Födelsen och utvecklingen av undervattensdatacenter

Få är medvetna om att konceptet med undervattensdatacenter uppstod under Microsofts 2014 ThinkWeek, en intern brainstormingsession. Det föreslogs av en anställd med erfarenhet av att använda marinens ubåtar. Microsoft genomförde inledande experiment och sänkte ett datacenter under vattnet i fem månader med lovande resultat.

Senast, 2018, skickade Microsoft en ubåt packad med 864-servrar och som kan lagra 27,6 petabyte data till botten av Orkneyöarna, nordost om Skottland. Två år senare, i juni 2020, tog Microsoft det iland för utvärdering. Resultaten visar att ubåtsdatacentret presterar bättre än traditionella datacenter i alla aspekter, och felfrekvensen i vatten är en åttondel av den på land.

Varför lägger Microsoft sitt datacenter under havet? Kan byggandet av ubåtsdatacenter efter pilotprojektet främjas i stor skala?

Svaret är enkelt: maximera de tillgängliga resurserna. Samtidigt löser det många brister i landdatacenter.

För det första är undervattensdatacenter säkrare och mer stabila: datacenter är känsliga och fyllda med mycket sofistikerade komponenter som kan skadas av temperaturförändringar, syrekorrosion och till och med kollisioner när skadade delar byts ut. Men i en vakuummiljö där temperaturen kan kontrolleras, syre och vattenånga kan extraheras och mänsklig störning kan isoleras, kommer säkerheten och stabiliteten i datacentret att förbättras avsevärt.

Under havet är utan tvekan en idealisk datakälla - inte bara isolerad från landets syre, vattenånga och sätta stopp för mänsklig inblandning.

För det andra, och det viktigaste, havsvattenkylda servrar har en unik fördel, och kylning är en stor kostnad för landbaserade datacenter. Enligt offentliga uppgifter används 41 % av den årliga elkostnaden för ett datacenter för kylning, och den årliga elförbrukningen för datacenter världen över står för cirka 2 % av världens totala el. Bland dem står kostnaden för energiförbrukningen för 30 % till 50 % av hela IT-branschen.

Varför är kylning så dyr? Faktum är att i landdatacenter finns det vanligtvis två sätt att kyla data, det ena är att använda mekanisk kylning, det vill säga att kyla servern med ett tungt luftkonditioneringssystem, men denna kylningsmetod behöver förbruka mycket elektricitet varje dag, och kostnaden har varit hög.

Den andra är att kyla servern genom luft- och vattenavdunstning. Denna naturligt begåvade metod är mycket lägre i kostnad än den förra, men den har också sina egna brister: färdigställandegraden och kylkvaliteten bestäms av den yttre lufttemperaturen och vattenförhållandena, och den mänskliga manövrerbarheten är för låg.

Havsvatten med högre värmekapacitet kan lagra överskottsvärme som genereras av datacentret: endast en värmeväxlare behövs för att överföra värmen från datacentret till det omgivande havsvattnet, så att säga, är en kombination av två traditionella metoder för kylning: stabil och fri användning av naturresurser.

För det tredje är befolkningstätheten vid kusten hög, dataöverföringen är snabb och molnberäkningseffektiviteten är högre: för att spara mark- och driftskostnader väljer traditionella datacenter vanligtvis glesbefolkade avlägsna områden, vilket direkt leder till för långsam dataöverföring och mycket försening. Subsea datacenter är olika:

Cirka 50 procent av världens befolkning bor inom 150 kilometer från en kustlinje. Att bygga datacentret under havet sparar kostnader och ligger nära bostadsområden, vilket slår två flugor i en smäll.

Dessutom finns det många andra fördelar:

Till exempel kan vi använda havets tidvattenenergi för att få kolneutral elektricitet i havet; Undervattensbandbredd kan anslutas genom pipelines för att påskynda dataöverföringen; Traditionell byråkrati kan kringgås när man bygger ett undervattensdatacenter: servrar kan byggas i vattentäta silos på löpande band och fraktas ut till havs med lastfartyg för utplacering. Som Microsoft säger kan dessa serverpods distribueras inom 90 dagar; medan radiella datacenter tar ett till två år att bygga.

Teoretiskt sett har ubåtsdatacenter många fördelar, så hur svårt är det att uppnå? -- Microsoft har det första svaret.

Faktum är att så tidigt som 2015 började Microsoft studera genomförbarheten av att bygga datacenter under vatten och sedan lanserade Project Natick.

I den första fasen av Natick-projektet, 2015, genomförde Microsofts forskargrupp ett 105-dagarsexperiment för att maximera läckageskyddet, vilket säkerställde att datacentret placerades i en vattentät behållare. Experimentet var en framgång: Microsoft fann att servicemodulens vattenbeständighet kunde garanteras i havsvatten.

Så i den andra fasen försöker Microsoft driva experimentet framåt och landa projektet: "skicka data till havsbotten" för att se om data kan bevaras i gott skick efter några år. Microsoft lade ett datacenter i en förseglad stålbehållare, fyllde den med kväve och använde sedan en ubåt för att transportera behållaren ut i havet.

