直流电是破解数据中心效率难题的灵丹妙药吗?

译文
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数据中心里面的配电往往是单相交流电。每一件IT设备里面都有一个主变压器,带多电压输出;更多的机载变压器提供了特定部件所需要的那种电压。不过,比较大的变压器其效率往往高于比较小的变压器,所以这些小型变压器的效率可能只有95%。如果是这种情况,又涉及六个变换步骤,那么就有四分之一以上的电能在整个变换过程中损失掉了。

数据中心里面的绝大多数电气部件用的是低压直流电,比如芯片、电阻和电容等。不过,我们还是在引入高压的三相和单相交流电,这种交流电必须经过降压变压器的变换,直至获得所需的电压。每次变换都势必引起能量损失;连最现代化的变压器其效率一般也只有98%。

考虑通往你数据中心的配电路径,然后是数据中心里面的配电路径。首先,发电站生成的电力必须提高到适合输送的高压。接下来是变电站,电力重新降低到配电电压。这里可能涉及两个这样的步骤,之后电力会输送到数据中心本身,或者是450伏三相电,或者是110伏/220伏/240伏单相电。之后,它需要降压到IT部件可以使用的主12伏、5伏、3.3伏和1.5伏直流电电流。这表明了大约四次变换的直接路径,也就是总体效率在92%左右。

8%的电能完全因变压器而损失了,这还只是变压器在效率达98%的情况下。而实际上,情况比这糟糕得多。

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数据中心里面的配电往往是单相交流电。每一件IT设备里面都有一个主变压器,带多电压输出;更多的机载变压器提供了特定部件所需要的那种电压。不过,比较大的变压器其效率往往高于比较小的变压器,所以这些小型变压器的效率可能只有95%。如果是这种情况,又涉及六个变换步骤,那么就有四分之一以上的电能在整个变换过程中损失掉了。

因此,在尽可能多的地方使用直流电势必是个好做法,因而不需要数据中心设备中的额外变压器。但是想看看这个做法是否果真可行,还得考虑许多问题。

使用直流电之前要清除的障碍

首先,在输电层面,直流电的效率很低。功率是由于物理定律,想沿着电力线传送一定大小的电力(单位瓦),需要电压(单位伏)乘以电流(单位安培)。传输电压高达几百千伏至几千千伏,为的是降低电流。这很重要,因为电阻损耗与电流大小有关。直流电或交流电可以在高压下用于输电,但是直流电是时至今日的主要选择。试图消除输电阶段的变换损耗不可能切实有效。在配电层面基本上一样;将现有的基础设施由交流电改为直流电并非易事,到时仍然需要使用高压直流电,所以还是需要变换。

那些提倡数据中心使用直流电的人提到了电信行业,这个行业的数据中心长期以来靠直流电来运转。不过这么做有其道理。整个行业是围绕供应直流电设备建立起来的,一个旧的电信数据中心里面对于多种直流电电压的需求不是很大。因此,可以使用内置在数据中心结构里面的变压器来实施这种数据中心里面的配电任务,然后粗大的铜母线能够配送高压直流电。另外在上世纪八九十年代,虽然油价变动引起能源价格出现了一定的不确定性,但是主要的发电产能仍来自成本相对便宜、资源相对充足的煤炭。当时能源效率不像现在这样备受关注。

由直流电供电的数据中心面临的主要问题是,相应设备在市面上并不多见。虽然部件是直流电,但是厂商们不得不关注大众市场,制造使用直流电作为主输入的设备。虽然一些厂商生产直流电版本的设备,但是它们的价格要高出一截。

由于为数据中心配备使用直流电的变压器、直流电配电系统和管理系统需要额外成本,使用性能与交流电版本一样,但是选择价格更高的服务器、存储和网络系统根本不明智。最好还是随大流,使用成本较低的、标准化的、基于交流电的系统。

让使用直流电的数据中心成为可能

不过,对使用直流电的数据中心来说,有两大希望。一个是模块化。随着思科的统一计算系统(UCS)、戴尔的vStart和IBM的PureSystems及其他系统纷纷面市,这些预先配置的“模块”可以在内部按照厂商希望的任何方式来进行连线。厂商剔除不需要的部件是明智之举,可以在设计和制造阶段消除多个转换阶段。

正如冷却系统正从数据中心转移到模块——就像机架内冷却系统那样,电力管理这部分也很可能从数据中心转移到模块,而数据中心内配电基于将单相交流电线缆铺设到所需的地方。

第二个希望是越来越普遍的云计算。有些云服务提供商拥有成千上万台的服务器、大规模向外扩展型存储基础设施和复杂的网络结构,对它们来说,一开始就使用直流电也许会有个切实可行的回报期。

改用直流电基础设施的战略性决策可能到头来成本高昂,而且迫使企业组织依赖某些类型的硬件。不过,厂商们会通过在自己的系统里面优化直流电的使用,往提高能源效率的方向迈进。

责任编辑:路途 来源: 51CTO
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