微軟將數據中心放在海底,這會是未來麽?

本文來源:極客公園(微信id:geekpark)

作者:尹陞蔚

2018 年6月,蘇格蘭奧克尼群島上,一群來自微軟的工程師聚集在一起,他們見證了代號「北方群島」(Northern Isles)的大型數據中心正式下海。但是對於這項技術仍有許多疑問。

上海舉辦的微軟技術暨生態大會上,微軟全球研究院首席項目經理Ben Cutler 對於這個項目存在的所有疑問,進行了公開解答。

為什麼要設立海底數據中心?

2014 年7 月,一名微軟員工腦洞大開,提出了將數據中心放在海底的想法。

在大多數人認為這是不可能的情況下,研究院的高層並沒有無視這名員工,反而將其提上日程,並在接下來的12月內完成了概念原型機的製作工作。

原型設備製作完成後,他們並沒有直接將其部署至海底環境,而是選擇在加州附近相對平靜的淺水區域進行部署測試工作。

在接下來的105天內,研究人員發現這個數據中心非但沒有出現問題,反而是平穩運行。

在這樣的結論下,他們便開始進行第二階段的試驗操作,主要是檢測其在環境、經濟以及物流運輸方面存在的可能性。

微軟將數據中心放在海底,這會是未來麽?

▲Natick 開發團隊:高級研發工程師Mike Shepperd、高級軟件工程師Sam Ogden、高級技術人員Spencer Fowers、研究人員Eric Peterson 和項目經理Ben Cutler

從外表來看,這些將被部署在海底的數據中心都是標準的12.2 米長,內徑2.8 米的金屬圓柱體,它可以提供與40 英尺ISO 集裝箱相等的容積。

在這個巨大的圓柱體中擁有12 個機架,共裝備864 台標準的數據中心服務器以及高達27.6PB 的磁盤儲存容量。

根據官方公佈的信息,它可以實現90 天內從工廠發貨到最終上線工作,並且在無需維護的情況下持續運行長達5 年之久。

它對生活有什麼好處麼?

現在,我們的生活已經離不開無處不在的互聯網,而這其中數據中心便是其中最為重要的組成部分,例如微軟Azure、亞馬遜AWS、阿里雲和騰訊雲等一眾互聯網公司所大力宣傳的雲計算,便基於分佈在全球各地的數據中心。

不僅是雲計算平台,它也是人工智能的技術基礎。

人工智能技術需要的機器學習模型等數據,皆被儲存在一個個數據中心中,我們使用支付寶、微信支付等交易數據還有淘寶、京東等網絡交易記錄,都被這一個個數據中心所記錄著。

並且智能手機和智能家居等物聯網設備的快速發展,使得計算行業對於數據中心的需求呈現出指數級增長。

目前數據中心的數量,在未來已經不足以滿足用戶需求。

目前世界上有一半以上的人口,生活在距離海岸約193 公里以內的區域,之所以將數據中心部署在沿海城市附近的數據,主要是為了減少數據中心與用戶之間的距離,這樣的話可以為沿海居民帶來更好的網絡體驗,並且在人口聚集地區可以有效緩解對於雲計算基礎設施的需求以提高效率。

微軟將數據中心放在海底,這會是未來麽?

▲固定在基座上的數據中心

根據設想,海底數據中心採用的是模塊化設計,每個部分都根據需求實現尺寸定制以實現快速部署,這樣不僅可以有效降低數據中心在建造時所耗費的成本,並且在後期發現其已經不足以滿足計算需求的情況下,可以及時地去進行增加。

微軟CEO 薩提亞·納德拉曾表示,Project Natick 是一個極具探索性的項目,它的成功不僅可以微軟核心業務作出重要貢獻,甚至可以為整個計算行業帶來變革。

用潛艇技術建造的數據中心

潛艇是一種大型抗壓容器,其內部安裝了各種用於艦艇管理的數據管理系統等基礎設施,這些系統需要滿足潛艇對於電力、體積、重量、熱平衡和冷卻等各方面的嚴格要求。

運營在海底的數據中心,由於其特殊性,在很多方面與潛艇有很大的相似之處。

為了保證海底數據中心可以長時間穩定運行,微軟與法國Naval 集團達成合作,主要將其在軍艦、潛艇等領域的工業設計和製造維護的技術運用於自家海底數據中心的建設。

數據中心是發熱大戶,為了保證其在海底可以有效地進行散熱工作,Naval 集團改造了用於潛艇冷卻的熱交換系統,以保證其可以適用於海底數據中心。

這套散熱系統主要是利用管道,將海水直接流過服務器機架背面的散熱裝置,在加熱的同時被排回大海;

由於海水較大的比熱容而且較快的流動性,從數據中心排出的熱水可以很快的與周圍的海水融合冷卻,如此反复,可以有效地降低數據中心的溫度。

微軟將數據中心放在海底,這會是未來麽?

