De geboorte en ontwikkeling van onderwaterdatacenters

Weinigen zijn zich ervan bewust dat het concept van onderwaterdatacenters is ontstaan ​​tijdens de ThinkWeek van Microsoft in 2014, een interne brainstormsessie. Het werd voorgesteld door een medewerker met ervaring in het bedienen van marineonderzeeërs. Microsoft voerde de eerste experimenten uit, waarbij een datacenter vijf maanden lang onder water werd gehouden, met veelbelovende resultaten.

Meest recentelijk, in 2018, stuurde Microsoft een onderzeeër vol met 864 servers die 27,6 petabytes aan gegevens kon opslaan naar de bodem van de Orkney-eilanden, ten noordoosten van Schotland. Twee jaar later, in juni 2020, bracht Microsoft het aan land voor evaluatie. De resultaten laten zien dat het onderzeese datacenter in alle opzichten beter presteert dan traditionele datacenters, en dat het uitvalpercentage in het water een achtste is van dat op het land.

Waarom steekt Microsoft zijn datacenter onder water? Kan na de pilot de bouw van onderzeese datacenters op grote schaal worden gepromoot?

Het antwoord is simpel: maximaliseer de beschikbare middelen. Tegelijkertijd lost het veel tekortkomingen van landdatacenters op.

Ten eerste zijn onderzeese datacenters veiliger en stabieler: datacenters zijn kwetsbaar en gevuld met zeer geavanceerde componenten die kunnen worden beschadigd door temperatuurveranderingen, zuurstofcorrosie en zelfs botsingen bij het vervangen van beschadigde onderdelen. Maar in een vacuümomgeving waar de temperatuur kan worden gecontroleerd, zuurstof en waterdamp kunnen worden afgezogen en menselijke tussenkomst kan worden geïsoleerd, zullen de veiligheid en stabiliteit van het datacenter aanzienlijk worden verbeterd.

Onder de zee is ongetwijfeld een ideale gegevensbron - niet alleen geïsoleerd van de zuurstof en waterdamp van het land, en een einde maken aan menselijk ingrijpen.

Ten tweede, en het allerbelangrijkste, hebben zeewatergekoelde servers een uniek voordeel, en is koeling een grote kostenpost voor datacenters op het land. Volgens openbare gegevens wordt 41% van de jaarlijkse elektriciteitskosten van een datacenter gebruikt voor koeling, en is het jaarlijkse elektriciteitsverbruik van datacenters wereldwijd goed voor ongeveer 2% van de totale elektriciteitsproductie in de wereld. Onder hen vertegenwoordigen de kosten van energieverbruik 30% tot 50% van de gehele IT-industrie.

Waarom is koeling zo duur? In datacenters op het land zijn er meestal twee manieren om gegevens te koelen: de eerste is het gebruik van mechanische koeling, dat wil zeggen het koelen van de server met een zwaar airconditioningsysteem. Deze koelmethode moet echter elke keer veel elektriciteit verbruiken. dag, en de kosten waren hoog.

De andere is om de server te koelen door lucht- en waterverdamping. Deze van nature begaafde methode is veel goedkoper dan de eerste, maar heeft ook zijn eigen tekortkomingen: de voltooiingsgraad en de koelkwaliteit worden bepaald door de externe luchttemperatuur en watercondities, en de menselijke manoeuvreerbaarheid is te laag.

Zeewater met een hogere warmtecapaciteit kan overtollige warmte opslaan die door het datacenter wordt gegenereerd: er is alleen een warmtewisselaar nodig om de warmte van het datacenter over te dragen aan het omringende zeewater, het is als het ware een combinatie van twee traditionele manieren van koelen: stabiel en vrij gebruik van natuurlijke hulpbronnen.

Ten derde is de bevolkingsdichtheid aan de kust hoog, is de datatransmissie snel en is de efficiëntie van cloud computing hoger: om land- en bedrijfskosten te besparen kiezen traditionele datacenters doorgaans voor dunbevolkte afgelegen gebieden, wat direct leidt tot te trage datatransmissie en te veel datatransmissie. veel vertraging. Onderzeese datacenters zijn anders:

Ongeveer 50 procent van de wereldbevolking woont binnen 150 kilometer van een kustlijn. Het bouwen van het datacenter onder zee bespaart kosten en ligt dichtbij woonwijken, waardoor twee vliegen in één klap worden geslagen.

