DC数据中心：实现可持续发展和节约的必要范式转变
直流电源提供了更精简，更强大的数据中心系统架构，通过熟练的计划，这些架构还可以降低系统总成本。但是首先，我们必须进行范式转变。 直流数据中心
大量未使用的电力只会在数据中心消失，而将其浪费在繁琐，连续且最终不必要的转换和转换过程中。但是，将有效的交流电（AC）电源切换为直流电（DC），这将有效消除这些损耗中的很大一部分，这将需要进行大规模的范式转换。
全球数字化趋势正在推动对数据存储的需求，并推动数据中心设备的大规模制造和新数据中心的普及。（照片由imgix在Unsplash上拍摄。）
但是，将数据中心架构切换为直流电源所带来的节能优势远远超出了生态可持续性。直流电源提供了更精简，功能更强大的数据中心系统架构，通过熟练的规划，这些架构还可以降低系统总成本以及投资于安装和维护的时间和精力。因此，忍受现状转变带来的不断增长的痛苦将是一项值得的努力。
如果交流效率不高，为什么要规范？
任何提及一次电压电力的事实几乎都肯定是指交流电，但这并不意味着总是如此。在19月底的电流战争时期日世纪，AC主张尼古拉特斯拉和乔治·威斯汀豪斯进站自己对托马斯·阿尔瓦·爱迪生，谁做对直流（DC）强大的情况下，在世界上第一个正式的格式大战。我们现在知道故事的结局，但是当时的结果还不太清楚。
直流电：非标准，但不存在
值得庆幸的是，爱迪生（Edison）在争取标准化的一次电压电力方面的失败并没有终结直流电。实际上，在数字时代，有很多由直流供电的电子产品，包括娱乐设备，工业IT设备，通信技术，电动汽车等等。在能源供应链的生成端，技术正在迅速发展，以模仿产生直流电的替代能源设备（例如光伏，燃料电池和风力涡轮机）中的交流一次电源链。还有一个重要的例外，那就是交流电作为输电标准的普遍使用：高压直流电（HVDC）输电系统，可实现长距离低功耗的大功率输电。
因此，尽管在100多年前就输掉了关于标准化的斗争，但如今在电力供应链的至少一个环节中，越来越多的直流电以DC形式供应，其中包括能源生产，传输和存储设备以及，在远端，受电设备。尽管出于某些技术原因，可能需要将DC转换为AC以降低电压，但由于为支持标准化AC电源而建立的现有基础设施的普及，在许多情况下仍在很大程度上使用AC电压和频率。但是，这些转换始终会导致相当大的功率损耗和能量浪费，并且始终会产生不必要的热量，这也会对电子系统产生负面影响，并且可以通过将电源系统切换为DC来轻松避免。
耗能大数据中心
根据英国2016年的独立报告，数据中心消耗了全球约3％的电力，占温室气体总排放量的2％，考虑到当前存在的电子系统和设备的巨大范围，这是非常重要的。实际上，数据中心的全球生态足迹大致等于航空业的生态足迹，而航空业经常因其对环境的影响而之以鼻。在过去的几年中，全球数据中心每年平均消耗416.2太瓦小时（TWh）的电量，而整个英国拥有超过6600万人的居住地，并始终名列世界十大地区到国内生产总值（GDP）的平均年均消耗量约为300TWh。所以，
通常用于评估数据中心效率的度量标准（电源使用效率（PUE）值）将数据中心能耗的总量与其计算机消耗的能耗进行比较。例如，PUE值为1.3意味着30％的能量消耗是作为热量而不是被利用了。这听起来可能很多，但实际上它被认为是出色的PUE值。大约2或更高的值比例外更多是规则。
为什么会发生这些损失？
功率损耗发生在各处-处理器，冷却设备，分布式电源系统等等。传统的数据中心从中压交流线中汲取能量。该交流电压首先被降压并转换为直流电，以便为不间断电源（UPS）系统中的电池供电，该系统为数据中心提供足够的存储功率，以在发生严重功率时至少在一定范围内支持连续运行中断。然后，该电压被转换回交流电，并提供给数据中心的配电单元（PDU），该配电单元为单独的服务器电源供电，然后再转换回直流以为服务器本身供电，而直流电则由直流供电。在许多转换中的每一个转换期间，能量都以热损失的形式耗散。
DC数据中心方法
