數(shù)據(jù)中心建設和消納在不斷創(chuàng)歷史新高的同時，也正在遭受不少的抨擊，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)生有形的產(chǎn)品——如汽車、房屋和鋼鐵。但其實我們的生產(chǎn)生活中，無論是視頻流、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)中心的輸出。
數(shù)字化世界需要相當數(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、以及對電力供應所帶來的挑戰(zhàn)也成為當下備受關注的議題。
施耐德電氣作為數(shù)據(jù)中心、行業(yè)關鍵應用領域基礎設施建設和數(shù)字化服務的全球領導者，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年的新興趨勢的具體預測
趨勢一
數(shù)據(jù)中心將開始關注來自
供應鏈的碳足跡
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(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。這時，來自建設和運營階段供應鏈(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商數(shù)據(jù)、缺乏量化工具以及缺少核算的方法。未來，關于范圍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相關的白皮書和權衡工具——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)品相關的范圍3的排放數(shù)據(jù)，從而進一步推動整個行業(yè)減排進程。范圍3減排方面的最佳實踐包括延長服務器的生命周期、采購高效的綠色低碳產(chǎn)品、全面提升從IT到物理基礎設施的利用率等。
趨勢二
數(shù)據(jù)中心的演進將加速替代
備電技術的采用
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行綜合權衡，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，風光儲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)響應提供了更多降低能源成本和碳排的機會。傳統(tǒng)的依靠柴發(fā)和UPS為關鍵負載提供高品質(zhì)電能的配電架構正在演進為由儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)。
施耐德電氣最新的研究發(fā)現(xiàn)，以上三個數(shù)據(jù)中心的演進將使鋰電池儲能技術或氫燃料電池技術更具競爭優(yōu)勢，從而促進其作為柴發(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)服務以及配電架構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)絡邊緣興起
為支持數(shù)據(jù)密集型和超低時延應用，如高清流媒體、自動駕駛汽車、自動開采和工業(yè)4.0，我們必須將計算和存儲資源置于網(wǎng)絡邊緣，從而確保這些資源更靠近數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)消費者，進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)中心到邊緣設備的時延。此外，也需要在網(wǎng)絡邊緣數(shù)據(jù)中心和邊緣設備之間采用更快的網(wǎng)絡通信，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路線不斷演進，比如傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡云化，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(如網(wǎng)絡功能虛擬化);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、管理以及維護均提出了獨特的挑戰(zhàn)。MEC設計在滿足韌性和性能的目標外，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
隨著強制性能效標準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)中心能效評價標準、技術準則和分析方法將對數(shù)據(jù)中心的建設、運行和維護起到積極的指導作用。
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要求，并進行實時的在線監(jiān)測。監(jiān)測應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)中心的信息設備、冷卻系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和其他輔助設施耗電量進行計量。
此外，更多可再生能源采用對電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響也會導致數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)故障頻發(fā)。對于托管型服務提供商來說，如何進行責任界定與故障根源分析變得尤為關鍵，這時就需要采用高精度的儀器儀表對電能質(zhì)量進行實時的在線監(jiān)控與分析。
施耐德電氣認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)量進行監(jiān)測與分析，實現(xiàn)預測性維護，同時也是進行責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)定性的影響引關注
隨著更多分布式清潔能源(比如：風能、太陽能等)的應用，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(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。
“源網(wǎng)荷儲”一體化能源系統(tǒng)管理的微網(wǎng)技術將成為保障供電可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)定性的關鍵。數(shù)據(jù)中心需要在設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)的設計與管理，以確保電能質(zhì)量符合要求。微網(wǎng)配電架構需要同時支持并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運行模式，對負荷和儲能進行控制，可以自適應調(diào)整繼電保護定值，同時實現(xiàn)新能源發(fā)電的預測和運維。
