微软将数据中心放在海底 这会是未来么?

2018-12-01 10:20 极客公园

  2018 年 6 月,苏格兰奥克尼群岛上,一群来自微软的工程师聚集在一起,他们见证了代号「北方群岛」(Northern Isles)的大型数据中心正式下海,但是对于这项技术仍有许多疑问,上海举办的微软技术暨生态大会上,微软全球研究院首席项目经理 Ben Cutler 对于这个项目存在的所有疑问进行了公开解答。

  为什么要设立海底数据中心?

  2014 年 7 月,一名微软员工脑洞大开,提出了将数据中心放在海底的想法,在大多数人认为这是不可能的情况下,研究院的高层并没有无视这名员工,反而将其提上日程并在接下来的 12 月内完成了概念原型机的制作工作。

  原型设备制作完成后,他们并没有直接将其部署至海底环境,而是选择在加州附近相对平静的浅水区域进行部署测试工作,在接下来的 105 天内研究人员发现这个数据中心非但没有出现问题,反而是平稳运行,在这样的结论下,他们便开始进行第二阶段的试验操作,主要是检测其在环境、经济以及物流运输方面存在的可能性。

  Natick 开发团队:高级研发工程师 Mike Shepperd、高级软件工程师 Sam Ogden、高级技术人员 Spencer Fowers、研究人员 Eric Peterson 和项目经理 Ben Cutler

  从外表来看,这些将被部署在海底的数据中心都是标准的 12.2 米长,内径 2.8 米的金属圆柱体,它可以提供与 40 英尺 ISO 集装箱相等的容积。在这个巨大的圆柱体中拥有 12 个机架,共装备 864 台标准的数据中心服务器以及高达 27.6PB 的磁盘储存容量。根据官方公布的信息,它可以实现 90 天内从工厂发货到最终上线工作,并且在无需维护的情况下持续运行长达 5 年之久。

  它对生活有什么好处么?

  现在,我们的生活已经离不开无处不在的互联网,而这其中数据中心便是其中最为重要的组成部分,例如微软 Azure、亚马逊 AWS、阿里云和腾讯云等一众互联网公司所大力宣传的云计算便基于分布在全球各地的数据中心。

  不仅是云计算平台,它也是人工智能的技术基础,人工智能技术需要的机器学习模型等数据皆被储存在一个个数据中心中,我们使用支付宝、微信支付等交易数据还有淘宝、京东等网络交易记录都被这一个个数据中心所记录着。并且智能手机和智能家居等物联网设备的快速发展使得计算行业对于数据中心的需求呈现出指数级增长,目前数据中心的数量在未来已经不足以满足用户需求。

  目前世界上有一半以上的人口生活在距离海岸约 193 公里以内的区域,之所以将数据中心部署在沿海城市附近的数据,主要是为了减少数据中心与用户之间的距离,这样的话可以为沿海居民带来更好的网络体验,并且在人口聚集地区可以有效缓解对于云计算基础设施的需求以提高效率。

  固定在基座上的数据中心

  根据设想,海底数据中心采用的是模块化设计,每个部分都根据需求实现尺寸定制以实现快速部署,这样不仅可以有效降低数据中心在建造时所耗费的成本,并且在后期发现其已经不足以满足计算需求的情况下可以及时的去进行增加。

  微软 CEO 萨提亚·纳德拉曾表示,Project Natick 是一个极具探索性的项目,它的成功不仅可以微软核心业务作出重要贡献,甚至可以为整个计算行业带来变革。

  用潜艇技术建造的数据中心

  潜艇是一种大型抗压容器,其内部安装了各种用于舰艇管理的数据管理系统等基础设施,这些系统需要满足潜艇对于电力、体积、重量、热平衡和冷却等各方面的严格要求,运营在海底的数据中心由于其特殊性,在很多方面与潜艇有很大的相似之处。

  为了保证海底数据中心可以长时间稳定运行,微软与法国 Naval 集团达成合作,主要将其在军舰、潜艇等领域的工业设计和制造维护的技术运用于自家海底数据中心的建设。

  数据中心是发热大户,为了保证其在海底可以有效地进行散热工作,Naval 集团改造了用于潜艇冷却的热交换系统以保证其可以适用于海底数据中心。

  这套散热系统主要是利用管道将海水直接流过服务器机架背面的散热装置,在加热的同时被排回大海,由于海水较大的比热容而且较快的流动性,从数据中心排出的热水可以很快的与周围的海水融合冷却,如此反复,可以有效地降低数据中心的温度。

  数据中心螺栓封死且所有系统在法国的工厂经过完整的检查测试之后,该团队便会将其装载到一辆 18 轮的卡车后部并将其运输至奥克尼群岛。在那里,它会被安装到一个填满压舱重物的三角形基座上然后缓缓沉入 117 英尺之下的岩质海床中,在这之后,已经提前铺设完成的海底电缆会与其相连接,以实现其与陆地操作中心的数据交互。