Experimentet stöddes av European Marine Energy Centre (EMEC): EMEC tillhandahöll inte bara expertis inom stöd för förnybar energi, utan fungerade också som geografisk rådgivare runt Orkneyöarna - EMEC tillhandahöll till och med undervattenskabeln som ansluter datacentret till kusten.

Ubåten som bär servern i djuphavet heter Leona Philpot, en karaktär från spelet Halo. Den seglade in i Nordsjöns mörker nära Ornik, Skottland.

Varför Orkney? Å ena sidan, eftersom Orkneyöarna är ett stort centrum för forskning om förnybar energi, har European Marine Energy Centre (EMEC) experimenterat med tidvatten- och vågenergi här i 14 år. Å andra sidan har Orkney ett kallt klimat, vilket bidrar till att minska kylkostnaderna för datacenter.

Microsoft har placerat datacentret mindre än en kilometer från havsbotten och installerat miljösensorer i vita högtrycksfack för att övervaka dess status i realtid. Datacentret och havet är "sömlösa": deras strömbehov fångas upp via undervattenskablar och data överförs lätt till världen utanför kusten. Under 2018 färdigställdes Microsoft North Sea-datacentret: totalt 864 servrar, 27,6 PB minne, för att testa prestanda, en djupdykning i två år.

Faktum är att forskarna är mest oroade över skador på datacenter: när datorerna i undervattensdatacentret väl går sönder kan de inte repareras. Lyckligtvis gick det bra. I augusti 2020 var alla datorer räddade – endast åtta av fler än 800 misslyckades, en lägre felfrekvens än i landbaserade datacenter.

Hur uppnår man låg förlust? Projektets forskare spekulerar i att det kalla vädret å ena sidan fungerade som en buffert; Å andra sidan spelar kväve också en skyddande roll. Kort sagt, detta småskaliga test validerar ytterligare möjligheten och värdet av undervattenslagring. Projektforskare sa att projektet inte bara har en låg felfrekvens, utan all strömförsörjning till datacentret kommer från vind- och solenergi, vilket utnyttjar naturresurserna fullt ut.

Dessutom, i enlighet med teorin, är förvaltningskostnaden, byggkostnaden och förlusten vid naturkatastrofer och andra nödsituationer i ubåtsdatacentret alla lägre än för landdatacentret.

Detta är dock bara en tillfällig seger. Volymen på mer än 800 servrar är långt ifrån den för landbaserade datacenter – trots allt har landbaserade datacenter tiotusentals servrar. På sätt och vis är detta datacenter mer experimentellt än praktiskt, och kan sägas vara ett litet pilotprojekt för Microsoft. Microsofts vd Satya Nadella sa att undervattensdatacentret kommer att replikera Project Natick runt om i världen.

Om Microsoft vill framgångsrikt marknadsföra undervattensdatacentret kan det inte göra utan att bryta det svåra problemet i detta skede:

För det första har Microsofts experiment mötts av mycket miljöskepsis. Ian Bitterlin, professor i datastudier, tror att värmen som genereras av datacenter kan påverka temperaturen i havets vatten. Hur man bevisar att undervattensdatacentret inte kommer att orsaka större föroreningar till den marina miljön och hur man undviker eventuella föroreningsrisker måste lösas av Microsoft-teamet.

För det andra verkar skadan på 8 servrar på mer än 800 servrar inte vara ett stort antal, men när ubåtsdatacentret väl marknadsförs kommer förlusten sannolikt att bli hundratusentals enheter, då behovet av att bygga motsvarande undervattens underhållsservicestation, samt kompletta lösningar för utrustningsunderhåll.

För det tredje, som Ian Bitlin påpekar, är kusten inte den bästa platsen att bygga ett datacenter – även om trafiken på kusten är mycket högre än i vildmarken är den fortfarande inte lika omfattande som datacentret i storstaden .

Naturligtvis är Natick-projektet inte bara ett lyft för byggandet av undervattensdatacenter. Även om undervattensdatacenter inte skalas, erbjuder dessa kreativa experiment värdefulla lärdomar för datacenterindustrin.

Till exempel, när de byggde ett undervattensdatacenter på Orniköarna, inspirerades teamet av elektriciteten från vind- och solenergi - forskarna sa att de i framtiden kunde överväga att installera undervattensdatacenter med vindkraftsparker till havs, låna vindkraft. energi för att driva datacentret, slå två flugor i en smäll eller till och med knyta kraftledningar på land till de optiska kablar som behövs för att överföra data.

Som ett resultat letar Microsoft efter sätt att replikera fördelarna med subsea-modellen till landbaserade datacenter – som lågt serverslitage och hög säkerhet.

Project Natick har potentialen att revolutionera distributionen av datacenter, vilket ger flexibilitet, snabb konstruktion och effektiv skalning. Även om Microsoft föreställer sig att replikera framgången med Project Natick globalt, inkluderar utmaningarna miljöhänsyn och behovet av undervattensunderhållsstationer i händelse av omfattande utbyggnad. Microsofts experiment tänjer inte bara på teknikens gränser utan erbjuder också värdefulla insikter för hela branschen. Microsofts innovativa tillvägagångssätt, oavsett om det är framgångsrikt eller inte, innebär ett betydande steg framåt i datacenterbranschen.