数据中心的未来:低成本、更清洁、更高效

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数据中心将继续在信息的摄取、计算、存储和管理中发挥至关重要的作用,预计到2025年将有超过175个泽字节的数据。CB Insights发布一份未来数据中心的报告,探讨了数据中心的位置、能源、结构等方面,这些调整都是为了以更低成本、更清洁、更高效地储存更多的信息。

数据中心通常不会出现在公众的视线范围内,但是它是互联网的支柱。他们每天存储、交流和传输生产的信息,创建的数据越多,数据中心就越重要。

但是今天的许多数据中心效率都不高,结构过时。为了保持运行,从大型科技公司到托管服务提供商的数据中心运营商正在努力升级,以适应不断变化的世界。

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地点

接入光纤网络、能源价格以及周围环境都会影响数据中心建设。

据估计,到2025年,全球数据中心建设市场的价值可能高达57亿美元。商业房地产巨头CBRE已经推出了一个专门针对数据中心的部门,这是一个巨大的挑战。

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廉价电力资源附近

将耗能的数据中心建设在廉价电源旁边可以让运营更便宜,同时也是一个更清洁的选择。随着排放量的增加,大型科技公司越来越多地使用不环保的能源为数据中心供电,清洁源是一个重要的考虑因素。

苹果和Facebook都在水电资源附近建立了数据中心。在俄勒冈州中部,苹果公司购买了一个水电项目,为其Prineville数据中心提供清洁电力。

苹果公司指出俄勒冈州放松管制的电力市场是其在该地区建立多个数据中心的主要原因。放松管制让苹果可以直接从第三方可再生供应商处购买电力,而不是必须向当地公用事业公司购买电力。

Facebook在瑞典的吕勒奥水力发电厂旁,建立了一个大型数据中心。瑞典等北欧地区已开始出现数据中心,因为这里气候凉爽,地理位置稳定且不易发生地震,水电和风能等可再生资源丰富。

几个大数据中心已经进入或正在关注北欧地区。

2018年12月,亚马逊网络服务公司宣布启动其AWS欧洲区域数据中心,距离斯德哥尔摩约一小时车程。同月,微软在瑞典的两个邻近地区Gävle和Sandviken收购了130公顷土地,目的是开发数据中心。

2017年10月,谷歌在瑞典农村购买了109公顷的土地,宣布该土地可能用来建数据中心。

除了靠近便宜、清洁的能源,建立数据中心的公司也可能寻找更凉爽的气候。北极圈附近的地方,如瑞典北部,可以让数据中心节省冷却设备所需的资源。

电信公司Altice Portugal报告说,其Covilhã数据中心99%都使用外部空气冷却服务器。位于芬兰哈米纳的旧谷歌数据中心使用芬兰湾的海水来冷却设施并减少能源消耗。

