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把数据中心建在海底,“水中捞月”的微软是怎么想的?

【数据猿导读】 微软的一小步是行业的一大步。可以肯定的是,无论“水中捞月”是否成功,微软的尝试都明确宣告了一点:海底数据中心绝对不是“镜花水月”

把数据中心建在海底,“水中捞月”的微软是怎么想的?

“1966年的一个寒夜,博尔赫斯站在轮船甲板上,往海中丢了一枚硬币。硬币带着他手指的一点余温,跌进黑色的涛声里。博尔赫斯后来为它写了首诗,诗中说,他丢硬币这一举动,在这星球的历史中添加了两条平行的、连续的系列:他的命运及硬币的命运。此后他在陆地上每一瞬间的喜怒哀惧,都将对应着硬币在海底每一瞬间的无知无觉。”

这段描写来自陈春成的小说《夜晚的潜水艇》,故事里,有富商为了追寻博尔赫斯的遗迹,斥巨资打造潜水艇寻找这枚硬币。而距离博尔赫斯丢硬币几十年后的2018年,站在轮船甲板上的人变成了微软数据中心项目组:

不同的是,他们丢下去的不是硬币,而是一艘潜水艇。潜水艇上载着的是微软的海底数据中心。

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很少有人知道,水下数据中心的想法诞生于微软 2014 年的 ThinkWeek,也就是微软员工内部的头脑风暴,由数据中心的一位操作过海军潜水艇经验的员工提出。在当时,微软进行了初步实验:

数据中心在海底沉没了5个月之后被捞出,成绩可喜。于是在此之后,微软的海底数据中心建设就一发不可收拾。

最近一次是2018 年,微软将包裹着 864 台服务器、可以存储 27.6PB 数据的潜水艇沉入苏格兰东北部的奥克尼群岛海底。两年后,也就是2020年6月,微软把它打捞上岸进行评估。结果显示,海底数据中心各方面性能均比传统的数据中心好,且在水中的故障率是在陆地的八分之一。

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微软为什么要把数据中心设在海底?试点过后,海底数据中心建设能否大规模推广开来?

微软为何把数据中心建在海底 

微软为什么要把数据中心沉入海底?答案很简单:把可开发的资源开发到最大化。同时,降维打击,解决陆地数据中心的诸多短板。

第一,海底数据中心安全性和稳定性更强:数据中心十分娇贵,内部布满高精密部件,温度变化、氧气腐蚀、甚至更换损坏部件时的碰撞都会对其造成不同程度的损害。但如果在一个可以控制温度,并抽离氧气、水汽,同时隔绝人为干扰的真空环境中,数据中心的安全性和稳定性都会大大提高。

海下无疑是一个理想的数据桃源——不仅隔绝了陆地的氧气、水汽,且杜绝了人为干扰。

第二,也是最重要的一点,海水冷却服务器有得天独厚的优势,而制冷则是陆地数据中心的大头支出;据公开数据,一个数据中心每年的电力成本中有41%是用于制冷,而全球数据中心每年消耗的电量占全球总电量的2%左右。其中,能源消耗的成本占整个IT行业的30%-50%

为什么制冷这么费钱?事实上,在陆地数据中心,通常有两种冷却数据的方式,一种是用机械冷却的方式,也就是用重空调系统冷却服务器,但这种冷却方式每天都需要消耗大量电量,成本一直居高不下。

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传统数据中心制冷模式赘重

另一种是通过空气以及水蒸发来冷却服务器。这种“老天爷赏饭吃”的方法在成本上大幅度低于前者,但也有自己的短板:完成度和冷却质量好坏皆由外部空气温度和水情况来决定,人为可操作性太低。

而具有较高容热量的海水则可以储存数据中心产生的多余热量:只需要一个热交换器,就可以把数据中心的热量导入周边海水,可以说,是传统两种制冷方式的集大成:稳定地白嫖自然资源。

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海底数据中心通过热交换器利用海水制冷

第三,沿海人口密度高,数据传输快,云计算效率更高:传统数据中心为了节约土地、运营成本,通常选择人口稀少的偏远地区,这直接导致了数据传输过慢、延迟过多。而海底数据中心则不同:

全球约50%的人口居住在距离海岸线150公里以内的地方。把数据中心建在海下,既节约了成本,又靠近居民区,一石二鸟。

除此之外,还有诸多其他优势:

如可以利用海洋的潮汐能,在海洋中获得碳中性电力;可以通过管道连接海下带宽,加速数据传输;建设海底数据中心时可以规避传统繁琐手续:可以在流水线上建造服务器防水仓,然后用货船运到海上进行部署。正如微软所说,可以在90天内部署这些服务器防水舱。而传统数据中心则需要建设一到两年;等等,不胜枚举。

理论上,海底数据中心有诸多优势,那么具体落地时难易程度如何?