施耐德電氣認為需要借助數(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、過流保護的選擇性和配網(wǎng)過電壓等方面進行模擬計算，從而確保設計的合理性，進而實現(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)中心設計方案
將受到青睞
為了實現(xiàn)對關鍵負載的支持，數(shù)據(jù)中心通常采用2N冗余設計，并預留較大的安全裕量。這導致了物理基礎設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負載，同時提高供配電系統(tǒng)的能效。
但新的架構對運維人員的更高要求一直阻礙這一進展。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)新的設計方案來釋放擱淺的物理基礎設施容量，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)新設計方案，采用UPS的扛峰功能(通過市電和電池進行聯(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)每瓦IT投資成本16%的降低。該參考設計可以為數(shù)據(jù)中心運營商解決市電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
更關注設備的安全可靠
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)進行設備選擇的主要參考依據(jù)，在過去這些年推動行業(yè)不斷取得進步。但隨著這些設備參數(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)換開關以及柴發(fā)故障是導致電力系統(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，設備的安全可靠將被提到一個新的高度。設備的安全性與可靠性很難像能效那樣進行量化，而主要依賴設備廠家在設計階段對設備進行充分的失效模式影響分析(FMEA)實驗，以及在生產(chǎn)制造階段嚴格把控產(chǎn)品品質(zhì)。
同時，采用更多的數(shù)字化技術、模塊化設計理念以及在線插拔技術來提高設備的可靠性與可維護性，還可以實現(xiàn)“邊成長邊部署”，從而降低設備的初期投資。
施耐德電氣認為行業(yè)在創(chuàng)新的同時，要始終堅持產(chǎn)品安全可靠方面高標準與高要求。數(shù)據(jù)中心運營商在設備選型時，最好選擇由第三方獨立的權威認證機構(諸如UL、TÜV、泰爾)認證過的設備。以確保設備的可靠運行，同時在使用和維護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)中心從設計、建造到運行維護都需要數(shù)字化軟件的加持。
在設計階段
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)可以幫助建設方選擇低碳環(huán)保的建筑材料和低碳設備。
在運行維護階段
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
預制模塊化解決方案
將進一步在全球推進
隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型與升級的快速推進，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)巨頭與托管服務提供商的核心競爭力之一。
數(shù)據(jù)中心預制模塊化解決方案經(jīng)過預先定制化與標準化設計，并在工廠環(huán)境中進行預組裝、集成和測試，以縮短部署周期，提高性能、質(zhì)量與成本的可預測性。預制模塊化實現(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。尤其是最近幾年的供應鏈短缺，預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?shù)毓湺倘彼鶐淼奶魬?zhàn)。
施耐德電氣認為行業(yè)在享受預制化所帶來諸多好處的同時，需要特別關注系統(tǒng)設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。因此在設計過程中，需要嚴格校驗系統(tǒng)短路故障水平、開關/柜體的分斷/耐受水平，以及上下游開關/其它保護元件的選擇性配合，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)自己的可再生能源，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，電池儲能正變得越來越具有吸引力。如果風能、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堆(SMRs)也已經(jīng)開始獲得監(jiān)管部門的設計批準，但仍需要經(jīng)過嚴格的測試。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。
施耐德電氣認為數(shù)據(jù)中心可持續(xù)發(fā)展計劃的最終目標是再生數(shù)據(jù)中心的一個重要起點，但這還遠遠不夠。我們最終的目標不應該只是控制碳排放，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、水資源獨立和采用100%循環(huán)材料來消除廢棄物的產(chǎn)生。
進入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。
以上對新興趨勢的預測來自施耐德電氣數(shù)據(jù)中心全球科研中心，該部門設立于上個世紀九十年代?？蒲兄行氖冀K以“探索數(shù)據(jù)中心行業(yè)的技術和發(fā)展趨勢，倡導最佳實踐”為團隊使命，通過發(fā)表通俗易懂的白皮書和權衡工具來幫助數(shù)據(jù)中心用戶提高可用性和優(yōu)化能效，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)發(fā)展，最大化數(shù)據(jù)中心的商業(yè)價值。
截至2022年，施耐德電氣科研中心團隊已經(jīng)發(fā)表白皮書220余篇，每年有超過40萬的下載量;權衡工具28個，每年有超過2萬用戶在線使用。所有白皮書和權衡工具都免費提供給整個行業(yè)學習和使用，在推動數(shù)據(jù)中心行業(yè)的發(fā)展的同時也印證了施耐德電氣在數(shù)據(jù)中心行業(yè)思想領袖的地位。
評論