新型数据中心建设面面观：超融合“上位”，能力全进化

Posted 2022-02-05 盘古开源

“新基建”、“东数西算”、新型数据中心、“双碳”战略……从2020年至2021年，为匹配“十四五”期间以数字经济高质量发展推动经济社会高质量发展的总路线，一系列顶层设计相继出台，将我国数据中心产业从高速发展推向了高质量发展的新阶段。相应地数据中心的建设模式也在发生急剧变化。

数据中心作为数字经济的核心基础设施，随着新一代信息技术快速发展并深度融入千行百业数字化转型进程，企业及组织数据资源存储、计算和应用的需求大幅提升，传统数据中心正加速与云、网融合发展，加快向新型数据中心/一体化大数据中心演进。

按照工信部《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》中的定义，新型数据中心是以支撑经济社会数字转型、智能升级、融合创新为导向，以5G、工业互联网、云计算、人工智能等应用需求为牵引，汇聚多元数据资源、运用绿色低碳技术、具备安全可靠能力、提供高效算力服务、赋能千行百业应用的新型基础设施，具有高技术、高算力、高能效、高安全的特征。

以终为始倒推，新时期的新型数据中心该怎么建设呢？在目前主流的两种数据中心建设模式中，超融合模式的呼声日渐升高。IDC的调查报告显示，有67%的企业受访者考虑或正在使用超融合构建数据中心。Gartner的调研数据也显示，2023年将有70%的政府和企业采纳超融合基础机构。

数据中心两种建设方式，超融合占据半壁江山

当前，数据中心一般有两种建设模式。

第一种是传统模式，即计算、存储、网络分层建设。这种模式的优势是架构清晰，便于分开采购，避免厂商绑定。存在的问题是扩展困难，运维复杂，厂商间责任界面不清晰。特别是随着企业业务上云加速数字化转型后，这种模式的弊端更加凸显。

第二种是超融合数据中心模式，即在同一套单元设备内融合计算、存储和网络等资源，模块化横向扩展形成统一的资源池。超融合并非新的概念，十年前针对传统数据中心建设中的种种问题，超融合模式就被提出来，并在应用中不断进化。在这种模式下，硬件基础设施的选择和组合难度大幅下降，而且企业也不需要一开始就不现实地规划3~5年的IT需求，而是可以以较小的投资开启数据中心的建设，后期根据需求逐步扩展。

眼下，企业数字化转型加速，业务的敏捷创新成为企业发展的关键，同时“双碳”战略下IT资源的集约化发展以及绿色节能成为强需求，超融合基础设施凭借敏捷弹性、资源高效、管理极简等特征，越来越成为企业部署数据中心的重要选择。

超融合不只适合中小数据中心，商业数据中心也是主战场

提起超融合，大家可能有一个误解，觉得它只能用于构建中小数据中心，不适合建设大型数据中心。的确，对于中小数据中心，超融合是主流选择，但这并不意味着超融合不能建设大型数据中心。

从技术架构上看，超融合包含四个部分，即分布式存储、计算虚拟化、网络虚拟化和运维管理平台。这其中分布式存储和计算虚拟化支持的规模取决与厂商的软件能力，目前主流厂商提供上千节点的支持能力并不鲜见（VM的vSAN之所以限定在64节点，更多的是一种商业考虑而非技术约束）。网络虚拟化（SDN）则更是为大型数据中心所生，一般中小型数据中心反而很难应用SDN的能力。唯一的瓶颈在于运维管理平台，对于大型数据中心除了普通的设备管理和日常运维，更重要的是服务提供，因而这部分能力随着运维管理平台发展成为私有云管平台也能得到解决。

既然超融合支持大型数据中心不是一个技术问题，那么为什么现实中确实不少大型数据中心没有选择超融合模式呢？本质上是由于大型数据中心（除互联网数据中心之外）大部分都是投资驱动，属于筑巢引凤的模式。这种模式下客户最关注的反而不是业务，而是采购如何合规，避免厂商绑定。计算、网络、存储分层建设的传统模式能够很好的拆分出不同的标包，更符合采购的原则。

