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海底能否成为未来数据中心的理想安放地？

2024/1/8 8:03:40 作者：来源：澎湃新闻
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多家企业都在尝试在数据中心置于水下。那么这种水底数据中心到底是种宣传噱头，还是真能带来更好的设施管理效果？

多家企业都在尝试在数据中心置于水下。那么这种水底数据中心到底是种宣传噱头，还是真能带来更好的设施管理效果？
　　
　　概述
　　
　　微软于2015年开始进行首次大规模水下数据中心实验。
　　
　　用于填充水下数据中心的惰性气体及液体的腐蚀性，实际上低于普通空气。
　　
　　将数据中心安放在水下的最主要原因，可能在于消除高昂的冷却成本。
　　
　　数据中心设施那巨大的耗电量正日益受到关注。从为服务器本身供电到支撑冷却设施，这些庞然大物正迅速成为电网体系的严重负担。目前，数据中心消耗的电力已经占全球总用电量的1%到3%。
　　
　　人们当然也设计过许多提高能效的方法，包括减少闲置状态的服务器CPU、将数据中心部署在额外冷却需求较低的区域、乃至改变安置硬件设备的建筑物结构等。但根据估算，这些方法只能将电力消耗降低10%左右。
　　
　　如今，部分企业正尝试将自己的数据中心安放在海底。微软早在2015年就通过其Natick项目开始了首次大规模水下数据中心实验。随后几家较小公司也纷纷跟进，并开始实际营销自家服务。
　　
　　以由斯德哥尔摩Interxion运营的数据中心为例，其他一些地上数据中心也着手尝试使用海水作为冷却系统。此外，尽管使用的循环水池仍须消耗大量电力，但浸入式冷却设计正在市场上愈发受到关注。
　　
　　很多朋友可能觉得把数据中心安放在水下纯粹是在博人眼球，但这种看似不切实际的方法确有很多值得推荐的优势。
　　
　　其一，在服务器传输和处理数据时，可以使用无限量的低温海水进行设备冷却，带走过程中产生的大量热能。据估算，目前冷却耗电已经占数据中心总用电量的40%左右。服务器过热则会显著降低运行效率，甚至导致硬件故障。考虑到电力成本在总体IT运营成本中已经占比高达70%，任何节约手段都将大大改善其经济效益。
　　
　　此外，降低能耗也就相当于减少碳排放。随着投资及立法层面对于企业的环境、社会与治理（ESG）表现提出愈发严苛的要求，数据中心运营商也的确有必要重视起这个日益关键的目标。水下数据中心就特别适合利用海洋环境中丰富的风能、波浪能等可再生能源。
　　
　　在今天的文章中，我们将根据水下数据中心运营商SubseaCloud技术经理OwenWilliams的评述，回顾这些开创性数据中心的发展历程，并探讨其是否具备长期实用性。
　　
　　第一次实验
　　
　　微软是最早探索水下数据中心的公司之一，并在项目中投入达2500万美元。这个想法最早提出自2014年ThinkWeek活动中的一份白皮书，该活动鼓励员工们提出各种不同于传统的奇思妙想。软件巨头也很快将灵感付诸行动，尝试探索其中的可行性。
　　
　　该公司于2015年8月启动了Natick项目的第一阶段。当时，微软在圣路易斯奥比斯波附近的加州海岸处投放了一个10英尺长的圆柱形结构体，其中旋转着总计24台服务器机架。其中的空间装满了运行负载的硬件托架以产生热量。这部实验装置被安放在太平洋以下30英尺深处，并在三个月后的11月进行回收。这个阶段基本上是在进行概念验证，旨在测试冷却系统是否能有效调节装置内的温度。
　　
　　第二阶段于2018年6月启动，微软当时在苏格兰奥克尼群岛的海岸处安放了另一个更大的数据中心，位置靠近欧洲海洋能源中心（EMEC），主要用于测试波浪能和潮汐能系统的工作情况。
　　
　　这次采用的数据中心比首次实验中的装置大得多。整个钢筒长40英尺、宽10英尺，约有一个集装箱大小，其中包含12个机架、可容纳864台服务器。此装置由法国海军防务公司NavalGroup负责建造，下沉尝试为117英尺。
　　