  由可再生能源实现的环保供电

  微软海底数据中心的部署地附近便是欧洲海洋能源中心潮汐涡轮机与海浪能量转换装置的试验场地,它们利用海水的流动产生电力。在那里,潮汐速度最高可达每小时 9 英里,海浪周期汹涌着高达 10 英尺的巨浪,在遇到风暴的情况下高度甚至可以达到 60 英尺以上。

  不仅海底有潮汐涡轮机等装置可以实现发电,海岸上还有高耸的风力发电机以及布满屋顶的太阳能电池板,它们每天以 100% 可再生能源的方式为岛上 10000 名居民提供着丰富的电力,海底数据中心也由这些设备提供电力,根据官方提供的数据,其在满负荷运行的情况下功率低于 250kW。

  微软云计算和企业部门云基础架构战略总经理 Christian Belady 表示,利用海洋、太阳能等可再生能源为数据中心提供电力是微软的一大愿景。他指出,利用这些可再生能源不仅让数据中心实现能源自给自足,并且在电力供应方面不会受到地域和能源供应的限制,这样的话即使部署地区电力供应情况不够稳定也不需要昂贵的备用发电机来提供电力。

  「我们希望可以根据客户需求在地球上任何地方快速部署数据中心」Belady 称,长期以来他一直在倡导尝试探索数据中心和可再生能源相结合以简化和加速云计算基础设施的建设工作。

  关于这个项目的一些疑问

  这个项目目前已经进入第二阶段的实验工作,但是其正式商用的时间尚未确定。

  由于 Project Natick 项目的设备主体位于海底,因此容器的外壳耐腐蚀性、对海洋生物的影响以及水压的承受均不容忽视。

  Natick 项目规划

  对于存在的这些问题,Culter 给出了这样的一份答卷:

  1. 关于海水腐蚀的问题:

  材料选择方面,钛合金虽然可以达到极佳的性能、并且抗腐蚀性优异,但是由于高昂的造价因此并不适用于容器的制作;复合材料在目前备受关注,并且它也具有极强的抗腐蚀性以及相对优异的成本优势,但是它并不能承受过大的水压,因此无法被使用。

  在材料方面,最终选择使用钢铁作为容器的制作材料,为了防止容器的腐蚀,其表面做了大量的涂层以避免与海水的直接接触;并且为了防止由于涂层脱落导致腐蚀的发生,还采用了阴极保护的手法,之所以选择锌是因为它不会对海洋环境造成伤害。

  2. 关于海洋生物的问题

  例如藤壶、贝壳等海洋生物聚集在容器表面也是不容忽视的一个问题,为了避免海洋生物聚集在容器表面导致不必要的损失,他们选择使用加速表面水流和光滑涂层的方案。

  由于光滑涂层的采用,污垢、细菌等无法在容器表面堆积也就使得海洋生物并不会在容器表面聚集。

  Natick 项目第一阶段下海

  3. 关于容器散热的问题

  Project Natick 目前已经经历了两个阶段,其中第一阶段主要是利用内外双散热格栅的方式进行海水交换以解决设备的散热问题,但是外部的格栅很容易因为海洋生物的堆积而出现故障。

  目前第二阶段的方案已经取消了外部交换格栅,并采用海水吸入的方式来保证散热的效果。虽然这个方案可以有效的降低成本并且保证散热的高效性,但是海洋生物也会因此进入内部格栅而堆积。

  为了解决这个问题,在格栅内部的管道均覆盖了极为光滑的涂层并且设备中有电解产氯的设备,其产生的氯气足以杀死海水中的细菌等,并且由于氯气可以很快的溶于海水,因此不会对海水造成污染。

  4. 关于海水压力问题

  水底的压力是可怕的,经过多重考虑最终将这套设备设计为圆形是因为任何矩形都会因为海水压力的问题导致损坏,而圆形可以尽可能地降低压力。

  容器的设计方面,其可以实现 150m 深度安全运行,并且极限深度为 290m,但是测试过程中部署的深度仅为 100m。相较于第一阶段部署深度 20m 且高达 75mm 的涂层而言,第二阶段已经大幅度提高其性能,实现 100m 部署深度并且涂层厚度仅为 19mm。  

  对于数据中心存在的系统维护问题,由于目前的技术限制,目前只能选择放弃损坏的数据中心并进行更换。

  项目官网存在这样的两个视频链接,其来自于海底数据中心表面的摄像头,它们每时每刻都在向外传输周围环境的情况。对于这个项目更多的疑问,可以查看微软技术大会官方录制的视频以获得更深层次的内容解答。

责编:连丽敏
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