Daarnaast zijn er nog vele andere voordelen:

We kunnen bijvoorbeeld de getijdenenergie van de oceaan gebruiken om koolstofneutrale elektriciteit in de oceaan te verkrijgen; Onderzeese bandbreedte kan via pijpleidingen worden aangesloten om de datatransmissie te versnellen; Traditionele administratieve rompslomp kan worden omzeild bij het bouwen van een onderzees datacenter: servers kunnen in waterdichte silo's op assemblagelijnen worden gebouwd en per vrachtschip naar zee worden verscheept om daar te worden ingezet. Zoals Microsoft zegt, kunnen deze serverpods binnen 90 dagen worden ingezet; terwijl de bouw van traditionele datacenters één tot twee jaar duurt.

Theoretisch gezien hebben onderzeese datacenters veel voordelen, dus hoe moeilijk is het te verwezenlijken? -- Microsoft heeft het eerste antwoord.

Microsoft begon al in 2015 de haalbaarheid van het bouwen van datacenters onder water te onderzoeken en lanceerde vervolgens Project Natick.

In de eerste fase van het Natick-project, in 2015, voerde het Microsoft-onderzoeksteam een ​​experiment van 105-dagen uit om de bescherming tegen lekkage te maximaliseren, waarbij ervoor werd gezorgd dat het datacenter in een waterdichte container werd geplaatst. Het experiment was een succes: Microsoft ontdekte dat de waterdichtheid van de servicemodule in zeewater gegarandeerd kon worden.

Dus in de tweede fase probeert Microsoft het experiment vooruit te helpen en het project binnen te halen: "stuur de gegevens naar de oceaanbodem" om te zien of de gegevens na een paar jaar in goede staat kunnen worden bewaard. Microsoft plaatste een datacenter in een afgesloten stalen container, vulde deze met stikstof en gebruikte vervolgens een onderzeeër om de container de zee in te vervoeren.

Het experiment werd ondersteund door het European Marine Energy Centre (EMEC): EMEC leverde niet alleen expertise op het gebied van ondersteuning van hernieuwbare energie, maar trad ook op als geografisch adviseur rond Orkney - EMEC leverde zelfs de onderzeese kabel die het datacenter met de kust verbindt.

De onderzeeër die de server de diepe zee in brengt heet Leona Philpot, een personage uit het spel Halo. Het zeilde de duisternis van de Noordzee in nabij Ornik, Schotland.

Waarom Orkney? Enerzijds experimenteert het European Marine Energy Centre (EMEC) hier al veertien jaar met getijden- en golfenergie, omdat Orkney een belangrijk centrum voor onderzoek naar duurzame energie is. Aan de andere kant heeft Orkney een koud klimaat, wat helpt de koelingskosten voor datacenters te verlagen.

Microsoft heeft het datacenter op minder dan een kilometer van de zeebodem geplaatst en omgevingssensoren in witte hogedrukcompartimenten geplaatst om de status ervan in realtime te monitoren. Het datacenter en de oceaan zijn ‘naadloos’: hun stroombehoeften worden opgevangen via onderzeese kabels, en gegevens worden gemakkelijk naar de wijdere wereld voor de kust verzonden. In 2018 werd het Microsoft North Sea-datacenter voltooid: in totaal 864 servers, 27,6 PB geheugen, om de prestaties te testen, een diepe duik van twee jaar.

Sterker nog, de onderzoekers maken zich het meest zorgen over de schade aan het datacenter: zodra de computers in het onderwaterdatacenter uitvallen, kunnen ze niet meer worden gerepareerd. Gelukkig pakte het goed uit. In augustus 2020 waren alle computers geborgen; slechts acht van de ruim 800 faalden, een lager uitvalpercentage dan in datacenters op het land.

