Fødsel og utvikling av undervannsdatasentre

Få er klar over at konseptet med undervannsdatasentre oppsto under Microsofts 2014 ThinkWeek, en intern idédugnad. Det ble foreslått av en ansatt med erfaring med å operere marineubåter. Microsoft gjennomførte innledende eksperimenter, og senket et datasenter under vann i fem måneder med lovende resultater.

Senest, i 2018, sendte Microsoft en ubåt fullpakket med 864-servere og i stand til å lagre 27,6 petabyte med data til bunnen av Orknøyene, nordøst for Skottland. To år senere, i juni 2020, tok Microsoft den i land for evaluering. Resultatene viser at ubåtdatasenteret yter bedre enn tradisjonelle datasentre på alle måter, og feilraten i vann er en åttendedel av det på land.

Hvorfor legger Microsoft datasenteret sitt under havet? Etter piloten, kan bygging av ubåtdatasentre fremmes i stor skala?

Svaret er enkelt: maksimer ressursene som er tilgjengelige. Samtidig løser det mange mangler ved landdatasentre.

For det første er undersjøiske datasentre sikrere og mer stabile: datasentre er delikate og fylt med svært sofistikerte komponenter som kan bli skadet av temperaturendringer, oksygenkorrosjon og til og med kollisjoner ved utskifting av skadede deler. Men i et vakuummiljø der temperaturen kan kontrolleres, oksygen og vanndamp kan trekkes ut, og menneskelig forstyrrelse kan isoleres, vil sikkerheten og stabiliteten til datasenteret bli betydelig forbedret.

Under havet er utvilsomt en ideell datakilde - ikke bare isolert fra landets oksygen, vanndamp, og sette en stopper for menneskelig innblanding.

For det andre, og viktigst, har sjøvannskjølte servere en unik fordel, og kjøling er en stor utgift for landbaserte datasentre. I følge offentlige data brukes 41 % av den årlige strømkostnaden til et datasenter til kjøling, og det årlige strømforbruket til datasentre over hele verden utgjør omtrent 2 % av verdens totale elektrisitet. Blant dem utgjør kostnadene for energiforbruk 30 % til 50 % av hele IT-bransjen.

Hvorfor er kjøling så dyrt? Faktisk, i landdatasentre er det vanligvis to måter å kjøle ned data på, den ene er å bruke mekanisk kjøling, det vil si å kjøle serveren med et tungt klimaanlegg, men denne kjølemetoden trenger å forbruke mye strøm hver gang dag, og kostnadene har vært høye.

Den andre er å avkjøle serveren ved å fordampe luft og vann. Denne naturlig begavede metoden er mye lavere i pris enn den tidligere, men den har også sine egne mangler: fullføringsgraden og kjølekvaliteten bestemmes av den ytre lufttemperaturen og vannforholdene, og den menneskelige manøvrerbarheten er for lav.

Sjøvann med høyere varmekapasitet kan lagre overskuddsvarme generert av datasenteret: bare en varmeveksler er nødvendig for å overføre varmen fra datasenteret til det omkringliggende sjøvannet, så å si en kombinasjon av to tradisjonelle metoder for kjøling: stabil og fri bruk av naturressurser.

For det tredje er kystbefolkningstettheten høy, dataoverføringen er rask og skydatabehandlingseffektiviteten er høyere: for å spare land- og driftskostnader velger tradisjonelle datasentre vanligvis tynt befolkede avsidesliggende områder, noe som direkte fører til for langsom dataoverføring og også mye forsinkelse. Subsea datasentre er forskjellige:

Omtrent 50 prosent av verdens befolkning bor innenfor 150 kilometer fra en kystlinje. Å bygge datasenteret under sjøen sparer kostnader og ligger nært boligområder, og slår to fluer i en smekk.

I tillegg er det mange andre fordeler:

For eksempel kan vi bruke tidevannsenergien i havet til å få karbonnøytral elektrisitet i havet; Undersjøisk båndbredde kan kobles til gjennom rørledninger for å akselerere dataoverføring; Tradisjonell byråkrati kan omgås når man bygger et undersjøisk datasenter: servere kan bygges i vanntette siloer på samlebånd og sendes ut til havet med lasteskip for utplassering. Som Microsoft sier, kan disse serverpodene distribueres innen 90 dager; mens radielle datasentre tar ett til to år å bygge.

Teoretisk sett har ubåtdatasentre mange fordeler, så hvor vanskelig er det å oppnå? -- Microsoft har det første svaret.

Faktisk begynte Microsoft allerede i 2015 å studere muligheten for å bygge datasentre under vann, og lanserte deretter Project Natick.

I den første fasen av Natick-prosjektet, i 2015, gjennomførte Microsofts forskningsteam et 105-dagers eksperiment for å maksimere lekkasjebeskyttelsen, og sikre at datasenteret ble plassert i en vanntett beholder. Eksperimentet var en suksess: Microsoft fant ut at vannmotstanden til servicemodulen kunne garanteres i sjøvann.

Så i den andre fasen prøver Microsoft å presse eksperimentet fremover og lande prosjektet: «send dataene til havbunnen» for å se om dataene kan bevares i god stand etter noen år. Microsoft la et datasenter i en forseglet stålbeholder, fylte den med nitrogen, og brukte deretter en ubåt til å frakte beholderen ut i havet.