数据中心公司Verne Global在冰岛开设了一个园区,利用当地的地热和水力资源。它位于前北约基地,在世界上最大的两个数据市场欧洲和北美之间。

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新兴市场

将数据中心建在新兴互联网流量的热点市场中可以缓解网络阻塞,并加快对区域的服务。

例如,2018年,腾讯在孟买设立了数据中心,此举也表明该地区的互联网使用率正在蓬勃发展,腾讯的游戏平台越来越受欢迎。

在互联网用户蓬勃发展的地区建立数据中心也可能是一项战略性业务举措。如果本地企业在增长,他们可能会考虑将业务转移到附近的数据中心。

税收激励和地方法律

数据中心是电力生产商的重要新收入来源,政府正在提供吸引数据中心发展的激励措施。

从2017年1月开始,瑞典政府对数据中心使用的电力减税97%。瑞典的电力相对昂贵,减税可以让瑞典跟其他北欧国家竞争。

2018年12月,谷歌在俄亥俄州新奥尔巴尼市就一家价值6亿美元的数据中心达成了销售税减免100%协议,为期15年,而且这种豁免还有可能在2058年续订。

而在2018年9月,法国脱欧后希望吸引经济人才和全球资本,宣布计划削减数据中心的电力消费税。

在某些情况下,建立数据中心是公司继续在严格监管的国家运营的一种方式。

2018年2月,苹果开始在贵州的数据中心存储数据,来符合当地法律。当地数据中心可以让机构更轻松、更快捷地访问存储在苹果云端的中国公民信息。

连接光纤和安全

选择数据中心位置时,两个更重要的考虑因素是连接光纤网络和严格的安全性。

多年来,光纤网络一直是选择数据中心建设地点的关键因素。虽然数据通常通过无线网络或本地Wi-Fi传送到移动设备,但这通常只是连接过程的最后一部分。

大多数时候,数据通过光纤电缆传输到数据存储设备,以及从数据存储设备传输,光纤成为互联网的神经系统。光纤将数据中心连接到蜂窝天线、家用路由器和其他数据存储设施。

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阿什伯恩、弗吉尼亚及其周边地区已成为数据中心的大型市场,这主要归功于该地区庞大的光纤基础设施网络,该网络是由互联网公司AOL在总部建立时实施。

当Equinix等其他公司迁入该地区并建立自己的数据中心时,该地区的光纤网络继续增长,并吸引更多新的数据中心。

Facebook已经向弗吉尼亚州Henrico的数据中心投入了近20亿美元,而在2019年1月微软获准拨款150万美元,第六次扩展南弗吉尼亚州数据中心。

随着对光纤电缆的依赖增加,无论在发达市场和新兴市场,到2019年基础设施的资本支出预计将达到近1500亿美元。

但随着大型技术建立自己的连接基础设施,光纤网络的新替代品也开始出现。

2016年5月,Facebook和微软宣布他们合作在弗吉尼亚州的弗吉尼亚海滩和西班牙的毕尔巴鄂之间建造一条水下电缆。

2017年,Facebook宣布进一步计划在新墨西哥州Las Lunas建立自己的光纤网络,全长200英里,将其计划中的新墨西哥数据中心连接到其他服务器。地下光纤系统将为前往Las Lunas的信息创建三条独特的网络路径。

除连接外,安全性是另一个重要的考虑因素。这对于存储敏感信息的数据中心尤为重要。

例如,挪威金融巨头DNB与Green Mountain数据中心合作建立数据中心。Green Mountain将DNB的数据中心置于高度安全的设施中,一座山内改建的沙坑。Green Mountain声称,这个数据中心完全无法穿透,可“抵御各种危险,包括入侵、恐怖袭击、火山、风暴、地震和犯罪。”

“瑞士堡诺克斯”数据中心位于瑞士阿尔卑斯山下,门伪装成岩石。数据中心采用应急柴油发动机和气压系统进行保护,可防止任何有毒气体进入房屋。

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由于某些数据中心的服务器具有高安全性,因此有许多数据中心的位置从未公布过。对于这些中心,位置信息可以作为武器使用。

2018年10月,维基解密(WikiLeaks)公布了AWS设施的内部清单。在披露的信息中,亚马逊是为美国国防部建立价值近10亿美元私有云的竞争者。

数据中心结构

虽然位置可以说是减轻数据中心中断风险的最佳方式,但数据中心的结构在确保可靠性和使用寿命方面也发挥着重要作用。

数据中心的建设可以抵抗地震活动、洪水和其他类型的自然灾害。此外,某些设计可以适应扩展、降低能源成本或允许新类型用途。

跨行业公司(从医疗保健到金融再到制造业)依靠数据中心来支持不断增长的数据创建和消费。在某些情况下,这些数据中心可能是专有并且属于内部的,而其他数据中心可能是远程共享和定位。

无论哪种方式,数据中心都是世界不断增长的技术焦点核心,继续会出现物理转型。根据CB Insights市场规模调整工具,到2020年全球数据中心服务市场估计将达到2280亿美元。

