2023看得见的未来：数据中心行业十大发展趋势

数据中心建设和消纳在不断创历史新高的同时，也正在遭受不少的抨击，因为它们消耗大量的电力和水、排放温室气体、产生垃圾填埋场的垃圾，却不产生有形的产品——如汽车、房屋和钢铁。但其实我们的生产生活中，无论是视频流、在线购物、在线社交、沉浸式视频会议，还是工业过程和生产控制等等，都离开不数据中心的输出。数字化世界需要相当数量的处理和存储能力，这是数据中心呈指数级增长的动因。而如何提高数据中心的能效、减少对环境的影响、以及对电力供应所带来的挑战也成为当下备受关注的议题。
作为数据中心、行业关键应用领域基础设施建设和数字化服务的全球领导者，施耐德电气每年年初都会基于深刻的行业洞察和实践发布《看得见的未来—数据中心市场的新趋势与新突破》以揭示新一年数据中心行业会发生哪些变化，有哪些趋势会影响数据中心行业未来的发展方向（这些趋势的落地在未来有可能需要持续数年）以及这些变化和趋势对数据中心运营商的价值和意义。以下是施耐德电气数据中心全球科研中心对2023年的新兴趋势的预测。
趋势一：数据中心将开始关注来自供应链的碳足迹

随着越来越多的数据中心转向采用可再生能源，与能源消耗相关（范围2）的碳排放占整个数据中心碳足迹的比重变得越来越小。这时，来自建设和运营阶段供应链（范围3）的碳排放将成为数据中心碳排放的最大来源。然而，数据中心行业对于范围3的了解与核算非常有限，这主要是由于缺乏可靠的供应商数据、缺乏量化工具以及缺少核算的方法。未来，关于范围3的量化评估将成为数据中心行业面临的最重要的问题之一。施耐德电气此前已经发表了与范围3相关的白皮书和权衡工具——数据中心全生命周期碳足迹计算器，通过提供有关范围3的核算方法及量化工具，帮助数据中心行业对范围3排放进行“洞察”，来优化决策早日实现净零碳排放。施耐德电气倡议供应商必须向数据中心运营商提供与数据中心使用的产品相关的范围3的排放数据，从而进一步推动整个行业减排进程。范围3减排方面的最佳实践包括延长服务器的生命周期、采购高效的绿色低碳产品、全面提升从IT到物理基础设施的利用率等。
趋势二：数据中心的演进将加速替代备电技术的采用

作为长延时的（诸如24小时）备用电源，柴油发电机以其高可靠性一直都是数据中心的首选。然而，随着环境问题的出现，越来越多的人希望可以用更加可持续的方案来替代它们。但是，施耐德电气研究发现如果从投资成本、燃料成本、碳排放、可用性等多个维度进行综合权衡，目前还没有一个比较理想的替代方案。这些替代方案还需要进一步降低投资成本和燃料成本，来实现备用电源的经济性。但同时，随着电网供电稳定性和IT系统弹性的不断提高，对备用电源时延的要求正在显著降低（比如大多数电网的中断时间小于2个小时）。此外，风光储等分布式能源的采用为数据中心与电网间的动态响应提供了更多降低能源成本和碳排的机会。传统的依靠柴发和UPS为关键负载提供高品质电能的配电架构正在演进为由储能系统来实现。施耐德电气最新的研究发现，以上三个数据中心的演进将使锂电池储能技术或氢燃料电池技术更具竞争优势，从而促进其作为柴发替代方案被行业采用。未来，数据中心能源格局将更加多样化，备用电源方案、电网服务以及配电架构将具有更大的想象与发展空间。
趋势三：多接入边缘计算（MEC）将在网络边缘兴起

为支持数据密集型和超低时延应用，如高清流媒体、自动驾驶汽车、自动开采和工业4.0，我们必须将计算和存储资源置于网络边缘，从而确保这些资源更靠近数据源或数据消费者，进而消除从集中的核心云数据中心或区域边缘数据中心到边缘设备的时延。此外，也需要在网络边缘数据中心和边缘设备之间采用更快的网络通信，比如5G、Wi-Fi 6。过去，电信行业和IT行业一直都沿着各自的技术路线不断演进，比如传统电信网络云化，分布式云计算数据中心用作IT云的扩展。而如今我们看到分布式云和传统电信数据中心的功能正在网络边缘融合为多接入边缘计算（MEC）数据中心。未来，电信基站也可以提供软件定义的服务（如网络功能虚拟化）；而分布式云也将具有电信控制的功能。施耐德电气认为MEC将赋能数字化转型（诸如智慧城市、智能制造），但其大规模部署也对配电、制冷、能效、管理以及维护均提出了独特的挑战。MEC设计在满足韧性和性能的目标外，运营商也必须将可持续发展作为企业的核心价值，以最大限度地减少能源使用、碳排放和废弃物的产生。
趋势四：数据中心对电能利用与质量的测量将更加全面精准

