数据中心2020：更绿色、更快速、更灵活

近几年来数据中心建设如火如荼地展开，这也说明在新一轮数据中心重建大潮来临之前我们应该考虑价值上百万美元服务器硬件和相关需求等问题。

但是，现在IT趋势向未来的发展方向还不是一个定数，因为不时出现的突破性技术会改变现状。

也就是说，数据中新设计的宏观趋势让我们对未来服务器和数据中心的设计有了一个初步认识。

进入绿色数据中心时代

随着绿色计算的重要性逐渐凸显，最近服务器设计的革新主要集中在降低能耗和将少数据中心的平均碳排放量。承载了高密度刀片服务器和交换机的高端数据中心的能耗可以达到每个机架40千瓦——这是几年之前数据中心能耗量的数倍之多。

不断增长的能耗不仅增加了数据中心对电力的需求，而且还大大提高了服务器设备排放的热量。所有这些热量都需要冷却处理，采用同样需要昂贵成本的制冷设备。

惠普公司业内标准服务器部门亚太区副总裁Tony Parkinson表示，多年以来“以前我们不得不将服务器设计为最大能耗量。”惠普的服务器产品线从低端的商用服务器系统到高性能计算集群。“以前我们选择了错误的方向。你可以一直提供更多的能源，但是你必须处理整个能源动力的问题。”

正是这些能源动力因素促使着数据中心管理者重新考量他们的选择。

去年六月，Google、英特尔和其他一些计算机组件厂商联合提出了“计算机产业拯救气候计划（Climate Savers Computing Initiative）”以提高PC的能源效率。他们表示，目前服务器消耗的电力中有将近一半都耗费在了交流-直流电源的转换过程中。

有一种改善的方法，就是将低效率的交流-直流转换过程从独立服务器上剥离出来。通过只为服务器提供直流电源供应——相对比较简单的修改——企业公司就可以将交流-直流的转换流程和热能源供应从数据中心迁移出来。

Parkinson表示，多样性的数据中心设备还会将数据中心环境温度从18摄氏度增长到22摄氏度，这大大节省了空调设备的支出和碳排放量。

长期来说，这些技术可能会像环境保护意识一样成为数据中心设计的一个必须考虑因素。这为水冷服务器等技术铺下了坚实的发展道路。水冷系统用更加高效的热交换系统取代了低效率的服务器风扇，一旦普及开来，水冷设计将取代看似简便的空气冷却设计，因为水冷设计比传统的空气冷却系统节省55%的能源输出。

对电力的控制是未来的大势所趋，企业数据中心规模的稳定扩展也促使企业尽可能降低能耗。

未来数据中心会在顶部安装风车或者太阳能电板吗？也许吧，南美洲政府最近已经意识到BHP公司旗下的铜矿和铀矿到2010年恐怕会消耗掉整个南美洲近一半的能源，到时候能源问题就将成为与企业策略密切相关的因素之一。

核心能力

虽然许多企业机构慈爱用虚拟化软件来减少他们使用的物理服务器数量，但是从长期来看，更加节能的设备设计才能从根本上减低能耗。

刀片服务器可以将多台物理服务器集成到一个机架中，它是数据中心领域最具突破性的技术之一。Parkinson认为刀片服务器是最佳的长期策略，而且他预测刀片机架将承载网络交换机和其他类型的数据中心设备。

因为刀片共享一个能源供应来支持多台服务器的运行，所以相比分别给每台服务器提供能源，刀片更具可管理性，而且能耗更低。他解释说：“刀片服务器将能源聚集到一起，我们提倡尽可能采用刀片服务器。”

然而，仅仅是将现有的服务器和CPU迁移到刀片上并不能长期保证它的环境优势，因为虽然服务器刀片能够提高效率，但是如果缺少刀片组件的基础设计，刀片的优势就有局限性了。

多核计算朝这个方向迈出了一大步，有业内专家认为应该把现在基于硅片处理器的生命周期在延长十几年。英特尔技术管理和告诉计算主管Jerry Bautista表示：“多核技术推动了性能的增长。”

作为英特尔公司80核技术开发项目的负责人，Bautista可以在未来处理器设计的方向上比任何人都具有前瞻性。在他看来，向多核计算的发展是一个重大的突破，同时对未来服务器的设计产生了很大的影响。

这个名为Teraflops Research Chip（TRC）80核项目的目标是让单芯片具备1万亿次的浮点运算性能（FLOPS），这与1996研发的一台名为 ASCI Red的超级计算机性能接近。ASCI Red超级计算机采用10000个主频为200MHZ的Pentium Pro处理器，耗费100万瓦的电力。相比之下，RTC的能耗仅为62瓦。

TRC不仅仅是英特尔项目的一个代名词，它还为一种全新的架构提供支持，在这个架构中大量相同的内核被排列在一个矩阵内，并且通过高带宽互联相互连接。Bautista表示：“在我们进行模拟实验的时候，我们为关键应用配置了上千个内核。”

高内核密度仅仅是TRC项目的一个方面：此外该架构还采用了一种嵌入式5端口的信息路由器、能够降低整体能耗的能源管理功能以及3D堆栈内存。

英特尔将芯片架构的独立芯片与内存进行集成，大大降低了数据从处理器内核迁入或迁出所产生的延迟。现在的芯片架构中，CPU和内存的互连是存在的主要瓶颈之一，今年年底推出的QuickPath通用系统界面互连将有望解决这个问题，这项技术是基于即将推出的Nehalem和Tukwila处理器。

