Narodziny i rozwój podwodnych centrów danych

Niewielu zdaje sobie sprawę, że koncepcja podwodnych centrów danych narodziła się podczas wewnętrznej burzy mózgów zorganizowanej przez Microsoft w 2014 roku. Zaproponował go pracownik mający doświadczenie w obsłudze okrętów podwodnych Marynarki Wojennej. Firma Microsoft przeprowadziła wstępne eksperymenty, zanurzając centrum danych pod wodą na pięć miesięcy, co dało obiecujące rezultaty.

Niedawno, w 2018 r., Microsoft wysłał łódź podwodną wypełnioną 864 serwerami i mogącą przechowywać 27,6 petabajtów danych na dno Orkadów, na północny wschód od Szkocji. Dwa lata później, w czerwcu 2020 r., Microsoft sprowadził go na brzeg w celu oceny. Wyniki pokazują, że podwodne centrum danych działa lepiej niż tradycyjne centra danych pod każdym względem, a wskaźnik awaryjności w wodzie jest jedną ósmą tego na lądzie.

Dlaczego Microsoft umieszcza swoje centrum danych pod wodą? Czy po pilotażu można będzie promować na szeroką skalę budowę podwodnych centrów danych?

Odpowiedź jest prosta: zmaksymalizować dostępne zasoby. Jednocześnie rozwiązuje wiele mankamentów lądowych centrów danych.

Po pierwsze, podwodne centra danych są bezpieczniejsze i stabilniejsze: centra danych są delikatne i wypełnione wysoce wyrafinowanymi komponentami, które mogą zostać uszkodzone w wyniku zmian temperatury, korozji tlenowej, a nawet kolizji podczas wymiany uszkodzonych części. Jednak w środowisku próżniowym, w którym można kontrolować temperaturę, usuwać tlen i parę wodną oraz izolować ingerencję człowieka, bezpieczeństwo i stabilność centrum danych znacznie się poprawią.

Pod powierzchnią morza niewątpliwie znajduje się idealne źródło danych – nie tylko odizolowane od znajdującego się na lądzie tlenu, pary wodnej, ale także położące kres ingerencji człowieka.

Po drugie i najważniejsze, serwery chłodzone wodą morską mają wyjątkową zaletę, a chłodzenie stanowi poważny wydatek w przypadku lądowych centrów danych. Według publicznych danych 41% rocznego kosztu energii elektrycznej centrum danych jest wykorzystywane do chłodzenia, a roczne zużycie energii elektrycznej przez centra danych na całym świecie stanowi około 2% całkowitej światowej energii elektrycznej. Wśród nich koszty zużycia energii stanowią od 30% do 50% całej branży IT.

Dlaczego chłodzenie jest tak drogie? W rzeczywistości w lądowych centrach danych istnieją zwykle dwa sposoby chłodzenia danych, jeden polega na zastosowaniu chłodzenia mechanicznego, to znaczy chłodzenia serwera za pomocą ciężkiego systemu klimatyzacji, ale ta metoda chłodzenia wymaga każdorazowego zużywania dużej ilości energii elektrycznej dziennie, a koszt był wysoki.

Drugim jest chłodzenie serwera poprzez odparowanie powietrza i wody. Ta naturalnie utalentowana metoda jest znacznie tańsza niż poprzednia, ale ma również swoje wady: stopień ukończenia i jakość chłodzenia zależą od temperatury powietrza zewnętrznego i warunków wodnych, a manewrowość człowieka jest zbyt niska.

Woda morska o większej pojemności cieplnej może magazynować nadmiar ciepła wytwarzanego przez centrum danych: potrzebny jest tylko wymiennik ciepła, aby przenieść ciepło centrum danych do otaczającej wody morskiej, że tak powiem, jest to połączenie dwóch tradycyjnych metod chłodzenia: stabilne i swobodne korzystanie z zasobów naturalnych.

Po trzecie, gęstość zaludnienia na wybrzeżach jest wysoka, transmisja danych jest szybka, a wydajność przetwarzania w chmurze wyższa: aby zaoszczędzić grunty i koszty operacyjne, tradycyjne centra danych zwykle wybierają słabo zaludnione odległe obszary, co bezpośrednio prowadzi do zbyt powolnej transmisji danych i zbyt dużo opóźnienia. Podwodne centra danych są różne:

Około 50 procent światowej populacji mieszka w promieniu 150 kilometrów od linii brzegowej. Budowa centrum danych pod wodą pozwala zaoszczędzić koszty i znajduje się blisko obszarów mieszkalnych, upijając dwie pieczenie na jednym ogniu.