　　这套系统由可持续能源提供电力——包括陆上风能、太阳能、潮汐能以及波浪能等。冷却系统则借鉴了潜艇上已经使用的技术，即将低温海水吸入装置后部的散热器系统，再将携带了热量的温热海水排回海洋。整个吊舱内还灌满了氮气，其腐蚀性比氧气更低。
　　
　　到两年之后的2020年7月，该装置被打探回收。虽然不少服务器出现了故障，但运营方表示其故障率仅为地上数据中心平均故障率的约八分之一。
　　
　　微软公司拒绝对备受期待的第三阶段实验发表评论，只是用提前准备好的声明回复称，“虽然我们目前还没有实际部署水下数据中心，但我们将继续以Natick项目作为研究平台推动探索和测试，并验证关于数据中心可靠性及可持续性的更多新概念。”
　　
　　水下数据中心的潜在优势
　　
　　水下数据中心最吸引人的亮点之一，就是它们可以部署在更靠近大型人口中心的位置。世界上约半数人口居住在沿海地区，即距离海岸线125英里的范围之内。将数据中心安放在沿海人口中心附近，将有助于降低延迟并提高数据处理效率，从而改善各种数字服务的速度表现。
　　
　　而且可能跟很多朋友的直觉相反，把服务器本身浸入冷却液也有不少好处。首先，用于填充水下数据中心的惰性气体和液体的腐蚀性甚至低于普通空气，因此可以延长设备的使用寿命。服务器还受到保护，避免因日常移动而遭受人为损坏——即因意外撞击、设备掉落或不慎拔掉插头而导致的故障。
　　
　　SubseaCloud公司的Williams表示，这类数据中心吊舱的放置和回收维护过程也相当简单。“假设水深100米，那么只需要一个小时即可完成操作。但如果要下沉到3000米深的话，大概需要五、六个小时才能完成吊舱部署。”
　　
　　此外，容纳服务器的舱体和将服务器与地上基础设施相连的线缆组件也采用模块化设计，相对更易于制造。Williams强调，“我们还希望建立起至少一种环网结构，就是说光纤站点将设有两个连接点以提供冗余。”
　　
　　海洋环境还蕴藏着丰富的可持续能源。风能、波浪能、潮汐能乃至太阳能发电厂将可以为这些数据中心提供充足的能源，从而减少温室气体排放。乐观的支持者们认为，专门建造的此类发电设施将保证水下数据中心的长期自我维持。而且由于水下数据中心本身就需要保留传输数据用的线缆管路，所以可以轻松加设供电缆来接入地上的备用供电网络。
　　
　　SubseaCloud发布的水下吊舱渲染图。
　　
　　Williams解释道，“我们当然需要为这些设备供电，而电力可以通过地上获取。对我们来说，最完美的方案当然是把数据中心跟漂浮在海上的风电场或其他可再生能源设施对接起来。而一旦处理负载增加、用电量提升，我们还可以灵活配合地上供电。”
　　
　　而将数据中心安放在水下的最主要原因，可能在于消除高昂的冷却成本。单就冷却而言，海洋本质上属于一种无穷无尽的资源，特别是在深海区域。海底数据中心不再需要跟人类争夺本就稀缺的淡水资源，自然不会像地上数据中心那般背负“跟人抢水喝”的骂名。从这个角度看，此类设施的用水效率（WUE）将得到完美的零分。
　　
　　水下数据中心的潜在缺陷
　　
　　虽然将数据中心放置在水下确有显著优势，但可访问性仍是个有待解决的重大难题。这一点在较深水域、或者经常出现巨大浪潮的海洋区域内体现得尤其明显。毕竟就算系统已经内置冗余以避免频繁维护，水下数据中心也需要被定期拖运回支持中心来更换发生故障的服务器和部件。
　　
　　根据具体结构的大小和形状，我们还需要为这一个个吊舱找到最合理的服务器容纳数量。例如，微软提出的数据中心为圆柱形，但常规服务器却基本采用矩形设计。但算法辅助设计的解决方案有望最大限度利用物理空间，减少资源浪费。
　　
　　此外，虽然沿海地区拥有丰富的可再生能源，但其稳定性仍然高度存疑。风电场只能在有风时工作，波浪能也只在稳定的波浪活动时最为高效，而这一切都高度依赖于季节性变化。就连相对可靠的太阳能，也会随着日照的范围和强度浮动而有所增减。
　　
　　因此，将这些数据中心放置在大城市附近往往最为有效。Williams表示，“我们需要明确最好以怎样的接入方式进行供电，以及周边是否具备宽带光纤连接。”
　　
