Народження та розвиток підводних центрів обробки даних

Мало хто знає, що концепція підводних центрів обробки даних виникла під час внутрішнього мозкового штурму Microsoft ThinkWeek у 2014 році. Його запропонував співробітник з досвідом експлуатації підводних човнів ВМФ. Корпорація Майкрософт провела початкові експерименти, зануривши центр обробки даних під воду на п’ять місяців із багатообіцяючими результатами.

Нещодавно, у 2018 році, Microsoft відправила підводний човен із серверами 864, здатний зберігати 27,6 петабайт даних, на дно Оркнейських островів, на північний схід від Шотландії. Через два роки, у червні 2020 року, Microsoft вивезла його на берег для оцінки. Результати показують, що підводний центр обробки даних працює краще, ніж традиційні центри обробки даних, у всіх аспектах, а рівень відмов у воді становить одну восьму, ніж на суші.

Чому Microsoft розміщує свій центр обробки даних під водою? Чи можна після пілоту розгорнути будівництво підводних дата-центрів у великих масштабах?

Відповідь проста: максимізувати доступні ресурси. Водночас це усуває багато недоліків наземних ЦОД.

По-перше, підводні центри обробки даних безпечніші та стабільніші: центри обробки даних делікатні й наповнені високоскладними компонентами, які можуть бути пошкоджені змінами температури, кисневою корозією та навіть зіткненнями під час заміни пошкоджених частин. Але у вакуумному середовищі, де можна контролювати температуру, витягувати кисень і водяну пару та ізолювати людське втручання, безпека та стабільність центру обробки даних буде значно покращено.

Під морем, безсумнівно, є ідеальне джерело даних - не тільки ізольоване від суші кисень, водяна пара, і покладено край втручанню людини.

По-друге, і найважливіше, сервери з охолодженням морською водою мають унікальну перевагу, а охолодження є основними витратами для наземних центрів обробки даних. Згідно з відкритими даними, 41% річних витрат на електроенергію центрів обробки даних використовується для охолодження, а річне споживання електроенергії центрами обробки даних у всьому світі становить близько 2% від загальної світової електроенергії. Серед них витрати на енергоспоживання становлять від 30% до 50% усієї ІТ-індустрії.

Чому охолодження таке дороге? Насправді в наземних центрах обробки даних зазвичай існує два способи охолодження даних, один — використання механічного охолодження, тобто охолодження сервера за допомогою потужної системи кондиціонування повітря, але цей метод охолодження потребує споживання великої кількості електроенергії щоразу. день, а вартість була високою.

Інший — охолодження сервера повітрям і випаровуванням води. Цей природний спосіб значно дешевший за попередній, але має і свої недоліки: ступінь завершеності та якість охолодження визначаються температурою зовнішнього повітря та умовами води, а маневреність людини занадто низька.

Морська вода з більшою теплоємністю може накопичувати надлишок тепла, що генерується центром обробки даних: для передачі тепла центру обробки даних до навколишньої морської води потрібен лише теплообмінник, так би мовити, це комбінація двох традиційних методів охолодження: стабільний і безкоштовне користування природними ресурсами.

По-третє, щільність прибережного населення висока, передача даних швидка, а ефективність хмарних обчислень вища: щоб заощадити землю та експлуатаційні витрати, традиційні центри обробки даних зазвичай вибирають малонаселені віддалені райони, що безпосередньо призводить до надто повільної передачі даних, а також велика затримка. Підводні дата-центри відрізняються:

Близько 50 відсотків населення світу проживає в межах 150 кілометрів від берегової лінії. Будівництво центру обробки даних під водою економить кошти та знаходиться поблизу житлових районів, вбиваючи двох зайців одним пострілом.

Крім того, є багато інших переваг:

Наприклад, ми можемо використовувати енергію припливів океану для отримання вуглецевої нейтральної електроенергії в океані; Підводна смуга пропускання може бути підключена через конвеєри для прискорення передачі даних; При будівництві підводного центру обробки даних можна обійти традиційну бюрократичну тяганину: сервери можна будувати у водонепроникних силосах на складальних лініях і відправляти в море вантажним судном для розгортання. За словами Microsoft, ці серверні модулі можна розгорнути протягом 90 днів; тоді як створення традиційних центрів обробки даних займає від одного до двох років.

Теоретично підводні центри обробки даних мають багато переваг, тож наскільки важко цього досягти? -- Microsoft має першу відповідь.

Насправді ще в 2015 році Microsoft почала вивчати доцільність будівництва дата-центрів під водою, а потім запустила проект Natick.

На першому етапі проекту Natick у 2015 році дослідницька група Microsoft провела 105--денний експеримент, щоб максимізувати захист від витоків, переконавшись, що центр обробки даних розміщено у водонепроникному контейнері. Експеримент вдався: Microsoft виявила, що водостійкість службового модуля може бути гарантованою в морській воді.

Тому на другому етапі Microsoft намагається просунути експеримент і здійснити проект: «надішліть дані на дно океану», щоб побачити, чи можна зберегти дані в хорошому стані через кілька років. Microsoft помістила центр обробки даних у герметичний сталевий контейнер, наповнила його азотом, а потім за допомогою підводного човна транспортувала контейнер у море.

Експеримент підтримав Європейський морський енергетичний центр (EMEC): EMEC не лише надав досвід у підтримці відновлюваних джерел енергії, але й виступив географічним радником навколо Оркнейських островів — EMEC навіть надав підводний кабель, який з’єднує центр обробки даних із узбережжям.

