金融绿色数据中心建设关键要素研究

作者:兰洋科技    浏览量:3631    时间:2023年11月15日    标签: 双碳 绿色数据中心 新基建

摘要:面向绿色节能、“双碳”等政策要求,本文结合数据中心机房基础设施建设的技术架构演进趋势,细化分析了金融业构建绿色高可用数据中心的关键要素及最佳实践,并建设性提议金融机构着力打造高效安全、绿色节能、弹性扩缩、智能便捷的多层级数据中心。

近年来,随着金融科技的快速发展,金融数据中心作为金融科技的基础支撑和数字基座,呈现出新一轮的扩建发展态势。同时,在“双碳”、数字化转型、科技自立自强等政策背景下,数据中心建设需满足许多新的要求,加速推动金融数据中心向着更安全、更绿色、更节能、更高效、更智能、更适应业务发展的新一代架构全面发展。针对这一进程,笔者结合政策要求及行业实践,将其关键要素归纳为统筹规划、容灾安全、绿色节能、智能智慧、弹性快适等五大维度,深入分析了打造新一代数据中心的核心要求。

一、统筹规划

统筹规划主要指根据数据中心发展规划及行业发展优化规划,综合考虑利用各地差异化资源优化数据中心功能,整体上形成安全可靠、绿色节能、敏捷高效的金融信息基础设施格局。基于上述要求,金融数据中心制定的统筹规划应充分结合发展现状,适应技术架构演进,保障信息系统平稳高效运行;服务企业愿景,支撑业务发展;响应国家有关战略决策,利用各地差异化资源优化布局。

根据笔者调研结果,在金融领域,当前国有大行的总行级数据中心普遍以一线城市“两地三中心”架构为主,有部分银行还进一步在绿能丰富、气候适宜的地区规划新建了超大型数据中心,并重点部署了大数据、近实时数据、冷数据等应用。与此同时,各家银行还纷纷在辖内推动分行扁平化管理,将分行应用上收至数据中心,从而整体呈现出多地多中心、灵活弹性的发展态势。

相较而言,各家运营商如电信、移动、联通等均建立了较为相似的四层数据中心布局架构:一是在低成本、绿能丰富地区建设超大型数据中心,主要部署冷数据备份等应用;二是围绕经济热点地区建设集团级数据中心,支撑全国性应用;三是各省级分公司建设满足自身需求的省级数据中心,为省内应用提供托管支撑,并为全国性应用提供镜像、内容分发等补充;四是按业务发展部署相当数量的边缘计算节点。

此外,各大云服务商大多选择将基础设施划分为四个层级:一是中心区域,围绕一线城市核心区域,以大体量服务器集群支撑云计算需求;二是本地区域,围绕数字经济活跃及高潜力地区打造中型集群,支撑本地公有云计算需求;三是边缘与节点,覆盖全球主要热点区域,靠近客户侧打造去中心化的小型云计算平台能力;四是现场计算节点,主要在用户机房或业务现场提供算力支撑。

综合上述情况,笔者建议金融数据中心在统筹规划层面可重点考量多层级、多地多中心、灵活弹性等要素开展数字基础设施布局,以全面支撑数字化转型迈入深化阶段,更好服务社会经济高质量发展。

二、容灾安全

容灾安全作为金融数据中心的运营底线,要求构建横向到边、纵向到底的全方位安全防御体系。其中,纵向主要指加速推进IT软硬件自主创新,解决供应链本身的安全问题;横向则是指按照系统、机房、城市等容灾目标,积极采用多活冗余技术构建高可靠、多层级容灾体系,满足日常生产、同城灾备、异地容灾、极端条件能力保全等需求,从物理层面形成高可用数据中心格局。

对于数据中心物理建设而言,容灾安全主要可分为两个层面:一是建设安全高可用的机房基础设施系统,力求在物理环境层面避免灾难发生;二是建设多地多活的数据中心,并确保每一个数据中心均具备承接生产系统运行的能力,赋能容灾能力。此外,建设安全高可用的机房基础设施系统赋能容灾,还包括建设冗余容错的机房基础设施动力空调环境系统。根据国家标准《数据中心设计规范》(以下简称《规范》)中的要求,数据中心被分为A、B、C三个建设等级,并明确了每个建设等级的机电架构方案。当前,金融数据中心普遍按照最高要求的A级进行建造,基本能满足基础设施容错的所有要求。

然而,在金融科技快速发展的当下,机房基础设施的技术及产品不断迭代升级,部分后续技术架构并未在《规范》中明确。对此,国外UPTIME的TIER等级分级是一个很好的补充。TIER分级不规定具体的技术架构,仅从数理逻辑上将容量冗余与路由容错分为四个等级,如最高的TIERIV等级即能够完全满足“容错”能力要求。尽管TIER分级相对比较抽象,但凭借开放与兼容等特性,更容易适配创新技术架构。目前,金融机构总行级数据中心的建设方案均采用了《规范》明确的A级机房标准,并参照了UPTIME的TIERIV等级进行补充。

