تولد و توسعه مراکز داده زیر آب

تعداد کمی می دانند که مفهوم مراکز داده زیر آب در طول جلسه ThinkWeek مایکروسافت در سال 2014، یک جلسه طوفان فکری داخلی، سرچشمه گرفت. این توسط یک کارمند با تجربه عملیات زیردریایی نیروی دریایی پیشنهاد شد. مایکروسافت آزمایش‌های اولیه را انجام داد و یک مرکز داده را به مدت پنج ماه در زیر آب غوطه‌ور کرد و نتایج امیدوارکننده‌ای داشت.

اخیراً، در سال 2018، مایکروسافت یک زیردریایی مملو از سرورهای 864 و قادر به ذخیره 27.6 پتابایت داده به انتهای جزایر اورکنی، در شمال شرقی اسکاتلند فرستاد. دو سال بعد، در ژوئن 2020، مایکروسافت آن را برای ارزیابی به ساحل آورد. نتایج نشان می‌دهد که مرکز داده زیردریایی در همه جنبه‌ها بهتر از مراکز داده سنتی عمل می‌کند و میزان خرابی در آب یک هشتم نسبت به خشکی است.

چرا مایکروسافت مرکز داده خود را در زیر دریا قرار می دهد؟ آیا بعد از پایلوت می توان ساخت مراکز داده زیردریایی را در سطح وسیع تبلیغ کرد؟

پاسخ ساده است: منابع موجود را به حداکثر برسانید. در عین حال بسیاری از کاستی های مراکز داده زمین را برطرف می کند.

اول، مراکز داده زیر دریا ایمن تر و پایدارتر هستند: مراکز داده ظریف و پر از اجزای بسیار پیچیده هستند که می توانند در اثر تغییرات دما، خوردگی اکسیژن و حتی برخورد هنگام تعویض قطعات آسیب دیده آسیب ببینند. اما در یک محیط خلاء که می توان دما را کنترل کرد، اکسیژن و بخار آب را استخراج کرد و دخالت انسان را جدا کرد، امنیت و پایداری مرکز داده تا حد زیادی بهبود می یابد.

زیر دریا بدون شک یک منبع داده ایده آل است - نه تنها از اکسیژن، بخار آب خشکی جدا شده و به دخالت انسان پایان می دهد.

دوم و مهمتر از همه، سرورهای خنک شونده با آب دریا مزیت منحصر به فردی دارند و خنک سازی هزینه عمده ای برای مراکز داده مستقر در زمین است. بر اساس داده های عمومی، 41 درصد از هزینه برق سالانه یک مرکز داده برای سرمایش استفاده می شود و مصرف برق سالانه مراکز داده در سراسر جهان حدود 2 درصد از کل برق جهان را تشکیل می دهد. در این میان هزینه مصرف انرژی 30 تا 50 درصد کل صنعت فناوری اطلاعات را تشکیل می دهد.

چرا سرمایش اینقدر گران است؟ در واقع در مراکز داده زمینی معمولا دو راه برای خنک کردن داده ها وجود دارد، یکی استفاده از خنک کننده مکانیکی، یعنی خنک کردن سرور با سیستم تهویه هوای سنگین، اما این روش خنک کننده نیاز به مصرف برق زیادی دارد. روز، و هزینه بالا بوده است.

دیگری خنک کردن سرور توسط هوا و تبخیر آب است. این روش با استعداد طبیعی بسیار ارزان تر از روش قبلی است، اما کاستی های خاص خود را نیز دارد: درجه تکمیل و کیفیت خنک کننده توسط دمای هوای خارجی و شرایط آب تعیین می شود و قدرت مانور انسان بسیار کم است.

آب دریا با ظرفیت گرمایی بالاتر می تواند گرمای اضافی تولید شده توسط مرکز داده را ذخیره کند: فقط یک مبدل حرارتی برای انتقال گرمای مرکز داده به آب دریای اطراف مورد نیاز است، بنابراین ترکیبی از دو روش سنتی خنک کننده است: پایدار. و استفاده رایگان از منابع طبیعی

سوم، تراکم جمعیت ساحلی بالا است، انتقال داده ها سریع است، و راندمان محاسبات ابری بالاتر است: به منظور صرفه جویی در هزینه های زمین و عملیات، مراکز داده سنتی معمولاً مناطق دورافتاده کم جمعیت را انتخاب می کنند، که مستقیماً منجر به انتقال بسیار کند داده می شود. تاخیر بسیار مراکز داده زیر دریا متفاوت هستند:

حدود 50 درصد از جمعیت جهان در 150 کیلومتری خط ساحلی زندگی می کنند. ساخت مرکز داده در زیر دریا باعث صرفه جویی در هزینه ها می شود و نزدیک به مناطق مسکونی است و دو پرنده را با یک سنگ می کشد.