Ponadto istnieje wiele innych zalet:

Na przykład możemy wykorzystać energię pływów oceanu, aby uzyskać w oceanie energię elektryczną neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla; Podmorskie pasmo można połączyć rurociągami, aby przyspieszyć transmisję danych; Budując podmorskie centrum danych, można uniknąć tradycyjnych biurokracji: serwery można budować w wodoszczelnych silosach na liniach montażowych i wysyłać w morze statkiem towarowym w celu wdrożenia. Jak twierdzi Microsoft, te serwery można wdrożyć w ciągu 90 dni; podczas gdy budowa radialnych centrów danych zajmuje od roku do dwóch lat.

Teoretycznie podwodne centra danych mają wiele zalet, więc jak trudno jest je osiągnąć? -- Firma Microsoft ma pierwszą odpowiedź.

W rzeczywistości już w 2015 roku Microsoft zaczął badać wykonalność budowy centrów danych pod wodą, a następnie uruchomił projekt Natick.

W pierwszej fazie projektu Natick w 2015 r. zespół badawczy firmy Microsoft przeprowadził 105-dniowy eksperyment, aby zmaksymalizować ochronę przed wyciekami, upewniając się, że centrum danych zostało umieszczone w wodoodpornym pojemniku. Eksperyment zakończył się sukcesem: Microsoft odkrył, że wodoodporność modułu serwisowego można zagwarantować w wodzie morskiej.

Dlatego w drugiej fazie Microsoft próbuje popchnąć eksperyment do przodu i zakończyć projekt: „wysłać dane na dno oceanu”, aby sprawdzić, czy po kilku latach uda się je zachować w dobrym stanie. Microsoft umieścił centrum danych w szczelnym stalowym kontenerze, napełnił go azotem, a następnie za pomocą łodzi podwodnej przetransportował kontener do morza.

Eksperyment był wspierany przez Europejskie Centrum Energii Morskiej (EMEC): EMEC nie tylko zapewnił wiedzę specjalistyczną w zakresie wsparcia w zakresie energii odnawialnej, ale także działał jako doradca geograficzny w okolicach Orkadów – EMEC dostarczył nawet podmorski kabel łączący centrum danych z wybrzeżem.

Łódź podwodna przewożąca serwer na głębokie morze nazywa się Leona Philpot i jest to postać z gry Halo. Popłynął w ciemność Morza Północnego w pobliżu Ornika w Szkocji.

Dlaczego Orkady? Z jednej strony, ponieważ Orkady są głównym ośrodkiem badań nad energią odnawialną, Europejskie Centrum Energii Morskiej (EMEC) od 14 lat eksperymentuje tu z energią pływów i fal. Z drugiej strony Orkady charakteryzują się zimnym klimatem, co pomaga obniżyć koszty chłodzenia centrów danych.

Microsoft umieścił centrum danych niecały kilometr nad dnem morskim i umieścił czujniki środowiskowe w białych przedziałach wysokociśnieniowych, aby monitorować jego stan w czasie rzeczywistym. Centrum danych i ocean działają „jednolicie”: zapotrzebowanie na energię jest rejestrowane za pomocą podmorskich kabli, a dane są łatwo przesyłane do szerszego świata u wybrzeży. W 2018 roku ukończono budowę centrum danych Microsoft North Sea: łącznie 864 serwerów, 27,6 PB pamięci, w celu przetestowania wydajności, głębokie nurkowanie na dwa lata.

W rzeczywistości badaczy najbardziej niepokoją uszkodzenia centrów danych: gdy komputery w podwodnym centrum danych ulegną awarii, nie będzie można ich naprawić. Na szczęście wyszło dobrze. Do sierpnia 2020 r. wszystkie komputery udało się uratować – tylko osiem z ponad 800 uległo awarii, co stanowi niższy wskaźnik awaryjności niż w naziemnych centrach danych.