三、绿色节能

结合数据中心运营实际,其对绿色节能大致有两方面要求:一是“少用能”,即尽可能采用新技术、新工艺实现更高的能效;二是“用绿能”,即采用绿色可再生能源以及引入能源再生利用系统等综合降低碳排放

1.关于“少用能”

近年来,以更少的“用能”支撑数据中心安全稳定运行已成为行业共识。在实际运营中,数据中心制冷系统是除IT设备本身能耗之外最大的能耗源头,因此降低制冷系统能耗,成为实现数据中心节能的重要方向之一,包括充分利用室外自然冷源,减少机械制冷;采用更高效的制冷设备,降低设备能耗;采用液冷或就近制冷,实现制冷的集约高效化;采用更高的机房送风温度,提升机组效率,以及延长自然冷却利用时间等,这些均是目前降低数据中心制冷系统能耗的主要方式。

此外,供电系统的能耗仅次于IT系统与制冷系统,降低供电系统能耗,同样是实现节能的重要环节,包括采用能效更优的供电架构;采用更高效的供电设备;末端配电弹性化;采用新型储能介质;提高可再生能源利用率等,是当前数据中心提升供电系统效能的主要方式。除电力保障外,节约水资源同样是节能领域的重要内容,例如典型的数据中心用水主要为制冷系统的耗水,对此,在水系统冷却塔环节,可采用高效节水冷却塔或根据项目实际情况选用闭式冷却塔,大幅降低用水量;在机房加湿用水环节,可通过合理设定空调运行工况,大幅降低加湿需求量,进而降低最终用水量。

2.关于“用绿能”

金融数据中心虽然在能效提升方面取得了良好成效,但在动辄10万台服务器的未来超大算力规模需求下,应用绿色可再生能源、优化调整用能结构依然是数据中心实现“双碳”目标的重要环节。新建或改造数据中心可尝试按照自身场地环境自建分布式光伏系统,向实现能源结构调整迈出关键一步。在现实场景中,受自然条件限制,自建光伏电站可提供的绿电通常比较有限,难以满足数据中心庞大的电能需求,因此还需进一步调整外部供电的绿电比例,例如可按照数据中心所在当地的能源条件及政府用能政策,采用绿电专线供电,或通过绿电交易购买、认购绿证、积极参与绿色能源产业投资等方式,逐步提升外部供电的绿色比例,进而调整总体用能结构,降低碳排放水平。

此外,余热回收及雨水回收也是数据中心践行能源梯级利用、资源循环利用的重要内容。例如,数据中心在大量耗电的同时也会产生低品位热量,可考虑将此余热进行二次利用,如为办公场所及周边提供冬季热源,进而实现能源的梯级利用;或将雨水回收处理后用于绿化浇灌,在节约水资源的同时实现资源循环利用,促使数据中心变得更为“绿色”。

四、智能智慧

随着金融数据中心规模的不断扩大,基础设施系统架构日渐复杂,传统以事件驱动、人力维修的运维模式已无法满足现代化发展需要,急需引入更智能、更智慧的运营技术与方式。例如,金融数据中心可将物联网、智能机器人、计算流体力学仿真(CFD)等数字技术与数据中心基础设施管理(DCIM)技术相结合,并叠加AI技术进行数据采集分析,实现系统自寻优运行,赋能数据中心机房基础设施,使其更安全、稳定、低碳运行。同时,通过引入不同的场景数据对算法、模型进行训练优化,还可进一步根据场景特点、规则形成算法和模型库赋能运维转型,如通过CFD技术进行机房气流组织优化,使用神经网络等算法实现基础设施的自寻优运行,以及通过基于模型及数据驱动的融合方法,预测电池等设备的剩余寿命,实现故障预防性维护等。

五、弹性快适

传统模式下,机房基础设施(风、火、水、电等)一旦建成投产,在长达20年的生命周期内,各区域分配的电量、冷量、空间容量等通常比较固定且难以调整,基本不具备“弹性动态扩缩”的响应能力,只能通过设计优化来实现一定的弹性效果。

对此,一是应做好“功率密度”研究规划,对未来数据中心机房的发展进行正确的预判;二是可通过前瞻性规划申请足量外电资源,以及按照上限容量设计分配路径来提高动态扩缩的上限,并采用分期建造策略做好留白;三是引入功率可调设备,如抽屉式微模块UPS、智能母线、变频制冷设备等,为机房末端搭载供电/供冷“在线可调”功能,实现机房末端的弹性扩缩能力;四是通过开关参数整合以及制冷流量精确控制等手段,保障能源系统安全高效运行。从实践角度,机房末端的弹性扩缩能力不仅可以快速适配业务发展,而且有助于实现机房资源的最大化利用。

数字时代,打造新一代绿色数据中心已成为金融机构实现高质量发展的重要内容,通过引入“统筹规划、容灾安全、绿色节能、智能智慧、弹性快适”等设计原则,持续完善数字新基建的各个拼图,将推动数据中心加速提升为数字价值的创造中心,真正实现从运维向运营、从成本中心向价值中心的转变。

本文标题:金融绿色数据中心建设关键要素研究

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