——微软率先给出了答案。

微软如何实现海底数据中心建设

事实上,早在2015年,微软就开始着手研究将数据中心建在水下的可行性,随后,微软启动了纳提克项目(Project Natick)。

在纳提克项目的第一阶段,也就是2015年,微软的研究团队进行了一次为期 105 天的实验,致力于把防渗漏做到最强,保证将数据中心置于一个防水的容器中不漏水。实验很成功:微软发现,在海水中可以保证服务舱的防水性。

因此在第二阶段,微软试图推进实验,并落地这一项目:“把数据运到海底”,看数据在几年之后是否可以保存完好。微软把一个数据中心装在密封的钢制容器中,用氮气填满,随后,微软用一艘潜水艇来运输容器入海。

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这项实验受到了欧洲海洋能源中心(EMEC)的支持:EMEC不仅提供了可再生能源方面的专业知识支持,也充当了奥克尼周围的地理顾问——EMEC甚至提供了将数据中心连接到海岸的海底电缆。

而那艘载着服务器潜入深海的潜水艇叫Leona Philpot,来自游戏Halo里面的角色。它驶入了苏格兰奥尼克附近、北海水域的茫茫夜色中。

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苏格兰奥尼克附近的北海水域

为什么选择奥克尼?一方面,因为奥克尼是可再生能源研究的主要中心,欧洲海洋能源中心(EMEC)已经对这里的潮汐能和波浪能进行了14年的试验。另一方面,奥克尼气候寒冷,有助于降低数据中心的冷却成本。

微软把数据中心投放在离海床不足1公里的地方,在白色的高压密封舱内部署了环境传感器,随时对其状态进行实时监控。数据中心和海洋“无缝衔接”:其电力需求通过海底电缆获得,并随时将数据传输到海岸外更广阔的世界。

2018年,微软北海数据中心落成:共计864台服务器、27.6PB的内存,为了测试性能,一沉潜就是两年。

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微软数据中心服务器

事实上,研究人员最担心的是数据中心的损坏:水下数据中心的计算机一旦出现故障,则无法进行修复。好在结果不错。2020年8月,计算机全部被打捞上来了——在800多台计算机中只有8台出现了故障,其故障率比陆地数据中心要低。

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团队成员清洗从海底取回的水下数据中心

何以做到低损耗?该项目的研究人员推测,一方面,气候的寒冷起了缓冲作用;另一方面,氮气也起了一定保护作用。总之,此次这项小规模的测试,进一步验证了海底存储的可能性和价值。项目研究人员表示,该项目不仅故障率低,数据中心的所有电力供应都来自风能和太阳能,充分地利用了自然资源。

除此之外,和理论相对应的,海底数据中心的管理成本、建造费用以及面对自然灾害等突发状况时的损耗也全部低于陆地数据中心。

不过,这只是阶段性胜利。800多台服务器的体量较陆地数据中心差距较大——毕竟,陆地数据中心的服务器量级在几万台。某种意义上来说,这个数据中心的实验性大于实用性,可以说是微软的一个小型试点项目。而微软首席执行官Satya Nadella表示,水下数据中心将会在全球各地复制Project Natick项目。

那么,微软海底数据中心将往何处去?“水中捞月”能否成功?

微软海底数据中心利弊:“水中捞月”能否势如破竹

事实上,微软海底数据中心具有大规模推广的条件:纳提克项目的建造速度非常快,整个供应链只要90天。微软工程师在IEEE Spectrum发表的论文中指出,如此一来,微软的机动性非常强,可以随时按需增加服务器。微软设想,部署一组海底吊舱,每个吊舱有数千台服务器,并不断增加。

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微软研究部门的高级研发工程师Mike Shepperd在水下数据中心前

当然,如果微软想把海底数据中心顺利推广,离不开对现阶段棘手问题的破局:

第一, 微软的实验遭到了颇多环保方面的质疑。数据研究教授伊恩·比特林(Ian Bitterlin)认为,数据中心产生的热能会影响海水温度。如何证明海下数据中心不会对海洋环境造成较大污染、如何规避可能存在的污染风险,需要微软团队解决。

第二,800多台服务器中损坏8台,似乎不是大数字,但一旦海底数据中心推广开来,则损耗很可能是成百上千台,这时则需要建设相应的水下维修服务站,以及完备的设备维修解决方案。

第三,又如伊恩·比特林表示,海岸不是建造数据中心的最佳地点——即使海岸的人流量相比荒郊野多很多,但还是不如大城市的数据中心辐射面广。

当然,纳提克项目不止对海底数据中心建设有推动作用。即使海底数据中心无法大规模推广,这些创造性实验也给数据中心行业提供了宝贵经验。

比如,在奥尼克群岛建设水下数据中心时,风能和太阳能提供的电力给团队提供了灵感——研究人员表示,日后可以考虑将水下数据中心与海上风电场布局在一起,借风能给数据中心供电,一石二鸟,甚至可以把岸上的电力线与传输数据所需的光缆捆绑在一起。

也因此,微软正在寻找将海下模式优势复刻到陆地数据中心的办法——如服务器低损耗、安全性能高等特点。

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微软在奥尼克群岛的风力发电场

微软的一小步是行业的一大步。可以肯定的是,无论“水中捞月”是否成功,微软的尝试都明确宣告了一点:海底数据中心绝对不是“镜花水月”。


来源:数据猿

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