01 引言

5G技術的發展開啟了萬物互聯的時代。 根據ITU-R的定義,5G技術具有超高頻寬、超低時延、網路能力全連接覆蓋等特性,5G在未來將帶動增強型行動寬頻(eMBB)、大規模機器類通訊(mMTC)、高可靠低時延通信(uRLLC)三大場景的發展。 這三大場景覆蓋了物聯網、高清視頻、AR/VR、工業製造、可穿戴設備等萬物互聯應用技術的方方面面。 這些新興技術都對高吞吐量以及低時延有著較高的要求,而原有傳統數據中心的時延有時長達100 ms[1],顯然已經不能滿足需要,於是更靠近使用者、滿足低時延要求的邊緣數據中心應運而生。

邊緣數據中心在靠近用戶的網路邊緣提供基礎設施資源,支持邊緣計算對當地語系化、即時性的數據進行分析、處理、執行以及反饋,從而對雲端運算能力進行補充。 借助邊緣計算,資料可以在邊緣資料中心進行處理,從而節省到傳統集中式資料中心的通訊等待時間。 與傳統的數據中心相比,邊緣數據中心在分類、規劃、設計、發展方向將呈現怎樣的特點? 本文將著重探討這部分內容。

02 邊緣數據中心的分類思路

目前,對於邊緣數據中心分類方法尚未定論。 對於邊緣數據中心的分類,不能單純採用傳統數據中心按照機架規模來進行分類的思路,可以通過IT容量規模、場景、下沉位置等維度進行分類。

電力的規劃和接入是邊緣數據中心需要考慮的一個重要方面,所以通過IT容量規模來確定邊緣數據中心的分類是一個較為合理的思路。 結合國外部署經驗來看,邊緣數據中心IT設備容量一般不超過2 MW,可以依據其規模對邊緣數據中心進行分類:微型邊緣數據中心,IT容量在600 kW以下;小型邊緣數據中心,IT容量在600 kW~1000 kW之間;中型邊緣數據中心,IT容量在1000 kW ~2000 kW之間。 考慮到空間等因素,邊緣數據中心機架應為高密度機架,單機架負載容量推薦使用範圍為6 kW~20 kW。

應用場景多樣是邊緣數據中心的一個特點,從應用場景入手對邊緣數據中心進行分類也是一個比較科學的思路。 可以按照場景分為生產互聯網型邊緣數據中心以及消費服務互聯網型邊緣數據中心。 其中,生產互聯網型邊緣數據中心對應第一、第二產業,場景包括但不局限於工業製造、能源、農業等;消費服務互聯網型邊緣數據中心對應第三產業,場景包括但不局限於AR/VR、視頻、遊戲、金融、教育、家居、城市、醫療等。

邊緣數據中心下沉的位置不盡相同,也可以作為邊緣數據中心分類的一個較好的思路。 對於邊緣資料中心的邊界,目前業界所談論的「邊緣資料中心」是一種相對廣義的概念。 細分來看,邊緣數據中心可以分為靠近端的邊緣以及靠近雲的邊緣兩種。 其中,近端邊緣數據中心基本距離用戶數米到數千米,可以下沉到5G基站層面,甚至可以下沉到使用者"身邊",近端邊緣數據中心的形態可以為一體櫃設備形態;近雲邊緣數據中心距離使用者十幾千米,下沉到接入網層面,近雲邊緣數據中心在形態上與傳統小型的數據中心類似。

以上3種分類的角度不同,都可以在各自的維度上為邊緣數據中心做好分類的界定,具體參見表1。

表1 3種邊緣數據中心分類方式

03 邊緣數據中心的規劃設計分析

3.1 邊緣數據中心規劃

在選址方面,邊緣數據中心將呈現靠近使用者、物理分散、邏輯統一的特點。 邊緣數據中心的選址將很大程度上由其所承載的服務網路時延要求來決定,通常邊緣數據中心服務中心服務的場景時延都在毫秒級,由於更靠近使用者,邊緣數據中心的選址可能選取的位置有:路邊的公用設施附近、5G基站、普通建築內部、工廠內(以支援工業互聯網)、居民社區、廢棄鍋爐房等,同時這些選址位置仍然需要參考傳統數據中心的條件,如氣候條件、安全性因素等。 邊緣資料中心選址時也要站在整體邏輯的高度進行考慮。 邊緣數據中心由於應用場景多樣、靠近使用者等原因,屬於物理位置高度分散的情況,而多個物理分散的邊緣數據中心可以互聯集成,在邏輯上統一。 例如,美國知名邊緣資料中心企業VaporIO在部署邊緣資料中心時採用了地理分散而邏輯關聯的方式,城市中的邊緣數據中心整體以環形排列,間隔約為10 km ~20 km,這些邊緣數據中心通過高速光纖網路連接在一起,實現了整體邏輯關聯,從而實現了負載平衡、容量彈性和工作負載遷移等功能。