Підводний човен, що несе сервер у глибоке море, зветься Леона Філпот, персонаж із гри Halo. Він відплив у темряву Північного моря поблизу Орніка, Шотландія.

Чому Оркнейські острови? З одного боку, оскільки Оркнейські острови є головним центром досліджень відновлюваної енергії, Європейський центр морської енергії (EMEC) експериментує з енергією припливів і хвиль тут уже 14 років. З іншого боку, Оркнейські острови мають холодний клімат, що допомагає зменшити витрати на охолодження центрів обробки даних.

Корпорація Майкрософт розмістила центр обробки даних менш ніж за кілометр від морського дна та розгорнула датчики навколишнього середовища всередині білих відсіків високого тиску, щоб контролювати його стан у режимі реального часу. Центр обробки даних і океан «безшовні»: їхні потреби в електроенергії фіксуються через підводні кабелі, а дані легко передаються в інший світ біля узбережжя. У 2018 році було завершено будівництво центру обробки даних Microsoft North Sea: загалом 864 серверів, 27,6 ПБ пам’яті, щоб перевірити продуктивність, глибоке занурення протягом двох років.

Насправді дослідники найбільше стурбовані пошкодженням центру обробки даних: коли комп’ютери в підводному центрі обробки даних виходять з ладу, їх неможливо відремонтувати. На щастя, все обійшлося добре. До серпня 2020 року всі комп’ютери були відновлені – лише вісім із понад 800 вийшли з ладу, що є меншим відсотком відмов, ніж у наземних центрах обробки даних.

Як досягти низьких втрат? Дослідники проекту припускають, що, з одного боку, холодна погода діяла як буфер; З іншого боку, азот також відіграє захисну роль. Коротше кажучи, цей маломасштабний тест додатково підтверджує можливість і цінність підводного зберігання. Дослідники проекту заявили, що проект не тільки має низький відсоток відмов, але й все живлення центру обробки даних відбувається від енергії вітру та сонця, повністю використовуючи природні ресурси.

Крім того, відповідно до теорії, витрати на управління, витрати на будівництво та втрати під час стихійних лих та інших надзвичайних ситуацій підводного центру обробки даних нижчі, ніж у наземного центру обробки даних.

Однак це лише тимчасова перемога. Обсяг понад 800 серверів далекий від наземних дата-центрів – адже наземні дата-центри мають десятки тисяч серверів. У певному сенсі цей центр обробки даних більше експериментальний, ніж практичний, і можна сказати, що це невеликий пілотний проект для Microsoft. Генеральний директор Microsoft Сатья Наделла сказав, що підводний центр обробки даних буде повторювати проект Natick у всьому світі.

Якщо корпорація Майкрософт хоче успішно просувати підводний центр обробки даних, їй не обійтися без вирішення складної проблеми на цьому етапі:

По-перше, експеримент Microsoft був зустрінутий з великим екологічним скептицизмом. Ян Біттерлін, професор досліджень даних, вважає, що тепло, яке виробляється центрами обробки даних, може впливати на температуру океанської води. Як довести, що підводний центр обробки даних не призведе до більшого забруднення морського середовища та як уникнути можливих ризиків забруднення, має вирішити команда Microsoft.

По-друге, збиток 8 серверів із понад 800 серверів, здається, не є великою кількістю, але після того, як підводний центр обробки даних буде просунуто, втрати, ймовірно, становитимуть сотні тисяч одиниць, тоді потреба побудувати відповідний підводний центр станція технічного обслуговування, а також комплексні рішення з обслуговування обладнання.

По-третє, як зазначає Ієн Бітлін, узбережжя не є найкращим місцем для будівництва дата-центру – хоча трафік на узбережжі набагато вищий, ніж у пустелі, він все одно не такий великий, як дата-центр у великому місті. .

Звичайно, проект Natick — це не лише поштовх для будівництва підводного центру обробки даних. Навіть якщо підводні центри обробки даних не масштабуються, ці творчі експерименти пропонують цінні уроки для галузі центрів обробки даних.

Наприклад, при будівництві підводного центру обробки даних на островах Орнік команду надихнула електрика, яку виробляє вітрова та сонячна енергія. Дослідники сказали, що в майбутньому вони могли б розглянути можливість розгортання підводних центрів обробки даних із офшорними вітровими електростанціями, запозиченими вітром енергії для живлення центру обробки даних, вбивши двох зайців одним пострілом або навіть прив’язавши наземні лінії електропередач до оптичних кабелів, необхідних для передачі даних.

У результаті Microsoft шукає способи відтворити переваги підводної моделі в наземних центрах обробки даних, такі як низький рівень зносу серверів і високий рівень безпеки.

Проект Natick має потенціал для революції в розгортанні центрів обробки даних, забезпечуючи гнучкість, швидке будівництво та ефективне масштабування. Незважаючи на те, що Microsoft планує відтворити успіх проекту Natick у всьому світі, проблеми включають проблеми з навколишнім середовищем і потребу в підводних станціях технічного обслуговування у разі широкого розгортання. Експерименти Microsoft не тільки розширюють межі технологій, але й пропонують цінну інформацію для всієї галузі. Інноваційний підхід Microsoft, успішний чи ні, означає значний крок вперед у галузі центрів обробки даних.