随着强制性能效标准GB40879-2021《数据中心能效限定值及能效等级》的生效与实施，这一全国统一的数据中心能效评价标准、技术准则和分析方法将对数据中心的建设、运行和维护起到积极的指导作用。未来，针对新建及改扩建的数据中心，电能利用效率（PUE）需要满足规范所规定的三个等级能效指标要求，并进行实时的在线监测。监测应采用符合精度要求的测量仪器仪表（比如：1级电能计量仪表、0.5级电流互感器、0.5级功率表等）对测算期内数据中心的信息设备、冷却系统、供配电系统和其他辅助设施耗电量进行计量。此外，更多可再生能源采用对电能质量产生的影响也会导致数据中心电力系统故障频发。对于托管型服务提供商来说，如何进行责任界定与故障根源分析变得尤为关键，这时就需要采用高精度的仪器仪表对电能质量进行实时的在线监控与分析。施耐德电气认为高精度的仪器仪表和电能质量管理数字化工具将受到数据中心运营商的青睐，一方面可以满足监管部门对PUE的要求；另一方面可以对电能质量进行监测与分析，实现预测性维护，同时也是进行责任界定与故障根源洞察的有效工具。
趋势五：新型电力系统对配电网稳定性的影响引关注

随着更多分布式清洁能源（比如：风能、太阳能等）的应用，数据中心在享受用能成本优化和碳足迹降低的同时，也面临间歇性能源对传统电网稳定性的影响。一些数据中心由于电压波动较大或者电能质量不过关（超出UPS控制能力范围）而出现宕机事故，并造成重大的经济损失。“源网荷储”一体化能源系统管理的微网技术将成为保障供电可靠性、连续性和稳定性的关键。数据中心需要在设计和运维阶段分别采用数字化工具来实现微网系统的设计与管理，以确保电能质量符合要求。微网配电架构需要同时支持并网和离网两种运行模式，对负荷和储能进行控制，可以自适应调整继电保护定值，同时实现新能源发电的预测和运维。施耐德电气认为需要借助数字化工具，对电网的系统稳态、暂态稳定性、潮流方向、弧闪、短路分析、过流保护的选择性和配网过电压等方面进行模拟计算，从而确保设计的合理性，进而实现数据中心供电的可靠性、连续性与稳定性。
趋势六：增容数据中心设计方案将受到青睐

为了实现对关键负载的支持，数据中心通常采用2N冗余设计，并预留较大的安全裕量。这导致了物理基础设施容量得不到充分利用，形成了大量搁浅的容量，也造成投资成本和市电容量的严重浪费。数据中心行业过去一直在探讨如何通过架构的优化，比如用分布式冗余（DR）或者共享冗余（BR）替代2N冗余来释放搁浅容量，提升系统的带载率。也就是说在相同的市电容量下支持更多的IT负载，同时提高供配电系统的能效。但新的架构对运维人员的更高要求一直阻碍这一进展。尤其在市电容量申请日益困难的情况下，数据中心运营商希望能通过创新的设计方案来释放搁浅的物理基础设施容量，在相同的市电容量下最大化产出IT容量或机柜数量，同时还需要确保系统的可用性不受影响。施耐德电气推出的增容创新设计方案，采用UPS的扛峰功能（通过市电和电池进行联合供电），并充分利用闲置的柴油发电机和蓄冷罐储冷来保障一次故障下数据中心对配电系统和制冷系统可用性的要求。研究发现，创新的增容方案在相同市电容量下，可以实现35% IT容量的增加，同时实现每瓦IT投资成本16%的降低。该参考设计可以为数据中心运营商解决市电申请困难和投资浪费等痛点，实现商业价值最大化。
趋势七：数据中心在持续创新的同时更关注设备的安全可靠

能效与容量等规格参数一直作为数据中心行业进行设备选择的主要参考依据，在过去这些年推动行业不断取得进步。但随着这些设备参数提升到较高水平之后，继续优化为用户所带来边际效益将变得越来越小。同时，UPS、电网与柴发的转换开关以及柴发故障是导致电力系统故障的主要来源，给数据中心运营商带来的损失是巨大的。因此，设备的安全可靠将被提到一个新的高度。设备的安全性与可靠性很难像能效那样进行量化，而主要依赖设备厂家在设计阶段对设备进行充分的失效模式影响分析（FMEA）实验，以及在生产制造阶段严格把控产品品质。同时，采用更多的数字化技术、模块化设计理念以及在线插拔技术来提高设备的可靠性与可维护性，还可以实现“边成长边部署”，从而降低设备的初期投资。施耐德电气认为行业在创新的同时，要始终坚持产品安全可靠方面高标准与高要求。数据中心运营商在设备选型时，最好选择由第三方独立的权威认证机构（诸如UL、TÜV、泰尔）认证过的设备。以确保设备的可靠运行，同时在使用和维护的过程中不会对运维人员带来安全隐患。
趋势八：数字化工具的应用将贯穿数据中心全生命周期

