱水平下，液冷的噪音比風冷降低20-35分貝。從能耗的角度來看，液冷比風冷節約電量30%-50%。

目前，液冷技術被行業普遍看好，但仍處於探索階段。從總體來看，液冷的市場前景非常廣闊，據稱市場規模超過千億。

關於製冷和散熱，值得一提的是，機櫃池級、排級和機櫃級等近端製冷方式，正在崛起，成為新建資料中心的主流選擇。

傳統的製冷都是房間級，對整個機房進行空調製冷，這種方式製冷路徑太長，效率太低，無法滿足高功耗裝置的散熱需求，能耗也很大。

機櫃池級、排級和機櫃級，是以一個機櫃池、一排機櫃或者單個機櫃為中心，進行散熱設計。

這種方式，氣流路徑明顯縮短，散熱效率很高。

除了配電和散熱製冷之外，資料中心還有一些和管理運維有關的裝置設施，例如動環監控系統、樓宇自動控制系統、消防系統等。

動環監控，就是動力和環境監控，實時監測和管理資料中心執行狀態的。

這些年，在傳統動環監控系統的基礎上，開始演進出了DCIM。

DCIM全名叫做Data Center Infrastructure Management，是知名諮詢公司Garter提出來的。它的管理範圍更為全面，採用工具監控、管理和控制資料中心的所有IT主裝置以及配套基礎設施。

資料中心的消防系統比較有意思。因為機房裡都是電子裝置，所以發生火災的話，肯定不能直接噴水、泡沫或粉塵。

那怎麼辦呢?氣體滅火。

出現火災後，火災和煙霧感測器的警鈴響起，然後，機房區域可以釋放氬氣、氮氣這樣的惰性氣體，剝奪火焰中的氧氣，實現滅火(大約幾十秒就能搞定)。

• 模組化資料中心

資料中心是一個龐大的系統，建設過程非常複雜繁瑣，工期也很長。這些年，為了更快速、更靈活地部署資料中心，廠商推出了模組化資料中心的概念。

說白了，就是將資料中心的結構系統、供配電系統、暖通系統、消防系統、照明系統、綜合佈線等進行整合，變成一個一個的“積木”。然後，將“積木”運送到現場後，進行簡單吊裝、搭建，就可以完成建設和部署。

採用這種方式，大型資料中心的建設週期從18-24個月壓縮成了6個月左右，經濟效益明顯。

█ 結語

好了，以上就是關於資料中心的介紹。

正如我前文所說，資料中心是數字時代重要的資訊化基礎實施，是算力的重要載體，直接決定了國家的數字競爭力。

在“東數西算”戰略的帶動下，國內資料中心將迎來又一波發展熱潮。根據資料統計，2022年我國資料中心業務市場規模將達到3200.5億元，年均複合增長率高達27.0%。2025年，國內資料中心IT投資規模有望達到7070.9億元。

除了數量激增之外，資料中心正在向綠色化、智慧化的方向發展，積極引入AI人工智慧，提升能效，降低運營複雜度。

未來，資料中心是否會出現新的形態變化，讓我們拭目以待吧!