由于每次从AC到DC的转换都会导致功率损耗和热量的产生，并且数据中心服务器已经无法使用DC电源，因此为数据中心提供DC电源并在整个电源链中尽可能连续地继续使用它是很有意义的。为了通过使用尽可能多的现有基础设施来进行此更改，将使用大功率整流器将输入的中压AC向下转换并转换为DC。然后，直流电源将为UPS提供电池，然后再转移到直流开关设备，以进一步分配给新的直流服务器电源，最后再分配给已经使用直流电源电压的服务器。甚至更有效的模型也可以将传统的交流电网电源换成替代能源系统产生的直接直流电源。
典型的AC数据中心体系结构（顶部）与典型的DC数据中心体系结构（底部）。DC体系结构使用的组件少得多，这在本质上提高了效率和可靠性，同时最大限度地减少了物理空间需求，并且还允许直接集成可再生能源，而无需进行转换。
DC数据中心的优势
数据中心电源架构的直流方法所使用的组件比目前的交流方法少得多。更少的组件花费更少的时间来安装和维护，减少潜在的错误，提高系统可靠性并降低安装和维护成本，这也使DC方法成为一种经济高效的解决方案。根据日本电报电话公司（NTT）进行的一项研究，仅由于数据中心系统的复杂度较低，其可靠性有望提高十倍。此外，根据ABB，Amstein + Walthert和Stulz等公司的计算和研究，消除了各种电源转换和转换后，服务器到服务器的效率提高了10％，基础设施投资成本降低了约15％，
DC数据中心架构还可以改善电源质量。由于电池直接连接到直流电源，因此它们消除了不必要的谐波和谐波失真以及相位补偿，同步（用于耦合各种电源和网络），甚至整流器和逆变器的问题。
此外，由于人口稠密的土地成本较高，数据中心几乎完全位于农村地区，因此集成可再生能源（例如光伏，燃料电池或风力涡轮机）要容易得多，尤其是因为它们已经作为电力供应了。直流电。
标准品
中国，日本，美国，德国和瑞士已经有一些DC数据中心。但是，尚无任何约束性标准可遵循。根据TS 62735，国际电工委员会（IEC）已着手用标准的插头和插座设备创建缺失的链路。自2015年8月起采用了适用于2.6kW以下配电系统的IEC TS 62735-1标准，而IEC TS 62735已被采用-2，用于功率高达5.2kW且在负载下无法再分离的配电系统，于2016年12月获得批准。
下一步是批准设备端等效项。直流连接器的几种不同方法已投放市场，但由于当前缺乏标准，因此没有一种方法能占上风。因此，各种提供商正在与IEC的标准化机构合作，以基于先前的AC标准IEC 60320创建国际认可的DC插头连接标准。
数据中心电压源的全球转换将是一个渐进的过程，以防止所有受电设备都需要一次从交流电转换为直流电。但是，正在积极寻求支持这种巨变的解决方案，包括可以为数据中心设备提供交流和直流电源的设备。这些设备的电源设备可以处理两个电源电压，但是国际有效的解决方案还必须确保考虑到所有与安全相关的预防措施。
SCHURTER发布了首个UL认可的IEC TS 62735-1连接器系统，GS21插座和GP21可重接线插头，其设计旨在实现标准化的全球数据中心直流配电方法。IP20连接器系统的额定电压最高为400VDC，8.8A，工作温度范围为-5°C至105°C。它还支持热插拔，并且可以在高达2.6kW的负载下安全断开连接。
DC的缺点？
有光的地方也有阴影。此通用准则也适用于DC数据中心。与流行的交流系统架构相比，直流数据中心架构仍然相对较少。因此，缺乏有关其长期绩效和效益的数据。DC组件的可用性还处于起步阶段，这些组件不仅需要标准化，而且还需要一种新的系统方法来处理DC电源，并具有从网格到芯片的整体规划。例如，由于损耗发生在每个电力系统中，因此直流数据中心仍然会遭受热量损耗之类的损耗，因此，还需要具有直流电源的冷却系统。他们还将需要直流空调系统，消防系统，访问控制系统和建筑物控制系统等。
所有制造商，供应商，工程师，设计师，标准组织，运营商和电源供应链其他成员之间的大规模市场合作对于有效实现这一大规模范式转变并共享DC数据的许多好处将是必要的中心系统架构。
外表
基于直流电源的数据中心具有巨大的潜力。收益包括可观的能源节约，以及可观的运营和基础设施成本，物理空间要求以及安装和维护所需时间的显着节省。由于它们使用的组件更少，因此它们还具有更高的可靠性能。DC数据中心还具有直接利用可再生能源的DC电源而无需进行额外转换或转换过程的能力，这将进一步提高效率，总体系统成本和可持续性。最后，直流电源的质量无疑比交流质量好。