数据中心构建中最近的一个转变是规模。一些数据中心变得更小、分布更广(被称为边缘数据中心)。与此同时,其他数据中心也变得比以往更大、更集中(大型数据中心)。

边缘数据中心

边缘数据中心是小型分布式数据中心,以在网络边缘提供超本地存储和处理能力。

虽然云计算是传统上将许多设备连接到互联网的可靠又具成本效益的手段,但物联网和移动计算的不断增长给网络带宽带来了压力。

边缘计算技术正在兴起,提供替代解决方案。

这涉及将计算资源放置在更靠近数据源的地方(即电机、泵、发电机或其他传感器)或“边缘”。这样做减少了在集中计算位置(如云)之间来回传输数据的需要。

虽然仍处于初期阶段,但该技术已经为自动驾驶汽车等众多用例提供了更有效的数据处理方法。例如,特斯拉汽车拥有强大的车载计算机,可以对车辆的数十个外围传感器收集的数据进行低延迟数据处理(近乎实时)。这为车辆提供了及时、自动驾驶决策的能力。

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然而,其他边缘技术,例如无线医疗设备和传感器,缺乏直接处理大量复杂数据流所需的计算能力。

因此,正在部署较小的模块化数据中心,以提供边缘的超本地存储和处理能力。根据CB Insights市场规模调整工具,到2023年,全球边缘计算市场估计将达到340亿美元。

这些数据中心通常是集装箱的大小,放置在手机信号塔的底部或尽可能接近数据的起源。

除运输和医疗保健外,这些模块化边缘数据中心还被用于制造业、农业、能源和公用事业等行业。他们还帮助移动网络运营商(MNO)更快地向移动用户提供内容,而许多科技公司利用这些系统将内容存储(或缓存)更接近最终用户。

Vapor IO是一家在小区塔底部设置小型数据中心而在边缘提供托管服务的公司。该公司与美国最大的无线基础设施供应商Crown Castle建立了战略合作伙伴关系。

创业公司并不是唯一参与边缘数据中心市场的公司。

像施耐德电气这样的大公司不仅与初创公司合作,而且还开发自己的边缘数据中心产品。施耐德提供多种不同的预制模块化数据中心,非常适合需要超本地计算和存储容量的各种行业。

华为提供类似的预制一体化模块化单元,可以部署在各种不同的环境中,适用于各种用例。

这些类型的解决方案将电源、冷却、消防、照明和管理系统集成到一个机箱中。它们专为快速部署,可靠运行和远程监控而设计。

MEGA数据中心

另一个方向是大型数据中心,这类数据中心至少有1百万平方英尺的空间。这些设施很大,可以同时满足成千上万个组织的需求,还可以享受规模经济。

虽然这些大型数据中心的构建成本很高,但每平方英尺的成本远远好过普通数据中心。

其中一个最大的项目是Switch Communications建造的1740万平方英尺的设施,位于为其服务器提供储存、冷却、电力、带宽和物理安全性。

Big Tech还积极在美国建立大型数据中心,Facebook、微软和苹果都在建设大型设施,以支持其不断增长的数据存储需求。

例如,Facebook正在德克萨斯州沃思堡建立一个250万平方英尺的数据中心,以处理和存储其个人用户信息。最初,数据中心预计只有75万平方英尺,但随后公司决定将其规模扩大三倍。

新数据中心的成本约为10亿美元,占地150英亩,为未来的扩张提供机会。2017年5月,44万平方英尺的服务器空间投入使用。

微软最近的一项投资是爱荷华州西得梅因的数据中心集群,总共花费了35亿美元。这些集群或数据中心总共拥有320万平方英尺的空间,最大的数据中心占170万平方英尺。特定数据中心Project Osmium占地200英亩,预计到2022年完工。

近年来,爱荷华州成为数据中心的热门地点,因为它的能源成本较低,自然灾害风险较低。

苹果公司还在爱荷华州建设了一个设施,虽然规模较小,面积为40万平方英尺,建设成本为13亿美元。

虽然苹果的一些设施是从头开始构建,管理其所有内容包括应用程序商店、音乐流媒体服务、iCloud存储、用户数据,其他结构已被重新用来存放服务器。

例如,苹果公司在亚利桑那州梅萨市改造了一个130万平方英尺的太阳能电池板供能设施,在2018年8月开始运营,由于附近的太阳能电厂,新的数据中心是100%用清洁能源运行。