Hoe bereik je een laag verlies? De onderzoekers van het project speculeren dat enerzijds het koude weer als buffer fungeerde; Aan de andere kant speelt stikstof ook een beschermende rol. Kortom, deze kleinschalige test valideert verder de mogelijkheid en waarde van onderzeese opslag. Projectonderzoekers zeiden dat het project niet alleen een laag uitvalpercentage heeft, maar dat de volledige stroomvoorziening van het datacenter afkomstig is van wind- en zonne-energie, waarbij volledig gebruik wordt gemaakt van natuurlijke hulpbronnen.

Bovendien zijn, in overeenstemming met de theorie, de beheerkosten, de bouwkosten en de verliezen bij natuurrampen en andere noodsituaties van het onderzeese datacenter allemaal lager dan die van het landdatacenter.

Dit is echter slechts een tijdelijke overwinning. Het volume van ruim 800 servers is verre van dat van datacenters op het land; datacenters op het land beschikken immers over tienduizenden servers. In zekere zin is dit datacenter meer experimenteel dan praktisch en kan het gezien worden als een klein proefproject voor Microsoft. Microsoft-CEO Satya Nadella zei dat het onderwaterdatacenter Project Natick over de hele wereld zal repliceren.

Als Microsoft het onderzeese datacenter met succes wil promoten, kan het niet zonder het moeilijke probleem in dit stadium te doorbreken:

Ten eerste stuitte het experiment van Microsoft op veel milieuscepsis. Ian Bitterlin, hoogleraar datastudies, is van mening dat de hitte die door datacenters wordt gegenereerd de temperatuur van het oceaanwater kan beïnvloeden. Hoe te bewijzen dat het onderzeese datacenter geen grotere vervuiling van het mariene milieu zal veroorzaken en hoe mogelijke vervuilingsrisico's kunnen worden vermeden, moet door het Microsoft-team worden opgelost.

Ten tweede lijkt de schade aan 8 servers op meer dan 800 servers geen groot aantal te zijn, maar zodra het onderzeese datacenter wordt gepromoot, zal het verlies waarschijnlijk honderdduizenden eenheden bedragen, en dan is de noodzaak om de bijbehorende onderwaterdatacenters te bouwen onderhoudsservicestation, evenals complete oplossingen voor apparatuuronderhoud.

Ten derde is de kust, zoals Ian Bitlin opmerkt, niet de beste plek om een ​​datacenter te bouwen. Hoewel het verkeer aan de kust veel hoger is dan in de wildernis, is het nog steeds niet zo uitgebreid als het datacenter in de grote stad. .

Natuurlijk is het Natick-project niet alleen een impuls voor de bouw van onderzeese datacenters. Zelfs als onderzeese datacenters niet opschalen, bieden deze creatieve experimenten waardevolle lessen voor de datacenterindustrie.

Bij het bouwen van een onderwaterdatacenter op de Ornik-eilanden werd het team bijvoorbeeld geïnspireerd door de elektriciteit die wordt geleverd door wind- en zonne-energie. De onderzoekers zeiden dat ze in de toekomst zouden kunnen overwegen om onderwaterdatacenters in te zetten met offshore windparken, door windenergie te lenen energie om het datacenter van stroom te voorzien, waarbij twee vliegen in één klap worden geslagen, of zelfs elektriciteitskabels aan land worden gekoppeld aan de optische kabels die nodig zijn om gegevens te verzenden.

Als gevolg hiervan zoekt Microsoft naar manieren om de voordelen van het onderzeese model te repliceren naar datacenters op het land, zoals lage serverslijtage en hoge beveiliging.

Project Natick heeft het potentieel om de implementatie van datacenters radicaal te veranderen, door flexibiliteit, snelle constructie en efficiënte schaalbaarheid te bieden. Hoewel Microsoft voornemens is het succes van Project Natick wereldwijd te repliceren, zijn de uitdagingen onder meer milieuproblemen en de behoefte aan onderwateronderhoudsstations in het geval van wijdverbreide implementatie. De experimenten van Microsoft verleggen niet alleen de grenzen van de technologie, maar bieden ook waardevolle inzichten voor de hele sector. De innovatieve aanpak van Microsoft, of deze nu succesvol is of niet, betekent een aanzienlijke stap voorwaarts in de datacenterindustrie.