【摘自Bishop杂志，作者：Jonas Bachmann，November 19, 2019】
大量未使用的电力只会在数据中心消失，而将其浪费在繁琐，连续且最终不必要的转换和转换过程中。但是，将有效的交流电（AC）电源切换为直流电（DC），这将有效消除这些损耗中的很大一部分，这将需要进行大规模的范式转换。
全球数字化趋势正在推动对数据存储的需求，并推动数据中心设备的大规模制造和新数据中心的普及。（照片由imgix在Unsplash上拍摄。）
但是，将数据中心架构切换为直流电源所带来的节能优势远远超出了生态可持续性。直流电源提供了更精简，功能更强大的数据中心系统架构，通过熟练的规划，这些架构还可以降低系统总成本以及投资于安装和维护的时间和精力。因此，忍受现状转变带来的不断增长的痛苦将是一项值得的努力。
如果交流效率不高，为什么要规范？
任何提及一次电压电力的事实几乎都肯定是指交流电，但这并不意味着总是如此。在19月底的电流战争时期日世纪，AC主张尼古拉特斯拉和乔治·威斯汀豪斯进站自己对托马斯·阿尔瓦·爱迪生，谁做对直流（DC）强大的情况下，在世界上第一个正式的格式大战。我们现在知道故事的结局，但是当时的结果还不太清楚。
直流电：非标准，但不存在
值得庆幸的是，爱迪生（Edison）在争取标准化的一次电压电力方面的失败并没有终结直流电。实际上，在数字时代，有很多由直流供电的电子产品，包括娱乐设备，工业IT设备，通信技术，电动汽车等等。在能源供应链的生成端，技术正在迅速发展，以模仿产生直流电的替代能源设备（例如光伏，燃料电池和风力涡轮机）中的交流一次电源链。还有一个重要的例外，那就是交流电作为输电标准的普遍使用：高压直流电（HVDC）输电系统，可实现长距离低功耗的大功率输电。
因此，尽管在100多年前就输掉了关于标准化的斗争，但如今在电力供应链的至少一个环节中，越来越多的直流电以DC形式供应，其中包括能源生产，传输和存储设备以及，在远端，受电设备。尽管出于某些技术原因，可能需要将DC转换为AC以降低电压，但由于为支持标准化AC电源而建立的现有基础设施的普及，在许多情况下仍在很大程度上使用AC电压和频率。但是，这些转换始终会导致相当大的功率损耗和能量浪费，并且始终会产生不必要的热量，这也会对电子系统产生负面影响，并且可以通过将电源系统切换为DC来轻松避免。
耗能大数据中心
根据英国2016年的独立报告，数据中心消耗了全球约3％的电力，占温室气体总排放量的2％，考虑到当前存在的电子系统和设备的巨大范围，这是非常重要的。实际上，数据中心的全球生态足迹大致等于航空业的生态足迹，而航空业经常因其对环境的影响而之以鼻。在过去的几年中，全球数据中心每年平均消耗416.2太瓦小时（TWh）的电量，而整个英国拥有超过6600万人的居住地，并始终名列世界十大地区到国内生产总值（GDP）的平均年均消耗量约为300TWh。所以，
通常用于评估数据中心效率的度量标准（电源使用效率（PUE）值）将数据中心能耗的总量与其计算机消耗的能耗进行比较。例如，PUE值为1.3意味着30％的能量消耗是作为热量而不是被利用了。这听起来可能很多，但实际上它被认为是出色的PUE值。大约2或更高的值比例外更多是规则。
为什么会发生这些损失？
功率损耗发生在各处-处理器，冷却设备，分布式电源系统等等。传统的数据中心从中压交流线中汲取能量。该交流电压首先被降压并转换为直流电，以便为不间断电源（UPS）系统中的电池供电，该系统为数据中心提供足够的存储功率，以在发生严重功率时至少在一定范围内支持连续运行中断。然后，该电压被转换回交流电，并提供给数据中心的配电单元（PDU），该配电单元为单独的服务器电源供电，然后再转换回直流以为服务器本身供电，而直流电则由直流供电。在许多转换中的每一个转换期间，能量都以热损失的形式耗散。
DC数据中心方法
由于每次从AC到DC的转换都会导致功率损耗和热量的产生，并且数据中心服务器已经无法使用DC电源，因此为数据中心提供DC电源并在整个电源链中尽可能连续地继续使用它是很有意义的。为了通过使用尽可能多的现有基础设施来进行此更改，将使用大功率整流器将输入的中压AC向下转换并转换为DC。然后，直流电源将为UPS提供电池，然后再转移到直流开关设备，以进一步分配给新的直流服务器电源，最后再分配给已经使用直流电源电压的服务器。甚至更有效的模型也可以将传统的交流电网电源换成替代能源系统产生的直接直流电源。