吸引大型数据中心的特定地区还有北欧,由于凉爽的温度和不断增加的减税政策,它一直是科技巨头的热门地点。

内蒙古的呼和浩特市也为大型数据中心提供了良好的地理位置,可以获得廉价当地能源、凉爽的气温和附近内蒙古大学的人才。

虽然大型数据中心已成为中国的发展焦点,但内蒙古地区已成为数据中心发展重点。中国电信、中国移动和中国联通都在该地区建立了大型数据中心。

数据中心创新

除了比以往更大或者更小的数据中心之外,从周围环境中创新的新型数据中心结构也是另一个新兴趋势。

如今,许多组织正在试验在海洋运行数据中心,利用环境及资源,低成本自然冷却服务器。

使用海洋进行自然冷却的最先进例子之一是微软的Project Natick。就像2014年Submerged Datacenter专利申请中所示,微软在苏格兰海岸的一个小型圆柱形数据中心是被海水淹没的。

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该数据中心100%使用岸上风能和太阳能,以及海上潮汐和波浪源当地产生的可再生电力。它利用海洋来消散基础设施的热量。

虽然仍处于早期阶段,但微软已经在这个项目上取得了重大进展,并且可能开启了未来广泛应用的海洋数据中心。

此外,谷歌也在试验类似的海上数据中心项目。

能源效率

目前,全球3%的电力消耗来自数据中心,而这一数字只会增长。这种电力来源不一定清洁:根据联合国的说法,信息和通信技术(ICT)部门在很大程度上由数据中心提供,它们带来的温室气体排放量跟航空部门相同。

虽然信息通信技术已关闭旧的低效数据中心,控制电力消费增长,但这种策略只能在互联网消费和数据生产增加的情况下实现。

展望未来,数据中心有两种减少排放的关键方法:数据中心内的能源使用更加高效,并确保所使用的能源是清洁的。

降低消耗和提高能源效率

2016年,DeepMind和谷歌合作开发了一个人工智能推荐系统,该系统有助于提高谷歌数据中心的能效。重点是小改进:即使很小的变化也可以帮助节省大量能源并减少排放。但是,一旦设施到位,实施需要大量操作员。

而根据谷歌的说法,还没有人工智能系统能够完全控制数据中心的制冷和加热过程。

谷歌目前的人工智能控制系统适用于特定的行动,但只能在优先考虑安全性和可靠性的限制条件下实施。据该公司称,新系统平均节能30%。

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提高效率的另一种方法是改变数据中心过热部分(如服务器或某些类型的芯片)的冷却方式。

谷歌首席执行官桑达皮采表示,该公司新发布的芯片非常强大,公司必须把它放在液体内才能更好地冷却。

一些数据中心正在尝试在水下建立数据中心,让冷却更容易、更节能。数据中心可以随时利用自然凉爽的深海水,热量从设备传递到周围的海洋。

由于数据中心可以设置在任何海岸附近,因此它可以选择连接到清洁能源,就像微软40英尺长的Project Natick,由奥克尼群岛电网的风力驱动。

较小的水下数据中心增加,其中原因是它们可以模块化,使得它们比陆地上的新中心更容易部署。

然而,尽管有这些优势,一些专家警告不要在水下设置数据中心。由于冷却过程会把热量释放到周围区域,因此这些数据中心会让海水变暖,影响当地的海洋生物。

虽然像Natick这样的水下数据中心的设计是在没有人工监督的情况下运行,但如果出现问题,就会很难修复。

未来,数据中心还可能通过回收它们所生产的一些电力来提高清洁能源和效率。一些项目已经在探索热再利用的可能性。北欧数据中心公司DigiPlex与供热和制冷供应商Stockholm Exergi合作创建了一个热回用系统。该解决方案将收集数据中心的多余热量并将其发送到当地的区域供热系统,可能为10,000个斯德哥尔摩家庭供热。

购买清洁能源

据IEA称,ICT行业在清洁能源方面取得了一些进展,目前达成近一半购买可再生电力的企业协议。

截至2016年,谷歌是全球最大的企业可再生能源购买公司。

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2018年12月,Facebook从一家成员所有的太阳能合作社购买了200兆瓦的能源。在土地面积有限的新加坡,谷歌宣布计划购买价值60兆瓦的屋顶太阳能。