在建築類型方面,邊緣數據中心將呈現機房形態和設備形態。 機房形態的邊緣數據中心類似於小型的傳統數據中心,具有供配電、暖通等系統。 設備形態的邊緣資料中心主要指一體櫃等,一般是預製化、標準化的隨插即用一體櫃,這種一體櫃可以放置在普通建築物內,或者放置在路邊公用設施附近。 另外,也有國外學者研究提出了" 遊牧數據中心(Nomadic Data Centers)"的概念[2],即一種可移動的小型、便攜式邊緣資料中心,也屬於設備形態的一種。 

在建設方式及週期方面,邊緣數據中心將以改造為主,建設週期較短。 由於未來更多新興業務的快速上線,邊緣數據中心應基於現有基礎設施改造,如利用廢舊工廠、鍋爐房、地下室等進行改造,同時標準化和產品化等使得微模組產品等將成為邊緣數據中心快速上線的法寶,建設週期可以縮短到數月,甚至數周。 而對比傳統數據中心的建設方式,一般包含了選址、土地水電資源對接、評審立項、土建、配套設施安裝、項目驗收等步驟,一般建設週期較長,通常需要1~2年,邊緣數據中心建設週期更短,上線更快。

在規模方面,邊緣數據中心規模較小,基本規模將以百為單位。 結合國內外邊緣數據中心部署的實際情況,考慮到空間等因素,邊緣數據中心一般規模不大,同時採用高密度機架,單個邊緣數據中心的機架規模一般在以百為單位。 而傳統數據中心一般都具有一定的規模性,根據工業和資訊化部等國家五部委於2013年發佈的《關於數據中心建設佈局的指導意見》,國內傳統數據中心根據規模分為超大型數據中心、大型數據中心、中小型數據中心3種類型,其中超大型數據中心是指以功率2.5 kW為一個標準機架,規模在1萬個標準機架以上的數據中心, 大型數據中心為規模大於等於3000個標準機架小於1萬個標準機架的數據中心,其餘的規模為中小型數據中心。

3.2 邊緣數據中心設計。

邊緣數據中心在供配電系統、製冷系統的設計思路基本的原則為簡化和去冗餘。 在供配電系統方面,對於邊緣數據中心,由於規模較小且部署靈活,電力接入可能會考慮利用現有的電力基礎設施,直接380 V/220 V接入,同時為了達到保障實際可用性的要求,機架式鋰電池等備用電源可能將發揮較大作用,為之可用性提供保障[3]。 由於部署位置靠近使用者,受到空間、噪音或污染的限制,備用柴油發電機可能不再配備。 

傳統數據中心的配電基本由10 kV外電輸入后經過中壓配電、變壓器、低壓配電以及HVDC/UPS接入精密列頭櫃為IT設備提供電力,供配電系統一般設置N+1、2N等冗餘,同時也配備柴油發電機組確保數據中心的設備得到不間斷的供電,這些在邊緣數據中心中都將被簡化。 在製冷系統方面,對於邊緣數據中心,製冷設備可能會因數據中心的規模或者位置受限制,所以部分機械製冷+自然冷卻相結合、液冷技術、耐高溫伺服器等將是未來邊緣數據中心考慮的方向。 在傳統數據中心中,IT設備持續運行產生熱量,需要大型製冷系統來保證環境的穩定,如風冷、水冷等系統,同時基於穩定性的考慮一般也會設置冗餘。

邊緣數據中心在安防系統中的設計思路基本的原則為:無人化安防和更耐極端環境考驗。 在安防系統方面,邊緣數據中心將多採用無人值守以及自動化遠端管理的方式,所以對於邊緣數據中心安全的保護難度加大,安防系統的等級要求也會更高。 同時,邊緣資料中心地處位置比較複雜、良莠不齊,對於風沙、高溫或者化學工廠高酸鹼性腐蝕等極端特殊環境,需要配備相應的物理防禦保護裝置。 綜上,邊緣數據中心對比傳統數據中心在規劃、設計方面都呈現不同的特點,具體參見表2。