典型的AC数据中心体系结构（顶部）与典型的DC数据中心体系结构（底部）。DC体系结构使用的组件少得多，这在本质上提高了效率和可靠性，同时最大限度地减少了物理空间需求，并且还允许直接集成可再生能源，而无需进行转换。
DC数据中心的优势
数据中心电源架构的直流方法所使用的组件比目前的交流方法少得多。更少的组件花费更少的时间来安装和维护，减少潜在的错误，提高系统可靠性并降低安装和维护成本，这也使DC方法成为一种经济高效的解决方案。根据日本电报电话公司（NTT）进行的一项研究，仅由于数据中心系统的复杂度较低，其可靠性有望提高十倍。此外，根据ABB，Amstein + Walthert和Stulz等公司的计算和研究，消除了各种电源转换和转换后，服务器到服务器的效率提高了10％，基础设施投资成本降低了约15％，
DC数据中心架构还可以改善电源质量。由于电池直接连接到直流电源，因此它们消除了不必要的谐波和谐波失真以及相位补偿，同步（用于耦合各种电源和网络），甚至整流器和逆变器的问题。
此外，由于人口稠密的土地成本较高，数据中心几乎完全位于农村地区，因此集成可再生能源（例如光伏，燃料电池或风力涡轮机）要容易得多，尤其是因为它们已经作为电力供应了。直流电。
标准品
中国，日本，美国，德国和瑞士已经有一些DC数据中心。但是，尚无任何约束性标准可遵循。根据TS 62735，国际电工委员会（IEC）已着手用标准的插头和插座设备创建缺失的链路。自2015年8月起采用了适用于2.6kW以下配电系统的IEC TS 62735-1标准，而IEC TS 62735已被采用-2，用于功率高达5.2kW且在负载下无法再分离的配电系统，于2016年12月获得批准。
下一步是批准设备端等效项。直流连接器的几种不同方法已投放市场，但由于当前缺乏标准，因此没有一种方法能占上风。因此，各种提供商正在与IEC的标准化机构合作，以基于先前的AC标准IEC 60320创建国际认可的DC插头连接标准。
数据中心电压源的全球转换将是一个渐进的过程，以防止所有受电设备都需要一次从交流电转换为直流电。但是，正在积极寻求支持这种巨变的解决方案，包括可以为数据中心设备提供交流和直流电源的设备。这些设备的电源设备可以处理两个电源电压，但是国际有效的解决方案还必须确保考虑到所有与安全相关的预防措施。
SCHURTER发布了首个UL认可的IEC TS 62735-1连接器系统，GS21插座和GP21可重接线插头，其设计旨在实现标准化的全球数据中心直流配电方法。IP20连接器系统的额定电压最高为400VDC，8.8A，工作温度范围为-5°C至105°C。它还支持热插拔，并且可以在高达2.6kW的负载下安全断开连接。
DC的缺点？
有光的地方也有阴影。此通用准则也适用于DC数据中心。与流行的交流系统架构相比，直流数据中心架构仍然相对较少。因此，缺乏有关其长期绩效和效益的数据。DC组件的可用性还处于起步阶段，这些组件不仅需要标准化，而且还需要一种新的系统方法来处理DC电源，并具有从网格到芯片的整体规划。例如，由于损耗发生在每个电力系统中，因此直流数据中心仍然会遭受热量损耗之类的损耗，因此，还需要具有直流电源的冷却系统。他们还将需要直流空调系统，消防系统，访问控制系统和建筑物控制系统等。
所有制造商，供应商，工程师，设计师，标准组织，运营商和电源供应链其他成员之间的大规模市场合作对于有效实现这一大规模范式转变并共享DC数据的许多好处将是必要的中心系统架构。
外表
基于直流电源的数据中心具有巨大的潜力。收益包括可观的能源节约，以及可观的运营和基础设施成本，物理空间要求以及安装和维护所需时间的显着节省。由于它们使用的组件更少，因此它们还具有更高的可靠性能。DC数据中心还具有直接利用可再生能源的DC电源而无需进行额外转换或转换过程的能力，这将进一步提高效率，总体系统成本和可持续性。最后，直流电源的质量无疑比交流质量好。
【摘自Bishop杂志，作者：Jonas Bachmann，November 19, 2019】
