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未來的資料中心可能不僅僅是處理和儲存資訊。除了提供網頁服務、流媒體Netflix影片和託管社交網路外,資料中心還可能生產自己的電力。
資料中心消耗大量能源。在美國,根據《紐約時報》的一篇報道,2010年資料中心用電量為76吉瓦時(約佔該國能源使用量的2%)。因此,各公司正在尋找在保持可靠性的同時減少能源消耗和汙染的方法。
微軟的一個研究團隊正在研究如何將發電廠引入資料中心本身,以利用燃料電池技術提高效率和可靠性。
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微軟全球基礎服務部(負責管理該公司資料中心的部門)高階研究專案經理Sean James寫道:“我們正在採取一種非常規的方法,完全透過直接整合到伺服器機架中的燃料電池為資料中心供電。這會將發電廠帶入資料中心內部,有效消除能源供應鏈中通常發生的能源損失,並將傳統資料中心的效率提高一倍。”
資料中心通常從公用事業公司獲取電力(或在某些情況下由現場可再生能源發電提供)。如果電力是從電網購買的,則很可能是透過某種形式的燃燒產生的。首先,燃料被燃燒以旋轉渦輪機(直接在燃氣迴圈中或使用蒸汽)。然後,渦輪葉片旋轉發電機以產生電力,電力隨後透過電線傳輸和分配,直到到達資料中心。
熱力學定律告訴我們,預計在每個階段都會有損失,以至於發電廠產生的能量只有20%到達伺服器機架。每次能量改變形式時都會發生損失(例如,從燃料中的化學能變為蒸汽中的熱能,再變為旋轉渦輪葉片的機械能,等等)。
透過減少能量轉換的次數,James和他的團隊發現他們可以將效率提高一倍,達到40%。
燃料電池的工作原理是從燃料分子(如氫氣)中分離出質子和電子。膜只允許質子透過。電子尋找最容易的路徑,被引導透過外部電路,從而產生電力。
James和他的團隊已經確定了兩種燃料電池技術,固體氧化物和熔融碳酸鹽,作為資料中心供電的候選技術。兩者都可以重整甲烷等碳氫化合物(來自天然氣或沼氣),而無需昂貴的裝置來調節氣體以供使用。
燃料電池的放置位置和容量將取決於資料中心運營商的需求,但James設想將伺服器機架與燃料電池(具有幾千瓦的容量)結合使用。這種設計消除了資料中心中的配電系統,並用燃料網路取而代之,這也將任何燃料電池故障隔離到幾個伺服器機架,而不是整個伺服器群。然而,團隊面臨的挑戰是在可靠性、成本和效率之間找到平衡。
James透過電子郵件告訴Plugged In:“這是一個經典的戈爾迪洛克絲問題;不要太熱,不要太冷,伺服器數量不要太多,以免在燃料電池故障期間造成更大的風險,但也不要太小,導致小型燃料電池成本過高。可以想象,燃料電池可以整合到伺服器中,以實現更高的應用可用性和更高的效率,或者整合到更大的系統中,為一組機架供電。”
主要挑戰將是燃料電池跟蹤資料中心負載曲線的能力。需求可能會在毫秒內飆升,而燃料電池的反應速度較慢,需要幾秒鐘才能調整。就像電網運營商必須在任何給定時間平衡發電量與需求一樣,資料中心也需要根據伺服器負載來管理發電量。
“燃料電池必須有時間在正負負載階躍後調整氣體體積和內部核心熱量。雖然相對於其他大型負載設施,資料中心具有相當一致的負載曲線,但隨著應用程式響應使用者需求,伺服器機架級別的負載變化更加動態。然而,最大幅度的瞬變預計來自伺服器電源迴圈。”
由燃料電池供電的全面資料中心仍然需要幾年時間才能實現。然而,隨著全球各地的資料中心託管越來越多的服務和資訊,設計清潔可靠的供電方式仍將是一個重要的重點。