1 引言
5G技術(shù)的發(fā)展開啟了萬物互聯(lián)的時(shí)代。根據(jù)ITU-R的定義，5G技術(shù)具有超高帶寬、超低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)能力全連接覆蓋等特性，5G在未來將帶動(dòng)增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）、高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）三大場景的發(fā)展。這三大場景覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)、高清視頻、AR/VR、工業(yè)制造、可穿戴設(shè)備等萬物互聯(lián)應(yīng)用技術(shù)的方方面面。這些新興技術(shù)都對(duì)高吞吐量以及低時(shí)延有著較高的要求，而原有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的時(shí)延有時(shí)長達(dá)100 ms[1]，顯然已經(jīng)不能滿足需要，于是更靠近用戶、滿足低時(shí)延要求的邊緣數(shù)據(jù)中心應(yīng)運(yùn)而生。
邊緣數(shù)據(jù)中心在靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣提供基礎(chǔ)設(shè)施資源，支持邊緣計(jì)算對(duì)本地化、實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、執(zhí)行以及反饋，從而對(duì)云計(jì)算能力進(jìn)行補(bǔ)充。借助邊緣計(jì)算，數(shù)據(jù)可以在邊緣數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理，從而節(jié)省到傳統(tǒng)集中式數(shù)據(jù)中心的通信等待時(shí)間[1]。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心相比，邊緣數(shù)據(jù)中心在分類、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、發(fā)展方向?qū)⒊尸F(xiàn)怎樣的特點(diǎn)? 本文將著重探討這部分內(nèi)容。
2 邊緣數(shù)據(jù)中心的分類思路
目前，對(duì)于邊緣數(shù)據(jù)中心分類方法尚未定論。對(duì)于邊緣數(shù)據(jù)中心的分類，不能單純采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心按照機(jī)架規(guī)模來進(jìn)行分類的思路，可以通過IT容量規(guī)模、場景、下沉位置等維度進(jìn)行分類。
電力的規(guī)劃和接入是邊緣數(shù)據(jù)中心需要考慮的一個(gè)重要方面，所以通過IT容量規(guī)模來確定邊緣數(shù)據(jù)中心的分類是一個(gè)較為合理的思路。結(jié)合國外部署經(jīng)驗(yàn)來看，邊緣數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備容量一般不超過2 MW，可以依據(jù)其規(guī)模對(duì)邊緣數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分類：微型邊緣數(shù)據(jù)中心，IT容量在600 kW以下；小型邊緣數(shù)據(jù)中心，IT容量在600 kW~1000 kW之間；中型邊緣數(shù)據(jù)中心，IT容量在1000 kW ~2000 kW之間?？紤]到空間等因素，邊緣數(shù)據(jù)中心機(jī)架應(yīng)為高密度機(jī)架，單機(jī)架負(fù)載容量推薦使用范圍為6 kW~20 kW。
應(yīng)用場景多樣是邊緣數(shù)據(jù)中心的一個(gè)特點(diǎn)，從應(yīng)用場景入手對(duì)邊緣數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分類也是一個(gè)比較科學(xué)的思路?？梢园凑?qǐng)鼍胺譃樯a(chǎn)互聯(lián)網(wǎng)型邊緣數(shù)據(jù)中心以及消費(fèi)服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)型邊緣數(shù)據(jù)中心。其中，生產(chǎn)互聯(lián)網(wǎng)型邊緣數(shù)據(jù)中心對(duì)應(yīng)第一、第二產(chǎn)業(yè)，場景包括但不局限于工業(yè)制造、能源、農(nóng)業(yè)等；消費(fèi)服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)型邊緣數(shù)據(jù)中心對(duì)應(yīng)第三產(chǎn)業(yè)，場景包括但不局限于AR/VR、視頻、游戲、金融、教育、家居、城市、醫(yī)療等。
邊緣數(shù)據(jù)中心下沉的位置不盡相同，也可以作為邊緣數(shù)據(jù)中心分類的一個(gè)較好的思路。對(duì)于邊緣數(shù)據(jù)中心的邊界，目前業(yè)界所談?wù)摰摹斑吘墧?shù)據(jù)中心”是一種相對(duì)廣義的概念。細(xì)分來看，邊緣數(shù)據(jù)中心可以分為靠近端的邊緣以及靠近云的邊緣兩種。其中，近端邊緣數(shù)據(jù)中心基本距離用戶數(shù)米到數(shù)千米，可以下沉到5G基站層面，甚至可以下沉到用戶“身邊”，近端邊緣數(shù)據(jù)中心的形態(tài)可以為一體柜設(shè)備形態(tài)；近云邊緣數(shù)據(jù)中心距離用戶十幾千米，下沉到接入網(wǎng)層面，近云邊緣數(shù)據(jù)中心在形態(tài)上與傳統(tǒng)小型的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心做好分類的界定，具體參見表1。