علاوه بر این، بسیاری از مزایای دیگر وجود دارد:

به عنوان مثال، ما می توانیم از انرژی جزر و مدی اقیانوس برای به دست آوردن الکتریسیته خنثی از کربن در اقیانوس استفاده کنیم. پهنای باند زیر دریا را می توان از طریق خطوط لوله برای تسریع انتقال داده متصل کرد. نوار قرمز سنتی را می توان هنگام ساخت یک مرکز داده زیر دریا دور زد: سرورها را می توان در سیلوهای ضد آب در خطوط مونتاژ ساخت و با کشتی باری برای استقرار به دریا فرستاد. همانطور که مایکروسافت می گوید، این غلاف های سرور را می توان در عرض 90 روز مستقر کرد. در حالی که ساخت مراکز داده رادیاسیون یک تا دو سال طول می کشد.

از لحاظ نظری، مراکز داده زیردریایی مزایای زیادی دارند، بنابراین دستیابی به آن چقدر دشوار است؟ -- مایکروسافت اولین پاسخ را دارد.

در واقع، در اوایل سال 2015، مایکروسافت شروع به مطالعه امکان سنجی ساخت مراکز داده در زیر آب کرد و سپس پروژه Natick را راه اندازی کرد.

در مرحله اول پروژه Natick، در سال 2015، تیم تحقیقاتی مایکروسافت یک آزمایش یک روزه 105- برای به حداکثر رساندن محافظت در برابر نشت انجام داد و اطمینان حاصل کرد که مرکز داده در یک ظرف ضد آب قرار گرفته است. آزمایش موفقیت آمیز بود: مایکروسافت دریافت که مقاومت در برابر آب ماژول سرویس را می توان در آب دریا تضمین کرد.

بنابراین در مرحله دوم، مایکروسافت در تلاش است تا آزمایش را به جلو ببرد و پروژه را به زمین بفرستد: "داده ها را به کف اقیانوس بفرستید" تا ببیند آیا می توان داده ها را پس از چند سال در شرایط خوبی حفظ کرد یا خیر. مایکروسافت یک مرکز داده را در یک ظرف فولادی مهر و موم شده قرار داد، آن را با نیتروژن پر کرد و سپس از یک زیردریایی برای انتقال ظرف به دریا استفاده کرد.

این آزمایش توسط مرکز انرژی دریایی اروپا (EMEC) پشتیبانی شد: EMEC نه تنها در زمینه پشتیبانی از انرژی های تجدیدپذیر تخصص ارائه کرد، بلکه به عنوان یک مشاور جغرافیایی در اطراف اورکنی نیز عمل کرد - EMEC حتی کابل زیردریایی را ارائه کرد که مرکز داده را به ساحل متصل می کند.

زیردریایی که سرور را به اعماق دریا می برد Leona Philpot نام دارد، شخصیتی از بازی Halo. این کشتی به تاریکی دریای شمال نزدیک اورنیک اسکاتلند رفت.

چرا اورکنی؟ از یک سو، به دلیل اینکه اورکنی مرکز اصلی تحقیقات انرژی های تجدیدپذیر است، مرکز انرژی دریایی اروپا (EMEC) به مدت 14 سال در اینجا انرژی جزر و مد و امواج را آزمایش کرده است. از طرف دیگر، اورکنی دارای آب و هوای سرد است که به کاهش هزینه های خنک کننده برای مراکز داده کمک می کند.

مایکروسافت مرکز داده را کمتر از یک کیلومتر دورتر از بستر دریا قرار داده است و حسگرهای محیطی را در محفظه‌های سفید و پرفشار مستقر کرده است تا وضعیت آن را در زمان واقعی بررسی کنند. مرکز داده و اقیانوس "یکپارچه" هستند: نیازهای برق آنها از طریق کابل های زیر دریا جمع آوری می شود و داده ها به راحتی به جهان گسترده تر از ساحل منتقل می شوند. در سال 2018، مرکز داده مایکروسافت دریای شمالی تکمیل شد: در مجموع 864 سرور، 27.6PB حافظه، به منظور آزمایش عملکرد، یک شیرجه عمیق به مدت دو سال.

در واقع، محققان بیشترین نگرانی را در مورد آسیب مرکز داده دارند: هنگامی که رایانه های مرکز داده زیر آب از کار بیفتند، نمی توان آنها را تعمیر کرد. خوشبختانه به خوبی نتیجه داد. تا آگوست 2020، همه رایانه‌ها نجات یافتند - تنها هشت رایانه از بیش از 800 مورد از کار افتادند، نرخ خرابی کمتری نسبت به مراکز داده مبتنی بر زمین.