Jak osiągnąć niską stratę? Naukowcy biorący udział w projekcie spekulują, że z jednej strony zimna pogoda działała jak bufor; Z drugiej strony azot pełni również rolę ochronną. Krótko mówiąc, ten test na małą skalę dodatkowo potwierdza możliwość i wartość składowania podmorskiego. Badacze projektu stwierdzili, że projekt charakteryzuje się nie tylko niskim współczynnikiem awaryjności, ale całe zasilanie centrum danych pochodzi z energii wiatrowej i słonecznej, co pozwala w pełni wykorzystać zasoby naturalne.

Ponadto, zgodnie z teorią, koszty zarządzania, koszty budowy i straty w obliczu klęsk żywiołowych i innych sytuacji awaryjnych w podwodnym centrum danych są niższe niż w przypadku lądowego centrum danych.

Jest to jednak tylko chwilowe zwycięstwo. Objętość ponad 800 serwerów jest daleka od objętości naziemnych centrów danych - w końcu naziemne centra danych mają dziesiątki tysięcy serwerów. W pewnym sensie to centrum danych ma charakter bardziej eksperymentalny niż praktyczny i można powiedzieć, że jest to mały projekt pilotażowy dla firmy Microsoft. Dyrektor generalny Microsoft, Satya Nadella, powiedział, że podwodne centrum danych będzie repliką Projektu Natick na całym świecie.

Jeśli Microsoft chce skutecznie promować podmorskie centrum danych, nie może obejść się bez rozwiązania trudnego problemu na tym etapie:

Po pierwsze, eksperyment Microsoftu spotkał się z dużym sceptycyzmem środowiskowym. Ian Bitterlin, profesor badań danych, uważa, że ​​ciepło wytwarzane przez centra danych może wpływać na temperaturę wody w oceanach. Jak udowodnić, że podmorskie centrum danych nie spowoduje większego zanieczyszczenia środowiska morskiego i jak uniknąć potencjalnego ryzyka zanieczyszczenia, musi rozwiązać zespół Microsoft.

Po drugie, uszkodzenia 8 serwerów w ponad 800 serwerach nie wydają się być dużą liczbą, ale po awansie podwodnego centrum danych straty prawdopodobnie wyniosą setki tysięcy jednostek, wówczas konieczne będzie zbudowanie odpowiedniego podwodnego centrum danych stacja obsługi serwisowej, a także kompletne rozwiązania w zakresie konserwacji sprzętu.

Po trzecie, jak wskazuje Ian Bitlin, wybrzeże nie jest najlepszym miejscem na budowę centrum danych – mimo że ruch na wybrzeżu jest znacznie większy niż na pustyni, to i tak nie jest on tak rozległy jak centrum danych w dużym mieście .

Oczywiście projekt Natick to nie tylko impuls do budowy podmorskich centrów danych. Nawet jeśli podmorskie centra danych nie mają możliwości skalowania, te kreatywne eksperymenty dostarczają cennych lekcji dla branży centrów danych.

Na przykład budując podwodne centrum danych na Wyspach Ornik, zespół inspirował się energią elektryczną dostarczaną przez energię wiatrową i słoneczną – naukowcy stwierdzili, że w przyszłości mogliby rozważyć budowę podwodnych centrów danych z morskimi farmami wiatrowymi, pożyczając energię wiatrową energię do zasilania centrum danych, upiec dwie pieczenie na jednym ogniu, a nawet powiązać lądowe linie energetyczne z kablami optycznymi niezbędnymi do przesyłania danych.

W rezultacie Microsoft szuka sposobów na odtworzenie zalet modelu podwodnego w lądowych centrach danych – takich jak niskie zużycie serwerów i wysokie bezpieczeństwo.

Projekt Natick ma potencjał, aby zrewolucjonizować wdrażanie centrów danych, zapewniając elastyczność, szybką budowę i wydajne skalowanie. Chociaż Microsoft przewiduje powtórzenie sukcesu projektu Natick na całym świecie, wyzwania obejmują kwestie ochrony środowiska i potrzebę tworzenia podwodnych stacji konserwacyjnych w przypadku powszechnego wdrożenia. Eksperymenty Microsoftu nie tylko przesuwają granice technologii, ale także dostarczają cennych spostrzeżeń dla całej branży. Innowacyjne podejście Microsoftu, niezależnie od tego, czy odniosło sukces, czy nie, oznacza znaczący krok naprzód w branży centrów danych.