Integrated Optimization and Future Trends of Data Center Architecture

导读

随着5G、AI和IoT等各类信息新技术的发展，对数据中心的需求越来越强烈。传统的数据中心五层架构需要更多的集成优化，以更好满足各类应用的算力需求。未来数据中心的发展方向将不再局限于云数据中心，边缘节点和超算中心将在更多的应用场景下提供更多的计算能力。

一、引言

近年来，随着各类互联网应用的快速发展以及网络带宽的大幅提高，作为信息基础设施的数据中心发展迅速。从2015年开始，我国固定带宽下载速率从5Mbit/s提升到2018年上半年21Mbit/s，全国移动宽带用户通过4G网络的平均下载速率为20.22Mbit/s。全球数据量从2015年的10ZB增长到2018年的约30ZB，带宽和数据量呈线性增长。

20世纪末至21世纪初，固网带宽提升促使门户网站、微博兴起，随后3G、4G推动微信、抖音等短视频APP流行，数据量暴增，导致全国范围内大型和超大型数据中心建设热潮，政府部门开始关注产业发展。

2013年工信部发布《关于数据中心建设布局的指导意见》，2018年发布《全国数据中心应用发展指引（2017）》，北京、上海、浙江、内蒙古、贵州等地相继出台数据中心政策。规模扩大带来能耗挑战，需通过精细化建设降低资源消耗，提高能源效率，实现更高效的计算能力输出。

二、需求分析

（一）5G

5G将提供峰值10Gbit/s以上的带宽、毫秒级时延和超高密度连接，产生海量数据，需要边缘节点就近处理，同时云计算中心进行集中存储和挖掘，提升边缘数据中心的功能和性能需求。

（二）AI

人工智能系统依赖基础设施、信息提供者、信息处理者和系统协调者四类角色，计算能力尤为关键。AI对算力的需求呈指数增长，涉及CPU通用计算和多元化异构计算，对网络延时提出更高要求。

AI还能通过深度学习对数据中心的IT设备、供配电、制冷等运行数据进行预测和调优，降低运营成本、缩短故障维修时间、提升资源利用率。

（三）IoT

预计20年后将有超过1000亿设备连接互联网，产生海量数据，推动自动化和智能决策，同时带来安全管理挑战。

三、架构分析

数据中心五层架构包括L0楼宇防火、L1供配电制冷、L2 IT设备、L3以上运维调度管理。

图1  数据中心五层架构

各层之间相互影响，运维管理系统需要统筹硬件资源，集成优化是提升能效的关键课题。

四、集成优化

集成优化指对五层架构的统一调度，重点在风火水电与IT资源之间的优化。

通过逻辑池化技术将供电、制冷资源统一平台化，形成资源池；将服务器CPU、内存、网络资源虚拟化，形成计算、内存、网络资源池，并建立映射表以支持虚拟机组装和调度。

在虚拟化基础上，根据业务需求将资源池内资源按需组合为虚拟机，满足计算、存储、供配电和制冷需求，避免跨物理服务器带来的额外开销。

（一）基础设施层

统一管理供配电和制冷资源，结合业务逻辑、成本模型和智能异常诊断，实现全局最优配置和能效提升。

（二）硬件资源层

面对多样化需求，硬件需具备可编程能力，白盒交换机、OTII、天蝎3.0等项目提供统一硬件平台和操作系统，促进网络资源集成优化。

（三）软件资源层

开放平台使操作系统与硬件解耦，形成开放生态，便于统一管理和资源调度。

五、发展趋势

（一）云数据中心

到2021年数据中心内部85%流量为东西向流量，云数据中心正向多中心云化发展，SD‑WAN等技术提升跨数据中心网络可靠性和性能。

（二）边缘节点

边缘节点将成为支撑边缘计算的前沿部队，提升业务体验并减轻核心网络压力，同时面临隐私、存储容量等挑战。

（三）超算中心

超算中心提供高性能计算服务，正与传统数据中心融合，液冷等先进技术逐步渗透。

六、结束语

2017年我国IDC行业收入约650.4亿元，年复合增长率32%。数据中心将向规模化、集约化、绿色化发展，五层架构的集成优化对高能效运行至关重要，边缘和超算中心将进一步支撑社会发展。

来源：中国信息通信研究院（ID：CAICT_CHINA）

作者简介

郭亮

中国信息通信研究院云计算与大数据研究所数据中心部副主任，高级工程师。开放数据中心委员会（ODCC）新技术与测试工作组组长。

钱声攀

中国电力科学研究院有限公司信通所分析评估室业务主管，高级工程师，致力于国家电网公司高效能数据中心方向的研究工作。