Eksperimentet ble støttet av European Marine Energy Center (EMEC): EMEC ga ikke bare ekspertise innen fornybar energistøtte, men fungerte også som geografisk rådgiver rundt Orknøyene – EMEC leverte til og med undersjøisk kabel som kobler datasenteret til kysten.

Ubåten som frakter serveren ut i dyphavet heter Leona Philpot, en karakter fra spillet Halo. Den seilte inn i mørket i Nordsjøen nær Ornik i Skottland.

Hvorfor Orknøyene? På den ene siden, fordi Orknøyene er et stort senter for forskning på fornybar energi, har European Marine Energy Centre (EMEC) eksperimentert med tidevanns- og bølgeenergi her i 14 år. På den annen side har Orknøyene et kaldt klima, noe som bidrar til å redusere kjølekostnadene for datasentre.

Microsoft har plassert datasenteret mindre enn en kilometer fra havbunnen og utplassert miljøsensorer inne i hvite høytrykksrom for å overvåke statusen i sanntid. Datasenteret og havet er "sømløse": deres strømbehov fanges opp via undersjøiske kabler, og data overføres lett til den store verden utenfor kysten. I 2018 ble Microsoft North Sea-datasenteret ferdigstilt: totalt 864 servere, 27,6 PB minne, for å teste ytelsen, et dypdykk i to år.

Faktisk er forskerne mest bekymret for skader på datasenteret: Når datamaskinene i datasenteret under vann svikter, kan de ikke repareres. Heldigvis gikk det bra. I august 2020 var alle datamaskinene berging – bare åtte av mer enn 800 mislyktes, en lavere feilrate enn i landbaserte datasentre.

Hvordan oppnå lavt tap? Prosjektets forskere spekulerer i at det kalde været på den ene siden fungerte som en buffer; På den annen side spiller nitrogen også en beskyttende rolle. Kort sagt, denne småskalatesten validerer muligheten og verdien av undervannslagring ytterligere. Prosjektforskere sa at prosjektet ikke bare har en lav feilrate, men at all strømforsyningen til datasenteret kommer fra vind- og solenergi, og utnytter naturressurser fullt ut.

I tillegg, tilsvarende teorien, er administrasjonskostnadene, byggekostnadene og tapet i møte med naturkatastrofer og andre nødsituasjoner for ubåtdatasenteret alle lavere enn for landdatasenteret.

Dette er imidlertid bare en midlertidig seier. Volumet på mer enn 800 servere er langt fra landbaserte datasentre – tross alt har landbaserte datasentre titusenvis av servere. På en måte er dette datasenteret mer eksperimentelt enn praktisk, og kan sies å være et lite pilotprosjekt for Microsoft. Microsofts administrerende direktør Satya Nadella sa at undervannsdatasenteret vil gjenskape Project Natick over hele verden.

Hvis Microsoft ønsker å lykkes med å markedsføre undersjøiske datasenter, kan det ikke gjøre uten å bryte det vanskelige problemet på dette stadiet:

For det første har Microsofts eksperiment blitt møtt med mye miljøskepsis. Ian Bitterlin, professor i datastudier, mener at varmen som genereres av datasentre kan påvirke havvannstemperaturene. Hvordan bevise at det undersjøiske datasenteret ikke vil forårsake større forurensning til det marine miljøet og hvordan man unngår mulig forurensningsrisiko må løses av Microsoft-teamet.

For det andre ser ikke skaden på 8 servere i mer enn 800 servere ut til å være et stort antall, men når ubåtdatasenteret er forfremmet, vil tapet sannsynligvis være hundretusenvis av enheter, og deretter behovet for å bygge tilsvarende undervanns vedlikeholdsservicestasjon, samt komplette utstyrsvedlikeholdsløsninger.

For det tredje, som Ian Bitlin påpeker, er ikke kysten det beste stedet å bygge et datasenter – selv om trafikken på kysten er mye høyere enn i villmarken, er den fortsatt ikke like omfattende som datasenteret i storbyen. .

Selvfølgelig er Natick-prosjektet ikke bare et løft for undersjøiske datasenterkonstruksjoner. Selv om undersjøiske datasentre ikke skaleres, tilbyr disse kreative eksperimentene verdifulle lærdommer for datasenterindustrien.

For eksempel, da de bygde et undervannsdatasenter på Ornik-øyene, ble teamet inspirert av elektrisiteten fra vind- og solenergi - forskerne sa at de i fremtiden kunne vurdere å distribuere undervannsdatasentre med havvindparker, låne vindkraft. energi til å drive datasenteret, slå to fluer i en smekk, eller til og med knytte landstrømledninger til de optiske kablene som trengs for å overføre data.

Som et resultat av dette leter Microsoft etter måter å kopiere fordelene med undervannsmodellen til landbaserte datasentre – som lav serverslitasje og høy sikkerhet.

Project Natick har potensial til å revolusjonere datasenterdistribusjon, og gir fleksibilitet, rask konstruksjon og effektiv skalering. Mens Microsoft ser for seg å gjenskape suksessen til Project Natick globalt, inkluderer utfordringene miljøhensyn og behovet for vedlikeholdsstasjoner under vann i tilfelle utbredt utplassering. Microsofts eksperimenter flytter ikke bare grensene for teknologi, men tilbyr også verdifull innsikt for hele bransjen. Microsofts innovative tilnærming, enten den er vellykket eller ikke, betyr et betydelig skritt fremover i datasenterindustrien.