过去，数字化软件主要被用在数据中心的运行维护阶段，以实现数据中心的高效运营。随着数据中心能源供给的多元化，对可持续发展和高可用性的诉求，迫使数据中心从设计、建造到运行维护都需要数字化软件的加持。在设计阶段，数字化工具（诸如BIM、ETAP、CFD）可以优化数据中心空间设计，通过模拟来确保电气和制冷系统的性能。在建造阶段，数字化工具（诸如数字孪生、MTWO）可以帮助建设方选择低碳环保的建筑材料和低碳设备。在运行维护阶段，数字化工具（诸如Resource Advisor、Microgrid Advisor）可视化数据中心的能源与资源的使用，可以实现运营的持续改善，以提高能源效率和可持续性。施耐德电气认为新一代的数据中心管理工具需要实现监控、测量、管理、控制、规划与模拟等功能，可以实现定制化的解决方案与系统集成，更多地借助AI的仿真调优以及大数据智能化分析手段，赋能数据中心实现韧性、安全与可持续发展。
趋势九：预制模块化解决方案将进一步在全球推进

随着数字化转型与升级的快速推进，我们对算力的需求变得更多与更快。实现数据中心的快速部署已成为互联网巨头与托管服务提供商的核心竞争力之一。数据中心预制模块化解决方案经过预先定制化与标准化设计，并在工厂环境中进行预组装、集成和测试，以缩短部署周期，提高性能、质量与成本的可预测性。预制模块化实现现场安装的去工程化，以边成长边部署来优化投资成本，同时减少建筑过程中废弃物的产生。尤其是最近几年的供应链短缺，预制模块化还可以解决跨地域/国家长途运输等问题，从而解决当地供应链短缺所带来的挑战。施耐德电气认为行业在享受预制化所带来诸多好处的同时，需要特别关注系统设计的可靠性与安全性，尤其对于供配电系统。由于高度集成缩短了中低压和末端配电之间的路径和空间，容易造成短路电流升高、散热不均匀等不利影响。因此在设计过程中，需要严格校验系统短路故障水平、开关/柜体的分断/耐受水平，以及上下游开关/其它保护元件的选择性配合，来避免电气系统故障对整个数据中心可用性的影响。
趋势十：再生设计理念开始融入更多数据中心

再生数据中心是一个开创性的概念，它意味着数据中心可以实现资源的自给自足。比如在现场生产自己的可再生能源，收集雨水和废水作为其所消耗的所有水资源，对其建筑材料、供配电和制冷系统的所有硬件实现再循环。数据中心必须在干旱、无风和黑天的时候运行，因此需要多种形式的现场可再生能源或大量的现场能源存储。从价格和性能的角度来看，电池储能正变得越来越具有吸引力。如果风能、太阳能或水力发电的可再生能源容量过剩，这些能源可以储存在电池中或制成绿氢。燃料电池将是实现绿氢转化为电能的最佳选择。在工厂建造并运输到现场的小型模块化核反应堆（SMRs）也已经开始获得监管部门的设计批准，但仍需要经过严格的测试。它们似乎更适合支持再生数据中心，但第一代要到2030年之后才能建成。施耐德电气认为数据中心可持续发展计划的最终目标是再生数据中心的一个重要起点，但这还远远不够。我们最终的目标不应该只是控制碳排放，最小化水资源的使用和废弃物的产生。而是最终能够实现一个自给自足的数据中心，特征是现场可再生发电、水资源独立和采用100%循环材料来消除废弃物的产生。
进入2023年，数据中心行业的重点仍然是可持续发展与安全可靠，通过采用数字化工具、提高能效、实现供应链脱碳等手段来驱动可持续发展，提高数据中心的可用性。数据中心供电和制冷系统也将向着可持续发展和软件定义的方向不断演进。
以上对新兴趋势的预测来自施耐德电气数据中心全球科研中心，该部门设立于上个世纪九十年代。科研中心始终以“探索数据中心行业的技术和发展趋势，倡导最佳实践”为团队使命，通过发表通俗易懂的白皮书和权衡工具来帮助数据中心用户提高可用性和优化能效，实现数据中心的可持续发展，最大化数据中心的商业价值。截至2022年，施耐德电气科研中心团队已经发表白皮书220余篇，每年有超过40万的下载量；权衡工具28个，每年有超过2万用户在线使用。所有白皮书和权衡工具都免费提供给整个行业学习和使用，在推动数据中心行业的发展的同时也印证了施耐德电气在数据中心行业思想领袖的地位。