表1 3種邊緣數(shù)據(jù)中心分類方式
3 邊緣數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計(jì)分析
3.1 邊緣數(shù)據(jù)中心規(guī)劃
在選址方面，邊緣數(shù)據(jù)中心將呈現(xiàn)靠近用戶、物理分散、邏輯統(tǒng)一的特點(diǎn)。邊緣數(shù)據(jù)中心的選址將很大程度上由其所承載的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求來決定，通常邊緣數(shù)據(jù)中心服務(wù)的場景時(shí)延都在毫秒級(jí)，由于更靠近用戶，邊緣數(shù)據(jù)中心的選址可能選取的位置有：路邊的公用設(shè)施附近、5G基站、普通建筑內(nèi)部、工廠內(nèi)（以支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）、居民社區(qū)、廢棄鍋爐房等，同時(shí)這些選址位置仍然需要參考傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的條件，如氣候條件、安全性因素等。邊緣數(shù)據(jù)中心選址時(shí)也要站在整體邏輯的高度進(jìn)行考慮。邊緣數(shù)據(jù)中心由于應(yīng)用場景多樣、靠近用戶等原因，屬于物理位置高度分散的情況，而多個(gè)物理分散的邊緣數(shù)據(jù)中心可以互聯(lián)集成，在邏輯上統(tǒng)一。例如，美國知名邊緣數(shù)據(jù)中心企業(yè)VaporIO在部署邊緣數(shù)據(jù)中心時(shí)采用了地理分散而邏輯關(guān)聯(lián)的方式，城市中的邊緣數(shù)據(jù)中心整體以環(huán)形排列，間隔約為10 km ~20 km，這些邊緣數(shù)據(jù)中心通過高速光纖網(wǎng)絡(luò)連接在一起，實(shí)現(xiàn)了整體邏輯關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了負(fù)載平衡、容量彈性和工作負(fù)載遷移等功能。
在建筑類型方面，邊緣數(shù)據(jù)中心將呈現(xiàn)機(jī)房形態(tài)和設(shè)備形態(tài)。機(jī)房形態(tài)的邊緣數(shù)據(jù)中心類似于小型的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，具有供配電、暖通等系統(tǒng)。設(shè)備形態(tài)的邊緣數(shù)據(jù)中心主要指一體柜等，一般是預(yù)制化、標(biāo)準(zhǔn)化的即插即用一體柜，這種一體柜可以放置在普通建筑物內(nèi)，或者放置在路邊公用設(shè)施附近。另外，也有國外學(xué)者研究提出了“ 游牧數(shù)據(jù)中心（Nomadic Data Centers）”的概念[2]，即一種可移動(dòng)的小型、便攜式邊緣數(shù)據(jù)中心，也屬于設(shè)備形態(tài)的一種。
在建設(shè)方式及周期方面，邊緣數(shù)據(jù)中心將以改造為主，建設(shè)周期較短。由于未來更多新興業(yè)務(wù)的快速上線，邊緣數(shù)據(jù)中心應(yīng)基于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施改造，如利用廢舊工廠、鍋爐房、地下室等進(jìn)行改造，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品化等使得微模塊產(chǎn)品等將成為邊緣數(shù)據(jù)中心快速上線的法寶，建設(shè)周期可以縮短到數(shù)月，甚至數(shù)周。而對(duì)比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)方式，一般包含了選址、土地水電資源對(duì)接、評(píng)審立項(xiàng)、土建、配套設(shè)施安裝、項(xiàng)目驗(yàn)收等步驟，一般建設(shè)周期較長，通常需要1~2年，邊緣數(shù)據(jù)中心建設(shè)周期更短，上線更快。
在規(guī)模方面，邊緣數(shù)據(jù)中心規(guī)模較小，基本規(guī)模將以百為單位。結(jié)合國內(nèi)外邊緣數(shù)據(jù)中心部署的實(shí)際情況，考慮到空間等因素，邊緣數(shù)據(jù)中心一般規(guī)模不大，同時(shí)采用高密度機(jī)架，單個(gè)邊緣數(shù)據(jù)中心的機(jī)架規(guī)模一般在以百為單位。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心一般都具有一定的規(guī)模性，根據(jù)工業(yè)和信息化部等國家五部委于2013年發(fā)布的《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》，國內(nèi)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心根據(jù)規(guī)模分為超大型數(shù)據(jù)中心、大型數(shù)據(jù)中心、中小型數(shù)據(jù)中心3種類型，其中超大型數(shù)據(jù)中心是指以功率2.5 kW為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，規(guī)模在1萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架以上的數(shù)據(jù)中心，大型數(shù)據(jù)中心為規(guī)模大于等于3000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架小于1萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架的數(shù)據(jù)中心，其余的規(guī)模為中小型數(shù)據(jù)中心。