考虑到目前市场中的激烈竞争以及摩尔定律对性能的约束，像QuickPath这样的技术在处理器架构中的采用率即使到2020年也非常低。不过，像TRC项目中所做的研究工作对未来处理器设计将产生深远的影响——尤其是利用多核技术理念将CPU转变成集成了处理器内核、内存、缓存以及其他组件的集群。

囊括其他技术

研究人员还致力于对其他重要服务器组件的传统设计进行改造。最近意法与英特尔成立的Numonyx合资公司推出了一款PCM存储芯片。相比其他芯片，PCM芯片的性能有大幅提高，而且价格不高，在许多应用中可以取代传统的闪存。

数年前由澳大利亚厂商Platypus Technology推出的固态盘技术也成为取代硬盘技术的最佳选择。最近Apple、戴尔和其他一些厂商生产的笔记本电脑中都开始采用固态盘，这也使得固态盘技术再次步入主流。

一些服务器用户已经将固态盘作为缓存的一种升级形式，不过过高的成本阻碍了它的普及。不过，未来如果固态盘技术的成本降低、可靠性提高（尤其是有很多报告成基于固态盘的笔记本电脑存在严重的可靠性问题），固态盘将真正成为一项主流技术。

不过硬盘技术不太可能被轻易取代，因为相比其他存储技术硬盘具有较高的性价比，硬盘制造商只可能在小小的磁盘上“挤出”更多的存储空间。

另外速度也是一个问题：现在15000转设计已经达到了机械设计的极限，未来固态盘技术的应用率将不断提高。在未来十几年中，固态盘将可能被作为临时存储介质，在异构存储管理（HSM）解决方案中作为保存最常读取信息的主存储介质。

光纤技术大放异彩

现在对服务器基础架构的研究主要集中在降低能耗、提供模块化、芯片设计的可扩展性以及消除长期存在的瓶颈——例如互连性和内存芯片延迟等。

虽然研究者认为可以利用丰富的资源来延长现有架构生命周期，但是未来的研究工作将把服务器设计推向一个全新的方向。

其中重要一项就是用光学线缆和光传输取代现有的连接电线。已经有很多厂商开始着手开发这种光学解决方案。今年三月IBM启动了名为Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communication的研究项目，取得了突破性进展。

还有一种类似的技术推动了光学技术的发展：用于连接数据中心SAN各部分的光纤通道技术，光纤通道不需要升级布线就从1Gb、2Gb、4Gb一路发展到8Gb。在服务器设计中采用这种技术不仅可以大大提高服务器性能，而且可以降低能耗，必将成为数据中心设计的基础设计。

考虑到目前原子层级的计算效率，未来我们还应该关注两个领域：纳米技术和量子物理。现在纳米技术已经成为很多行业的主要推动因素，未来还将被应用到创建由大量组件构成的计算系统和存储系统中。

随着制造工艺的不断改进，纳米技术将有可能为广泛应用于服务器光学互连的组成部分。

量子计算机的概念目前还处于理论阶段，最近扩展到对量子位的研究，这也表明量子计算正变得越来越重要，这项技术的性能将最终超越现有的系统。

去年11月，D-Wave Systems推出了一款28量子位量子计算机，并表示未来将继续把这种技术推广开来。如果他们能够成功的话，甚至是光学系统都将在数据中心中黯然失色。

多形态数据中心

在未来五年时间内，数据中心将配置名目繁多的组件，例如内存和处理器，这要求能够将这些组件实时安装到系统中以管理出现异常情况的工作负载，这种理念也被惠普公司称之为“多形态计算”。

惠普公司业务关键系统部门高级副总裁兼总经理Martin Fink表示，一家企业机构的计算需求每天都会发生变化。下一代数据中心将包含一个特殊的系统，能够根据解决某个特性问题的需求做出改变。这就好比买一辆法拉利来与女孩子约会，买一辆小型车去购物。

在多形态计算数据中心的一部分是CPU，一部分是通信架构、一部分是存储设备，以此类推。这些组成部分可以被实时组装起来用于解决某个问题，只采用解决过程中所的计算资源。

Fink认为这种功能将在未来五年内提供给用户，现在他们在美国和英国的研究小组已经开发着手这项研发工作了。不过，在实现这个技术理念之前，需要克服两个障碍。

首先，为了让CPU和内存这样距离很远的组件协同工作，我们必须改进光学互连性。

第二个可能粉碎惠普多形态计算梦想的因素就是将各个部分连接到一起的软件。Fink称。惠普已经在这方面取得了突破性进展。

未来的数据中心

那么下一代数据中心会是什么样的？

除了从处理器内核向远程站点扩展的全光纤设计之外，数据中心还将采用不同类型的光纤网络交换机。硬盘驱动器将仍然存在，但不同的是密度更高，仅次于基于内存的存储设备。不间断的技术革新和工艺革新也将令数据中心产业走在摩尔定律所预测的趋势前端。

英特尔公司的Bautista表示：“制造工艺上总是有效果显著的技术革新，这也在我们目前正致力于的关键领域起到了帮助作用。这不仅产生一个更高性能的流程，而且能够更好地完成基础工作，让我们在更细化的关键领域深入探索。”