当然，随着企业数字化的迅猛发展，越来越多的商业组织开始构建大型的数据中心。在商业组织的选项里，从中小数据中心逐步成长出来大型数据中心自然是最符合业务逻辑的选择，这也是为什么超融合数据中心在商业市场、关心性价比的市场更受欢迎的原因。Gartner在最新的报告中提出战略预测，到2027年60%的超融合将平均分布在托管数据中心、云端和边缘，而2021年这一比例则不到30%。这表明，超融合将快速从中小数据中心扩展到大型商业数据中心的更多场景。

“双碳”叠加“东数西算”，超融合架构迎来重大机遇

除了商业驱动外，国家政策也为超融合架构成为新型数据中心主流选择“添了一把火”，使得地方政府在投资新型数据中心/一体化大数据中心时，必须更加重视超融合架构带来的高能效、高安全等特性。

“30·60”碳目标不仅是中国对世界的责任承诺，更是中国经济转型升级的内生逻辑。数据中心是电网大负载和能源大用户，超大规模数据中心通常需要100-150兆瓦的电网容量，国际上正在建设的超大规模数据中心已经达到300兆瓦，未来设施的平均容量还将继续扩大。2019年，全球数据中心和数据传输网络用电量占全球用电量的2%左右，我国数据中心也占到全国用电量的2%左右，且这一比例还在继续提高，面向未来绿色低碳势在必行。

国家“东数西算”的提出，进一步明确要在数据中心布局、网络、电力、能耗、算力、数据等方面进行统筹规划，建设集约化的新型数据中心，提升数据中心的能效，构建国家算力网络体系，这不仅是助力双碳目标达成的重要举措，也是对新型数据中心发展关键指标提出的明确要求。

超融合架构凭借在部署、管理和升级方面的极简，在扩展性、灵活性方面的先天优势，以及继承于企业存储的高安全、高可靠能力，与新型数据中心要求的高技术、高算力、高能效、高安全特征高度匹配，使其成为新型数据中心建设的一种重要技术选择，迎来重大发展机遇。

超融合“上位”大型数据中心，也面临诸多挑战

当然不可否认的是，“传统”超融合在建设中大型数据中心也遇到了很多挑战。

首先，超融合的建设模式，一般是整体建设，计算、存储、网络通过软件集成为一整套解决方案，由单一厂商来提供。这在大型数据中心的采购、建设中，往往会面临着厂商绑定、采购合规的质疑。

其次，超融合节点一般选择通用服务器，存算比是固定的，这样就会出现在数据中心出现能力瓶颈需要扩充时出现僵化浪费现象。比如只需要扩展算力时，存储也随着扩展；只需要扩展存储时，算力也联动扩展，由此带来不必要的投资浪费。

最后，超融合目前一般只支持块存储，但是数据中心的存储越来越多的需求来自于非结构化的文件、对象和大数据存储。此外一些新的技术应用，如AI、大数据、容器、区块链等，超融合的支持度也并不理想。

内涵和外延全面升级，超融合已然进化

机遇与挑战并存之下，面向中大型数据中心场景，适应新型数据中心建设要求，超融合的内涵和外延迎来全面升级，计算、存储、网络、平台、管理、架构、节能各方面能力已然进化。

首先，计算从单一的通用算力走向多样化算力融合。应用的多元化要求算力的多元化，传统数据中心只支持通用x86算力，面向AI应用，信创场景等，数据中心必须有多种算力并存，这要求新的超融合架构应该既能支持通用的x86超融合集群，又有支持AI场景的GPU超融合集群，还要有针对信创场景的全国产化的超融合集群，以满足各种数据中心的应用场景。

第二，存储从结构化块走向海量的非结构化数据。传统超融合只支持分布式块存储，随着大数据时代的到来，非结构化数据成为数据中心的主流，新一代超融合技术应当在当前分布式块的基础上，增加分布式文件、对象和HDFS的能力，通过结构化和非结构化数据共管甚至共池，一方面能够更好的满足数据中心的业务需求，另一方面也能通过统一存储池，消除数据孤岛，降低基础设施建设成本。

第三，网络从通用网络走向高通量网络。新型数据中心将越来越多的承载数据密集型应用，这类应用普遍具有单次任务涉及的数据量大，任务执行过程中涉及的数据交互多，以及数据类型复杂，涉及大量非结构化数据等特点，传统超融合的通用网络已经无法满足。以高通量NoF+网络，数据直通技术和多协议互通技术为代表的网络能力，成为对新一代超融合的关键要求。