3.2 邊緣數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)
邊緣數(shù)據(jù)中心在供配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路基本的原則為簡化和去冗余。在供配電系統(tǒng)方面，對(duì)于邊緣數(shù)據(jù)中心，由于規(guī)模較小且部署靈活，電力接入可能會(huì)考慮利用現(xiàn)有的電力基礎(chǔ)設(shè)施，直接380 V/220 V接入，同時(shí)為了達(dá)到保障實(shí)際可用性的要求，機(jī)架式鋰電池等備用電源可能將發(fā)揮較大作用，為之可用性提供保障[3]。由于部署位置靠近用戶，受到空間、噪音或污染的限制，備用柴油發(fā)電機(jī)可能不再配備。
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的配電基本由10 kV外電輸入后經(jīng)過中壓配電、變壓器、低壓配電以及HVDC/UPS接入精密列頭柜為IT設(shè)備提供電力，供配電系統(tǒng)一般設(shè)置N+1、2N等冗余，同時(shí)也配備柴油發(fā)電機(jī)組確保數(shù)據(jù)中心的設(shè)備得到不間斷的供電，這些在邊緣數(shù)據(jù)中心中都將被簡化。在制冷系統(tǒng)方面，對(duì)于邊緣數(shù)據(jù)中心，制冷設(shè)備可能會(huì)因數(shù)據(jù)中心的規(guī)?；蛘呶恢檬芟拗疲圆糠謾C(jī)械制冷+自然冷卻相結(jié)合、液冷技術(shù)、耐高溫服務(wù)器等將是未來邊緣數(shù)據(jù)中心考慮的方向。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中，IT設(shè)備持續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生熱量，需要大型制冷系統(tǒng)來保證環(huán)境的穩(wěn)定，如風(fēng)冷、水冷等系統(tǒng)，同時(shí)基于穩(wěn)定性的考慮一般也會(huì)設(shè)置冗余。
邊緣數(shù)據(jù)中心在安防系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)思路基本的原則為：無人化安防和更耐極端環(huán)境考驗(yàn)。在安防系統(tǒng)方面，邊緣數(shù)據(jù)中心將多采用無人值守以及自動(dòng)化遠(yuǎn)程管理的方式，所以對(duì)于邊緣數(shù)據(jù)中心安全的保護(hù)難度加大，安防系統(tǒng)的等級(jí)要求也會(huì)更高。同時(shí)，邊緣數(shù)據(jù)中心地處位置比較復(fù)雜、良莠不齊，對(duì)于風(fēng)沙、高溫或者化學(xué)工廠高酸堿性腐蝕等極端特殊環(huán)境，需要配備相應(yīng)的物理防御保護(hù)裝置。綜上，邊緣數(shù)據(jù)中心對(duì)比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心在規(guī)劃、設(shè)計(jì)方面都呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，具體參見表2。
表2 邊緣數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心在規(guī)劃與設(shè)計(jì)方面的對(duì)比
4 邊緣數(shù)據(jù)中心的發(fā)展方向
未來應(yīng)用的迅速發(fā)展，要求邊緣數(shù)據(jù)中心可以快速部署，模塊化、預(yù)制產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化將可能成為邊緣數(shù)據(jù)中心的重要產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。
4.1 模塊化
模塊化部署是邊緣數(shù)據(jù)中心發(fā)展的重要方向。目前，國外的一些邊緣數(shù)據(jù)中心企業(yè)如Vapor IO、EdgeMicro、BaseLayer等都采用了模塊化部署數(shù)據(jù)中心的方式。Vapor IO的邊緣數(shù)據(jù)中心大多采取集裝箱式容器的形式，在內(nèi)部部署了高密度IT機(jī)架，可以支持高達(dá)150 kW的電力容量；EdgeMicro公司在塔樓等地點(diǎn)部署數(shù)百個(gè)模塊化數(shù)據(jù)中心，靈活提供邊緣算力所需的機(jī)架規(guī)模；BaseLayer公司的邊緣數(shù)據(jù)中心通過模塊化的方式僅需120天左右就可以在任何地域?qū)崿F(xiàn)快速部署。模塊化部署的思路不止適用于機(jī)架，更可以衍生到供配電、制冷等子系統(tǒng)上。特別是模塊化配電，開放數(shù)據(jù)中心委員會(huì)（ODCC）在2020年年初發(fā)布了巴拿馬電源的成果，正是對(duì)于供配電系統(tǒng)走向收容集成的標(biāo)準(zhǔn)化模塊部署的一項(xiàng)突破。
4.2 預(yù)制產(chǎn)品化