　　而且考虑到各国管辖权的问题，最好能把水下数据中心放置在海岸附近。Williams坦言，虽然部署在公海有不少好处，但大多数客户更倾向于选择受到本国法律保护的受控水域以内。当然，在某些情况下，这方面许可往往还将面临其他挑战。
　　
　　他解释称，“有些国家希望大幅加快这一进程，也比较认同这样做带来的好处。但也有一些国家相对谨慎，希望设置规则来约束水下数据中心的管理工作。也就是说，许可申请可能将耗费几周甚至是几年的时间。”
　　
　　不同水域的海水温度也不相同。海洋热浪的存在意味着水下数据中心可能需要引入备用冷却系统。有人提议预先储存冷水，借此避免因温水涌入而导致服务器无法维持正常温度、甚至由此发生故障。安装在数据中心内的传感器将确定何时使用储存在水库内的冷水。另外，也可以使用基于热电冷却机制的服务器来保证高水温时的冷却效果。
　　
　　然而，在热浪期间排出大量更高温度冷却水所造成的潜在环境破坏，仍是个有待解决的课题。高温海水可能导致脱氧，进而对周边海底生物造成有害影响。
　　
　　考虑到现有水下项目一般规模较小，所以大规模部署海底数据中心带来的生态影响也尚不明确。在被拖出水面时，微软的数据中心已经被大量海洋生物所包裹，这表明至少部分生物体已经适应了环境中这类异物的存在。微软还专门申请了利用数据中心充当人工鱼礁的技术专利。
　　
　　而在选择部署位置时，则必须考虑海底环境的稳定性。Williams在跟同事们讨论最佳选址时，就强调必须选择地震活动相对较少的点位。
　　
　　此外，安全隐患也是不得不防。虽然对于普通犯罪分子来说，接触水下数据中心实在没那么简单，但那帮死硬派的恶意人士仍可能掌握正确的知识和设备来破坏基础设施服务。有人提到，声波攻击可能导致硬盘驱动器崩溃并干扰数据中心的本体结构。
　　
　　Williams指出，SubseaCloud的数据中心受到严格监控，以防范任何人为和非人为形式的干扰。
　　
　　他解释称，“每个吊舱都部署有震动传感器，每个角落也都安放了摄像头。我们还可以远程开启和关闭照明灯。”因此一旦出现问题查，“我们可以马上查看摄像头和震动传感器，了解现场发生了什么。”
　　
　　关于建设水下数据中心的实际举措
　　
　　尽管微软似乎已经暂停了其水下数据中心项目（至少是对其进展守口如瓶），但仍有几家公司正努力把这项业务推向市场。
　　
　　SubseaCloud目前就有多个项目正在运行。他们宣布在北海、华盛顿州安吉利斯港附近及墨西哥湾处部署了数据中心。但公司发言人拒绝透露各计划设施的具体数量和位置。
　　
　　与微软不同，SubseaCloud的吊舱采用矩形结构，更适配常规服务器和机架的形状。这些结构中填充的也不是氮气，而是油性粘稠流体。一部分吊舱甚至可以部署在深达9850英尺的海底。
　　
　　Williams强调，“我们不是靠粗暴增加壁厚的方式对抗水压，而是直接用液体填充了整个吊舱。这样吊舱内部的压力就与外部水压相同，保证我们可以使用非常轻薄的舱壁设计。”
　　
　　Williams介绍称，这种设计不需要像微软项目那样消耗额外的电力来驱动气体循环。他兴奋地表示，“我们吊舱中的冷却机制，不依赖于任何额外的活动部件。”
　　
　　该公司计划每三到五年对设备进行一次检修，但也可以遵循客户提出的时间表。这些吊舱本身的设计使用寿命约为25年，并且可以多次重复使用。
　　
　　另外一家公司也在积极探索对服务器的设计改造。北京汉兰达数字技术有限公司就于2021年在中国珠海沿岸下沉了包含四台服务器机架的原创模型。该公司采用的是类似于微软项目的圆柱形吊舱，并在之后的实验中在海南三亚市近海建立了一处由100多艘船只组成的数据中心。该公司于2022年12月开始正式运营，前两家客户均为电信企业，目前公布的业绩相当令人满意。
　　
　　虽然这项新技术尚未得到广泛采用，但只要早期努力完成了积累和完善，相信很快我们日常享受的流媒体影视、银行交易等各种服务都可能“鱼翔浅底”，拥抱广阔的海洋新家园。
　　
　　编辑：Harris
　　

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