چگونه به ضرر کم برسیم؟ محققان این پروژه حدس می زنند که از یک سو، هوای سرد به عنوان یک حائل عمل می کند. از طرفی نیتروژن نیز نقش محافظتی دارد. به طور خلاصه، این آزمایش در مقیاس کوچک، امکان و ارزش ذخیره سازی زیر دریا را بیشتر تأیید می کند. محققان پروژه می گویند که این پروژه نه تنها از میزان خرابی پایینی برخوردار است، بلکه تمام منبع تغذیه مرکز داده از انرژی باد و خورشید تامین می شود و از منابع طبیعی استفاده کامل می کند.

علاوه بر این، مطابق با تئوری، هزینه مدیریت، هزینه ساخت و تلفات در مواجهه با بلایای طبیعی و سایر موارد اضطراری مرکز داده زیردریایی همگی کمتر از مرکز داده زمینی است.

با این حال، این فقط یک پیروزی موقت است. حجم بیش از 800 سرور با مراکز داده مبتنی بر زمین فاصله زیادی دارد - به هر حال، مراکز داده مبتنی بر زمین ده ها هزار سرور دارند. به یک معنا، این مرکز داده بیشتر تجربی است تا عملی و می توان گفت که یک پروژه آزمایشی کوچک برای مایکروسافت است. ساتیا نادلا، مدیر عامل مایکروسافت گفت که مرکز داده زیر آب پروژه Natick را در سراسر جهان تکرار خواهد کرد.

اگر مایکروسافت بخواهد مرکز داده زیر دریا را با موفقیت تبلیغ کند، نمی‌تواند بدون حل مشکل دشوار در این مرحله انجام دهد:

اولاً، آزمایش مایکروسافت با تردیدهای محیطی زیادی روبرو شده است. ایان بیترلین، استاد مطالعات داده، معتقد است که گرمای تولید شده توسط مراکز داده می تواند بر دمای آب اقیانوس ها تأثیر بگذارد. نحوه اثبات اینکه مرکز داده زیر دریا باعث آلودگی بیشتر محیط دریایی نمی شود و نحوه جلوگیری از خطرات احتمالی آلودگی باید توسط تیم مایکروسافت حل شود.

دوم اینکه، آسیب 8 سرور در بیش از 800 سرور، عدد زیادی به نظر نمی رسد، اما زمانی که مرکز داده زیردریایی ارتقا یابد، احتمالاً صدها هزار واحد از بین می روند، سپس نیاز به ساخت زیر آب مربوطه خواهد بود. ایستگاه خدمات تعمیر و نگهداری، و همچنین راه حل های کامل تعمیر و نگهداری تجهیزات.

سوم، همانطور که ایان بیتلین اشاره می کند، ساحل بهترین مکان برای ایجاد یک مرکز داده نیست - اگرچه ترافیک در ساحل بسیار بیشتر از مناطق وحشی است، اما هنوز به اندازه مرکز داده در شهر بزرگ نیست. .

البته، پروژه Natick فقط یک تقویت کننده برای ساخت مرکز داده زیر دریا نیست. حتی اگر مراکز داده زیر دریا مقیاس نشوند، این آزمایش های خلاقانه درس های ارزشمندی را برای صنعت مرکز داده ارائه می دهد.

به عنوان مثال، هنگام ساختن یک مرکز داده زیر آب در جزایر اورنیک، تیم از برق ارائه شده توسط نیروی باد و خورشید الهام گرفت - محققان گفتند که در آینده می‌توانند استقرار مراکز داده زیر آب با مزارع بادی فراساحلی را در نظر بگیرند. انرژی برای تامین انرژی مرکز داده، کشتن دو پرنده با یک سنگ، یا حتی بستن خطوط برق خشکی به کابل های نوری مورد نیاز برای انتقال داده ها.

در نتیجه، مایکروسافت به دنبال راه‌هایی برای تکرار مزایای مدل زیردریایی در مراکز داده مبتنی بر خشکی است - مانند فرسودگی کم سرور و امنیت بالا.

Project Natick پتانسیل ایجاد انقلابی در استقرار مرکز داده، ارائه انعطاف‌پذیری، ساخت سریع و مقیاس‌بندی کارآمد را دارد. در حالی که مایکروسافت تکرار موفقیت Project Natick در سطح جهانی را در نظر دارد، چالش‌ها شامل نگرانی‌های زیست‌محیطی و نیاز به ایستگاه‌های تعمیر و نگهداری زیر آب در صورت استقرار گسترده است. آزمایشات مایکروسافت نه تنها مرزهای فناوری را جابجا می کند، بلکه بینش های ارزشمندی را برای کل صنعت ارائه می دهد. رویکرد نوآورانه مایکروسافت، خواه موفق باشد یا نه، نشان دهنده گامی مهم به جلو در صنعت مرکز داده است.