預(yù)制產(chǎn)品化將是邊緣數(shù)據(jù)中心發(fā)展的另一個(gè)重要方向。針對(duì)近端和近云的位置分別對(duì)應(yīng)不同類型的預(yù)制產(chǎn)品。近端的邊緣數(shù)據(jù)中心通?？梢圆捎靡惑w柜產(chǎn)品的形式進(jìn)行部署。這種一體柜可采用24U或42U的規(guī)格，可容納多臺(tái)服務(wù)器，占地面積很小。一體柜產(chǎn)品預(yù)制完成后，客戶根據(jù)需要進(jìn)行采購以及部署，可以快速交付，現(xiàn)場插電即可使用，適合應(yīng)用于靠近用戶的應(yīng)用場景，如車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、視頻監(jiān)控等。目前的邊緣數(shù)據(jù)中心通常都是靜態(tài)的，隨著技術(shù)的發(fā)展，近端的邊緣數(shù)據(jù)中心未來可能會(huì)衍生出動(dòng)態(tài)形態(tài)。Nawab F、Agrawal D、El Abbadi A提出了“ 游牧數(shù)據(jù)中心（Nomadic Data Centers）”的概念[2]，這是一種可移動(dòng)的小型、便攜式邊緣數(shù)據(jù)中心，內(nèi)置供配電、制冷、滅火系統(tǒng)以及一定的冗余，這種邊緣數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品可以隨時(shí)移動(dòng)以適應(yīng)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)需求。近云的邊緣數(shù)據(jù)中心可以采用微模塊產(chǎn)品的形式進(jìn)行部署。微模塊產(chǎn)品是由一排或兩排機(jī)架通過封閉通道形成的小型機(jī)架集群。機(jī)架集群由UPS（或配電柜）、近端制冷設(shè)備、監(jiān)控、IT設(shè)備等組成，可具有獨(dú)立的供配電、制冷、監(jiān)控、布線、安防等系統(tǒng)。通過封閉機(jī)架集群的冷或熱通道,形成與大機(jī)房或其他集群相對(duì)隔離的物理環(huán)境。微模塊產(chǎn)品的規(guī)模靈活、預(yù)制化以及快速上線等特性,非常適用于邊緣數(shù)據(jù)中心的部署以及使用。
4.3 標(biāo)準(zhǔn)化
預(yù)制產(chǎn)品化勢必帶來標(biāo)準(zhǔn)化，邊緣數(shù)據(jù)中心將走上標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)配電制冷、標(biāo)準(zhǔn)測試評(píng)估等標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展之路。以測試評(píng)估為例，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的驗(yàn)收測試都在建設(shè)、安裝各項(xiàng)子系統(tǒng)完成之后，對(duì)于PUE、安全性、可用性等測試和評(píng)估也在數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間之后進(jìn)行。而標(biāo)準(zhǔn)化的思路在于，把這些評(píng)估測試項(xiàng)目對(duì)應(yīng)為邊緣數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品的出廠指標(biāo)或者參數(shù)，相當(dāng)于把邊緣數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品的驗(yàn)收、PUE、安全性、可用性等測試評(píng)估放在安裝和運(yùn)行之前。用戶可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求，對(duì)應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行邊緣數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品的選型，然后快速上線，這既保證了效率又保證了服務(wù)的質(zhì)量。
5 結(jié)束語
邊緣數(shù)據(jù)中心還處于發(fā)展初期階段，目前有關(guān)邊緣數(shù)據(jù)中心的部署方式、基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)要求、運(yùn)維方式等業(yè)界尚未形成統(tǒng)一意見。同時(shí)，邊緣數(shù)據(jù)中心大多與工業(yè)、生活等聯(lián)系緊密，對(duì)應(yīng)場景眾多，加之需要考慮端—邊—云三者的協(xié)同問題，邊緣數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)需要考慮的因素非常復(fù)雜。
對(duì)于邊緣數(shù)據(jù)中心的研究，業(yè)界做了很多努力：開放數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)委員會(huì)成立邊緣計(jì)算工作組，致力于邊緣計(jì)算以及邊緣數(shù)據(jù)中心的研究，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）設(shè)立工業(yè)數(shù)據(jù)中心特設(shè)組，致力于工業(yè)應(yīng)用場景下邊緣數(shù)據(jù)中心的研究。希望通過業(yè)界的共同努力，加快推進(jìn)邊緣數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)程，為邊緣數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)提供依據(jù)，助力產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展。
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作者簡介
吳美希
中國信息通信研究院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所數(shù)據(jù)中心部高級(jí)業(yè)務(wù)主管，助理工程師，主要從事互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心和邊緣數(shù)據(jù)中心相關(guān)的政策支撐、產(chǎn)業(yè)咨詢、技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定等工作。