表2 邊緣數據中心與傳統數據中心在規劃與設計方面的對比

04 邊緣資料中心的發展方向

未來應用的迅速發展,要求邊緣數據中心可以快速部署,模組化、預製產品化、標準化將可能成為邊緣數據中心的重要產業發展方向。

4.1 模組化。

模組化部署是邊緣資料中心發展的重要方向。 目前,國外的一些邊緣數據中心企業如Vapor IO、EdgeMicro、BaseLayer等都採用了模組化部署資料中心的方式。 Vapor IO的邊緣數據中心大多採取集裝箱式容器的形式,在內部部署了高密度IT機架,可以支援高達150 kW的電力容量;EdgeMicro公司在塔樓等地點部署數百個模組化數據中心,靈活提供邊緣算力所需的機架規模;BaseLayer公司的邊緣數據中心通過模組化的方式僅需120天左右就可以在任何地域實現快速部署。 模組化部署的思路不止適用於機架,更可以衍生到供配電、製冷等子系統上。 特別是模組化配電,開放數據中心委員會(ODCC)在2020年年初發佈了巴拿馬電源的成果,正是對於供配電系統走向收容集成的標準化模組部署的一項突破。

4.2 預製產品化

預製產品化將是邊緣數據中心發展的另一個重要方向。 針對近端和近雲的位置分別對應不同類型的預製產品。 近端的邊緣數據中心通常可以採用一體櫃產品的形式進行部署。 這種一體櫃可採用24U或42U的規格,可容納多台伺服器,佔地面積很小。 一體櫃產品預製完成後,客戶根據需要進行採購以及部署,可以快速交付,現場插電即可使用,適合應用於靠近用戶的應用場景,如車聯網、智慧城市、視頻監控等。 目前的邊緣數據中心通常都是靜態的,隨著技術的發展,近端的邊緣數據中心未來可能會衍生出動態形態。 Nawab F、Agrawal D、El Abbadi A提出了" 遊牧數據中心(Nomadic Data Centers)"的概念[2],這是一種可移動的小型、便攜式邊緣數據中心,內置供配電、製冷、滅火系統以及一定的冗餘,這種邊緣數據中心產品可以隨時移動以適應業務的即時需求。 近雲的邊緣數據中心可以採用微模塊產品的形式進行部署。 微模組產品是由一排或兩排機架通過封閉通道形成的小型機架集群。 機架集群由UPS(或配電櫃)、近端製冷設備、監控、IT設備等組成,可具有獨立的供配電、製冷、監控、佈線、安防等系統。 通過封閉機架集群的冷或熱通道,形成與大機房或其他集群相對隔離的物理環境。 微模組產品的規模靈活、預製化以及快速上線等特性,非常適用於邊緣數據中心的部署以及使用。 

4.3 標準化

預製產品化勢必帶來標準化,邊緣數據中心將走上標準規格、標準配電製冷、標準測試評估等標準化發展之路。 以測試評估為例,傳統數據中心的驗收測試都在建設、安裝各項子系統完成之後,對於PUE、安全性、可用性等測試和評估也在數據中心穩定運行一段時間之後進行。 而標準化的思路在於,把這些評估測試專案對應為邊緣資料中心產品的出廠指標或者參數,相當於把邊緣數據中心產品的驗收、PUE、安全性、可用性等測試評估放在安裝和運行之前。 用戶可以根據業務需求,對應不同標準進行邊緣數據中心產品的選型,然後快速上線,這既保證了效率又保證了服務的品質。

05 結束語

邊緣資料中心還處於發展初期階段,目前有關邊緣資料中心的部署方式、基礎設施的建設要求、運維方式等業界尚未形成統一意見。 同時,邊緣數據中心大多與工業、生活等聯繫緊密,對應場景眾多,加之需要考慮端—邊—雲三者的協同問題,邊緣數據中心的規劃、設計、建設需要考慮的因素非常複雜。

對於邊緣資料中心的研究,業界做了很多努力:開放資料中心標準推進委員會成立邊緣計算工作組,致力於邊緣計算以及邊緣數據中心的研究,推動產業的發展;工業互聯網產業聯盟(AII)設立工業數據中心特設組,致力於工業應用場景下邊緣數據中心的研究。 希望通過業界的共同努力,加快推進邊緣數據中心的標準制定進程,為邊緣數據中心的規劃、設計和建設提供依據,助力產業有序發展。

文章來源：中國信通院 https://mp.weixin.qq.com/s/nkfcZ0wl375ILIcR9wd0BA