第四，平台从虚拟化平台走向虚拟化、容器和裸金属平台共生。超融合自诞生之日就和虚拟化相伴，以至于在很多客户心目中，选择超融合就等于选择了虚拟化。随着容器技术的兴起，虚拟化不再成为必选，很多客户在构建容器应用时都选择了直接基于裸金属服务器部署。但是容器缺乏对于资源的良好管理，安全性始终是一个问题，尤其是大量有状态应用的容器化，数据需要进行持久化。新一代超融合必须将虚拟化和容器的能力结合起来，既保持容器的轻量化和低资源消耗，又能利用虚拟化进行计算、网络、存储资源的管理能力。而且从长远来看，传统的基于虚机的应用和新兴的云原生的应用在相当长的一段时间能仍然会并存。

第五，管理从一个中心走向多中心、中心和边缘共管。数据中心越来越难以独立的形式建设，“东数西算”就是一个典型的多数据中心场景——东部的数据中心承担实时的低时延业务，西部的数据中心承接数据密集型的分析型业务，数据要在数据中心之间流动，多个数据中心需要统一管理。因此，新一代的超融合数据中心，支持多数据中心、数据中心和分支的共管以及数据流动将成为必然趋势。

第六，架构从以计算为中心走向以数据为中心的全融合架构。超融合的硬件基础设施是通用服务器，物理上存算配比是固定的，如果进行水平扩展的话，存在资源浪费，这要求超融合节点也应当区分计算密集型、存储密集型和均衡型，按照业务需求来选择不同类型的超融合节点。另外，虚拟化和分布式存储软件对于资源的额外占用一直为客户诟病，因此通过DPU卡卸载虚拟化和存储软件，让客户真正能够回归业务本质，组合计算资源、存储和网络资源，实现以数据为中心的全融合，正成为新一代超融合架构的选择。

最后，节能从整体数据中心节能到单柜精准节能。传统的数据中心更多通过“加法”，即横向堆积更多的机柜来提升数据中心的能力，带来的结果是能耗随着数据中心的规模增加而线性提升，降低能耗的唯一办法只能是在环境上做文章，比如选择气温更低，有冷却水源的地点来建设数据中心。新一代超融合技术采用“乘法”的思路，即通过提升单机柜的能效，在相同资源下，能够满足更多算力需求，承载更多存储需求，从而实现数据中心的能力跃升。比如，引入整柜液冷技术，将传统的数据中心级的液冷，精细化到单机柜的液冷，单柜内的算力节点、网络节点和存储节点共享液冷技术，通过智能调度实现单机柜的能效最高；又如，通过数据压缩算法，以较少的资源，存储更多的数据，减少存储的能耗；再如，通过引入更多闪存（同等容量的闪存盘的能耗是对应磁盘的30%），可显著提升存储的能效。最终实现通过提升单机柜的能效比，实现整体数据中心能效比的提升。与此同时，得益于高密算力节点和高密存储节点的引入，数据中心的机柜数量也会大幅下降，使得数据中心建设成本以及对于自然环境的影响也会大幅下降。

综上，通向新型数据中心的路也许有多条，但超融合一定是最重要的一条，也是技术最有优势的一条，值得广大政企组织重点关注。特别对于传统做托管数据中心的企业来说，超融合能够做到极简运维，易于扩展，可使他们具备类似云商的IaaS服务能力，而不是像以前那样就做一个“风火水电”，把机架建好后只能通过租赁机架赚辛苦钱。同时对于那些想要抢抓“双碳”和“东数西算”战略机会的地方政府来说，超融合模式能做到单柜精准的能效控制，以更细的颗粒度提升整体数据中心能效，无疑对电网、能源和环境都更加友好，更具成本效益。

毋庸讳言，今天的超融合已经不再是以前的超融合，得益于计算、存储、网络、平台、管理、架构、节能等内涵和外延的全方位提升，已经具备了从边缘、中小数据中心走向大型数据中心的能力，能够服务于国家“东数西算”和“双碳”战略，引领新型数据中心建设，并最终赋能千行百业的数字化转型，推动经济社会高质量发展。