虽然像谷歌和Facebook等大公司有资源购买大量可再生能源,但对于可能不需要大量能源的小公司来说,这可能很难。

另一种更贵的能源选择是微电网:在数据中心内安装独立的能源。

一个例子是燃料电池,就像Bloom Energy公司最近公开出售的燃料电池。电池使用氢气作为燃料来发电,虽然这些替代能源通常被用作备用能源,但数据中心可以完全依赖这些微电网来生存,尽管这将更贵。

未来,技术将使小生产者和购买者更容易紧密合作。市场模型和可再生能源组合(如由共同基金创建的组合)正在出现,这些组合可以评估和量化可再生能源的波动。

存储

固态驱动器

固态硬盘(SSD)是一种大容量存储设备,支持数据的读写。这些设备可以在没有电源的情况下存储数据 –即持久存储。这不同于临时形式的数据存储,例如随机存取存储器(RAM),其仅在设备运行时保留信息。

SSD已经成为另一种大容量存储设备硬盘驱动器(HDD)的竞争对手。SSD和HDD之间的主要区别在于SSD无需移动部件即可运行。这使得SSD具有更高的响应性、更耐用、更轻便等优点。

然而,SSD仍然比传统硬盘驱动器更贵,在SSD制造过程没有突破的情况下这一趋势很可能持续。

虽然SSD已经成为笔记本电脑、智能手机和其他具有纤薄外形的设备的标准配置,但由于价格较高,SSD在大型数据中心中的实用性较低,因此不太常见。

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根据IDC的数据,到2025年底,超过80%的企业数据存储容量将作为硬盘驱动器保留。但是,到2025年,SSD可能成为企业及其数据中心的首选存储硬件。

随着SSD在消费电子产品和物联网设备中的普及,更大的需求可能会带来更多的供应,最终降低成本。

冷储存

与较新的SSD相比,冷存储利用许多旧技术(如CD-R和磁带)和尽可能少的能量来存储数据。

使用冷存储,访问数据所需的时间比使用热存储(例如SSD)要长得多。只有不经常使用的数据才应存储在这些类型的系统中。

也就是说,世界上最大的科技公司 - 如Facebook、谷歌和亚马逊 - 都使用冷存储来存储最细粒度的用户数据点。亚马逊、微软和谷歌等云服务提供商也向希望以低成本存储数据的客户提供这些服务。

根据CB Insights市场规模调整工具,到2025年,冷储存市场预计将达到近2130亿美元。

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因此,在可预见的未来,存储信息的最佳方式要满足尽可能低成本这一条件。通过冷储存,企业可以做到这一点。当用户生成更多数据并且组织收集数据时,这种趋势将会继续。

其他数据存储形式

除了SSD、HDD、CD和磁带之外,还有许多新兴的存储技术可以保证每个单元的存储容量更大。

一种已经看到显着前景的技术是热辅助磁记录或HAMR。HAMR通过在写入期间用高精度激光加热磁盘表面,极大地增加了可以存储在诸如HDD之类的设备上的数据量。这允许更准确和稳定的数据写入,增加了存储容量。

预计到2020年,该技术可以在一个3.5英寸驱动器上允许20TB的HDD存储,并且此后每年将增加30%-40%的容量。希捷已经在2018年12月宣布推出一款16TB的3.5英寸硬盘。

在过去十年中,希捷一直积极为HAMR技术申请专利。2017年,该公司申请了与该技术相关的创纪录数量的专利。

值得注意的是,与目前提供的标准HDD相比,该技术的成本是合理的。这是因为大部分技术保持不变 - 主要创新在于用于加热磁盘表面的激光器。

西部数据等存储公司正在开发类似的技术。然而,西部数据使用微波辅助磁记录(MAMR),它使用微波而不是激光。 

展望未来,由于采用了热辅助记录技术,我们预计HDD的存储容量将大幅增加。

此外,还有许多其他新兴数据存储概念显示出前景。一种是液态存储,它将数据存储在称为二氧化钒的液体中。根据估计,近1TB的数据可以存储在一汤匙液体中。

结论

未来的数据中心,不管是怎样的结构或者形式,规模大小,都是为了一个目标:以更低的成本、使用更清洁能源来提高效率,储存更多信息。

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