微软LES供电架构介绍(上)

微软一直把云计算视为未来发展的一个重要方向,根据其制定的“软件+服务”战略,微软所有业务集团正在全力为所有产品增添在线组件,这直接导致了在线数据存储需求的爆炸式增长。

为了应对竞争对手如谷歌和“云计算”的挑战,微软目前在数据中心上的投资已经超10亿美元。微软目前将全球数据中心分为五大区域

北美区有四个数据中心已投入运营,分别分布在美国加州、德克萨斯州、伊利诺斯州和弗吉尼亚州;欧洲区已经投入运营的数据中心有两个,分别在爱尔兰和荷兰;亚洲区投入运营的数据中心也有两个,分别在新加坡和中国香港。而正在投入正式运营的数据中心有6个:在中国大陆地区的北京和上海两个数据中心由微软的合作伙伴世纪互联来运营,这两个中心在去年6月6日已经提供Windows Azure公有云的测试服务;在日本区,微软在东京和大阪设立两个数据中心;在澳大利亚区,微软则在悉尼和墨尔本设立了两个数据中心。

为了满足其日益增长的在线服务,包括电子邮件、软件更新下载、图片共享等的需要而建立的資料中心,微软将其数据中心分为三个级别:昆西级、芝加哥级和都柏林级,它们在服务器密度、数量、本地化设计、能源使用效率方面有所区别,每个数据中心可能包含有“数以万计”的服务器。

图1 微软五代数据中心特点介绍

Open Compute Project是由Facebook在2011年受开源软件启发而创建的一个“开放硬件”项目,不像Google、Amazon等公司一直对他们的数据中心讳莫如深,OCP从一开始就受到了众多硬件厂商的追捧,微软也在2014年加入了他们,并于当年贡献了其刀片和存储等解决方案。在2015年的OCP峰会上,微软进一步又开放了其LES(本地能源存储)分布式电池备份供电架构,本文将对这一技术进行粗浅分析和讨论,以供大家进一步了解。

图1阐述了微软五代数据中心的发展历程,从1989年到2005年间微软的第一代数据中心也来自租赁的机房,采用传统的机架式服务器,PUE也高达2.0以上。

到2007年,微软完成了其整机柜的研发,从功率密度以及部署速度方面得到很大提升,第二代数据中心的PUE也降低到了1.4到1.6的较低水平。

到2009年微软推出了其IT集装箱数据中心方案,进一步加强了可扩展性及可持续性,通过机房级风侧和水侧的自然冷以及分级SLA标准,第三代数据中心的PUE也降低到了1.2到1.5的行业优秀水平;在2012年微软推出了其ITPAC全模块化第四代数据中心解决方案,通过模块化IT和基础设施组合,及模块化空气测自然冷,实现数据中心更快交付,PUE实现了1.12到1.20的行业领先水平。

在2015年的OCP峰会上,微软推出了其OCS开放服务器以及LES本地存储分布式供电技术,边成长边投资,更低的运营成本,更小的故障影响面,其第五代数据中心的PUE也达到了1.07到1.19的行业最高水平,且实现了数据中心最佳TCO。

图2 微软数据中心拓扑图

从图2我们可以看到,采用了以LES技术为核心的微软第五代数据中心,采用了市电直接到机柜的市电直供技术,以及无机械制冷的绝热AHU自然冷技术,减少了传统数据中心UPS供电以及冷机制冷带来的巨大能耗。

供电方面,因为采用LES市电直供技术后,不需要采购传统的大型UPS及电池,以及配套的配电柜、线缆母线排、以及投切开关等,而只在标准服务器电源内部增加了电池以及少量转换电路,实现了5倍投资成本的节约,还有不用电力电池室等带来的25%场地节约,以及15%的PUE值降低;在制冷方面,不再需要采购大型的集中制冷冷站,而该为采用模块化的绝热AHU技术,只有在较热天气才需要少量蒸发散热等,耗水量从原来传统制冷方式下150兆加仑降低到只需要7兆加仑,而且带来30%的PUE值降低。最终整个数据中心实现了1.07到1.19的超低PUE。

图3 机房或者机架级交流UPS供电架构

下面我们重点展开介绍其LES供电架构, 在开始之前,我们先介绍一下传统数据中心的UPS供电架构(即便是微软的第二、三、四代数据中心都仍有UPS系统),以及计算参考条件。

如图3,传统方案下为保障IT设备的可靠供电,在市电和IT设备之间串接了UPS系统(不管是机房级的大型UPS,还是机柜级的机架式UPS),那么就存在着UPS系统的投资,以及多级变换带来的UPS运行能耗。投资成本方面,美国Tier 1级数据中心每千瓦的造价约1万美金,Tier 2级数据中心每千瓦约1.1万美金造价,Tier 3级数据中心每千瓦造价约2万美金,而Tier 4级数据中心则高达2.2万美金。除此之外,还需要考虑数据中心内建筑的成本,折合白地板面积每平方米约0.24万美金的造价。

图4 AC/DC共母线的电池BBU供电架构

除了前面介绍了传统UPS供电架构,还存在另外一种AC/DC共母线的电池BBU供电架构,如图4所示。这种架构也应用在了微软的第三代和第四代数据中心内。该架构的特点是采用了机柜级的电池BBU,和PSU输出共母线来给服务器板卡来供电。当市电正常的时候由PSU输出12V或者48V给服务器板卡正常供电,并对电池BBU进行充电(从上图我们还可以发现微软的机架级PSU大约1500W左右)。

当市电异常或者掉电情况下,则由电池BBU快速启动放电,以保持服务器板卡的供电连续性,电池可以支撑几分钟的电池备份时间,直到柴发启动继续供电。这种供电方式虽然不再需要传统的机房级UPS,也取得了超高供电效率,但存在的问题是需要额外采购电池BBU模块导致成本较大增加,而且存在市电停电情况下快速启动电池BBU的切换可靠性,以及可能的BBU占用空间较大,还有BBU转换效率不高等问题。

图5 微软的OCS服务器的LES供电架构

基于前面这些架构的不足,微软推出了其OCS服务器的LES解决方案,如图5所示。其基本原理是在OEM厂家大量生产的低成本标准PSU模块内增加了锂电池包,这些锂电池包也来自大量使用低成本的电动工具行业锂电池,最后锂电池通过低成本小电流的380V充放电DC/DC电路串接到PSU的PFC母线上,实现市电正常下的充电,以及市电异常下的掉电保护。

笔者认为将电池BBU挂接在PSU的PFC母线上有几个好处。首先,PFC母线允许较宽的电压波动范围,以及PFC母线电容存储有较多能量,给电池切换过程赢得较多时间,所以PSU的12V或者48V输出在切换过程基本不受影响;其次,PFC母线高达380V到400V的电压,大大减少了电池充放电电流的传输损耗和铜排成本,充电和放电损耗也得到了较好控制;最后,因为电池包以及转换DC/DC模块在PSU内部,用户接触不到,可以不做变压器隔离等安全措施(而BBU架构需要考虑)。

下期我们将为您介绍微软LES供电架构(下)

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原文发表时间:2015-07-10

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