▲裝配中的Northern Isles 數據中心

數據中心螺栓封死且所有系統在法國的工廠經過完整的檢查測試之後,該團隊便會將其裝載到一輛18 輪的卡車後部並將其運輸至奧克尼群島。

在那裡,它會被安裝到一個填滿壓艙重物的三角形基座上,然後緩緩沉入117 英尺之下的岩質海床中,在這之後,已經提前鋪設完成的海底電纜會與其相連接,以實現其與陸地操作中心的數據交互。

由可再生能源實現的環保供電

微軟海底數據中心的部署地附近,便是歐洲海洋能源中心潮汐渦輪機與海浪能量轉換裝置的試驗場地,它們利用海水的流動產生電力。

在那裡,潮汐速度最高可達每小時9 英里,海浪週期洶湧著高達10 英尺的巨浪,在遇到風暴的情況下,高度甚至可以達到60 英尺以上。

不僅海底有潮汐渦輪機等裝置可以實現發電,海岸上還有高聳的風力發電機以及佈滿屋頂的太陽能電池板。

它們每天以100% 可再生能源的方式為島上10000 名居民提供著豐富的電力,海底數據中心也由這些設備提供電力,根據官方提供的數據,其在滿負荷運行的情況下功率低於250kW。

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▲奧克尼群島的風車

微軟雲計算和企業部門雲基礎架構戰略總經理Christian Belady 表示,利用海洋、太陽能等可再生能源為數據中心提供電力,是微軟的一大願景。

他指出,利用這些可再生能源不僅讓數據中心實現能源自給自足,並且在電力供應方面不會受到地域和能源供應的限制,這樣的話即使部署地區電力供應情況不夠穩定,也不需要昂貴的備用發電機來提供電力。

「我們希望可以根據客戶需求,在地球上任何地方快速部署數據中心」Belady 稱,長期以來他一直在倡導嘗試探索數據中心和可再生能源相結合,以簡化和加速雲計算基礎設施的建設工作。

關於這個項目的一些疑問

這個項目目前已經進入第二階段的實驗工作,但是其正式商用的時間尚未確定。

由於Project Natick 項目的設備主體位於海底,因此容器的外殼耐腐蝕性、對海洋生物的影響以及水壓的承受均不容忽視。

微軟將數據中心放在海底,這會是未來麽?

Natick 項目規劃

對於存在的這些問題,Culter 給出了這樣的一份答卷:

1. 關於海水腐蝕的問題:

材料選擇方面,鈦合金雖然可以達到極佳的性能、並且抗腐蝕性優異,但是由於高昂的造價因此並不適用於容器的製作;

複合材料在目前備受關注,並且它也具有極強的抗腐蝕性以及相對優異的成本優勢,但是它並不能承受過大的水壓,因此無法被使用。

在材料方面,最終選擇使用鋼鐵作為容器的製作材料,為了防止容器的腐蝕,其表面做了大量的塗層以避免與海水的直接接觸;

並且為了防止由於塗層脫落導致腐蝕的發生,還採用了陰極保護的手法,之所以選擇鋅是因為它不會對海洋環境造成傷害。

2. 關於海洋生物的問題

例如藤壺、貝殼等海洋生物聚集在容器表面也是不容忽視的一個問題,為了避免海洋生物聚集在容器表面導致不必要的損失,他們選擇使用加速表面水流和光滑塗層的方案。

由於光滑塗層的採用,污垢、細菌等無法在容器表面堆積,也就使得海洋生物並不會在容器表面聚集。

微軟將數據中心放在海底,這會是未來麽?

▲Natick 項目第一階段下海

3. 關於容器散熱的問題

Project Natick 目前已經經歷了兩個階段,其中第一階段主要是利用內外雙散熱格柵的方式,進行海水交換以解決設備的散熱問題,但是外部的格柵很容易因為海洋生物的堆積而出現故障。

目前第二階段的方案已經取消了外部交換格柵,並採用海水吸入的方式來保證散熱的效果。

雖然這個方案可以有效地降低成本並且保證散熱的高效性,但是海洋生物也會因此進入內部格柵而堆積。

為了解決這個問題,在格柵內部的管道均覆蓋了極為光滑的塗層,並且設備中有電解產氯的設備,其產生的氯氣足以殺死海水中的細菌等,並且由於氯氣可以很快地溶於海水,因此不會對海水造成污染。

4. 關於海水壓力問題

水底的壓力是可怕的,經過多重考慮最終將這套設備設計為圓形,是因為任何矩形都會因為海水壓力的問題導致損壞,而圓形可以盡可能的降低壓力。

容器的設計方面,其可以實現150m 深度安全運行,並且極限深度為290m,但是測試過程中部署的深度僅為100m。

相較於第一階段部署深度20m 且高達75mm 的塗層而言,第二階段已經大幅度提高其性能,實現100m 部署深度並且塗層厚度僅為19mm。

微軟將數據中心放在海底,這會是未來麽?

▲Natick 項目第二階段下海

對於數據中心存在的系統維護問題,由於目前的技術限制,目前只能選擇放棄損壞的數據中心並進行更換。

項目官網存在這樣的兩個視頻鏈接,其來自於海底數據中心表面的攝像頭,它們每時每刻都在向外傳輸周圍環境的情況。

對於這個項目更多的疑問,可以查看微軟技術大會官方錄製的視頻,以獲得更深層次的內容解答。

參考鏈接:

https://natick.research.microsoft.com/

https://www.microsoft.com/china/events/video_337

https://www.microsoft.com/china/events/video_233

閱讀原文

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