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微软“潜艇”下海

李北辰 2018-06-13 17:32:18

作为Natick项目的第二阶段,微软利用潜艇技术与海洋能源的领导者合作,开发出自给自足的新型水下数据中心,从而为沿海城市提供闪电般快速的云服务。微软近日宣布,其海底数据中心正在英国苏格兰奥克尼群岛附近的海底负载试运行。

Natick项目的北部岛屿数据中心在苏格兰奥克尼群岛沿岸下沉到117尺深的岩板海床,实现完全淹没。微软的Natick项目是一项历时一年的研究工作,旨在调查制造、可持续运营、预先打包的数据中心单元的可行性,这些数据单元可以根据尺寸来订购、也可以快速部署在海底默默地运行多年。照片由微软提供

在欧洲海洋能源中心部署北部岛屿数据中心,是微软Natick项目的又一里程碑。这个为期多年的研究项目旨在探索环境可持续型预装数据中心的制造和运维方法,使其可以按尺寸定制、快速部署并在海底长期运行。

微软人工智能与研究事业部副总裁兼微软新体验与新技术(NExT)事业部负责人Peter Lee表示:“虽然这是一系列疯狂的想法,但Natick项目正在不断把它们变成现实。“

这是一个被微软首席执行官萨提亚·纳德拉(Satya Nadella)形容成堪比 “登月计划”的项目,它甚至可以变革微软的业务核心,乃至整个计算机技术行业。Natick项目是一个突破性的想法,可以满足人口密集地区对云计算基础设施的大量需求。

世界上有一半以上的人口生活在海岸120英里以内的区域内。通过在沿海城市附近的水域中部署数据中心,数据可以在很短的距离内到达沿海社区,从而支持快速流畅的上网、视频直播、游戏以及其他基于人工智能技术的体验。

Peter Lee表示:“为了实现真正的人工智能,我们现在非常依赖云计算。如果我们每个人都可以在同一个网络环境中,那么这不仅有利于我们的产品,也将使我们客户所服务的产品获益。”

Spencer Fowers是微软特别项目研究团队的高级技术人员,他正在为Natick项目位于英国苏格兰奥克尼群岛的北部岛屿数据中心做准备。数据中心将被固定在一个填满压舱重物的海底三角基座上。图片:Scott Eklund/Red Box Pictures。

从法国到苏格兰

Natick项目在40英尺长的北部岛屿数据中心装载了12个机架,其中包含864台服务器以及相关冷却系统设施。数据中心在法国进行封装和检测,然后用一辆平板卡车运往苏格兰。在苏格兰,数据中心被固定在一个填满压舱重物的三角形基座上,以便部署在海床上。

部署当天,风平浪静,海面上笼罩着一层浓雾。领导Natick团队的微软研究部门特别项目组项目经理 Ben Cutler说:“对我们来说,这是个完美的天气。”

数据中心被拖到海面上,部分被海水淹没,由一艘工业双体船式的龙门驳船之间的绞盘和起重机吊起。在部署地点,一辆遥控操作的车辆从海底取回一根包含光纤和电力线路的电缆,将其带到海面上进行检查并连接到数据中心,数据中心由此开启。

Cutler说:“随着这些风险的消除,人们终于松了一口气”。就在这时,最后一缕雾散了。

当天最复杂的任务是一点一点把数据中心和电缆下沉到117英尺深的岩质海床上。船员们使用了10台绞车、一辆起重机、一艘龙门驳船和一辆远程操作汽车,配合数据中心的部署工作。

Cutler说:“一天中最令人高兴的时刻就是,数据中心按照大家精心设计的路线,徐徐沉入海面。”一旦数据中心到达海底,镣铐就会被松开,绞索会被拖到海面上,北部岛屿数据中心的运营控制权就会转移到岸上。

从海底数据中心的部署、运营乃至最终恢复中学到的一切经验教训,都将使研究人员能够根据实际运营水下的现实情况来对比他们的期望值。

微软Natick项目团队聚集在一艘系在苏格兰奥克尼群岛码头的驳船上,为海底部署北部群岛的数据中心做准备。图片中从左到右依次是: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、研究员Eric Peterson、项目经理Ben Cutler。图片来源:Scott Eklund/Red Box Pictures。

可再生能源供电

北部群岛是Natick项目的后续章节,它讲述了一个关于“研究是否有可能使用现有物流供应链,向世界任何地方(乃至条件最恶劣的海域)运输并快速部署模块化数据中心”的故事。

Cutler说:“我们知道,如果我们能把某个东西放在这里,并使它存活下来,那么我们就能把东西放在任何我们想去的地方。”

欧洲海洋能源中心是实验潮汐能涡轮机和波浪能转换器的试验场,它们通过海水运动产生电能。那里的潮汐流最高强度可达到每小时9英里,海面上经常翻腾起10英尺高的海浪,风暴天气下,海浪高达60英尺以上。

在岸上,风力涡轮机从农民延绵不绝的农田中拔地而起,太阳能板点缀着具有几百年历史的老房子的屋顶,产生的电能足以为岛上1万居民提供100%的可再生能源。来自奥克尼岛电网的一根电缆将电力输送到数据中心,在满负荷运转的情况下,它只需不到250千瓦的电力。

风车是奥克尼群岛的一道特殊的风景线,可再生能源技术为岛上的1万居民提供了100%的电力。来自奥克尼岛电网的一根电缆也为微软位于海岸附近的北部岛屿数据中心提供电力。在那里,实验性的潮汐能涡轮机和波浪能转换器通过海水运动来发电。图片:Scott Eklund/Red Box Pictures。

微软云计算和企业事业部云基础设施战略与架构总经理Christian Belady解释道,微软希望数据中心可以做到电力自给自足,而将数据中心建在海洋可再生能源设施附近,只是这一愿景的第一步。

他指出,能源自给自足的数据中心可以部署在数据管道可及的任何地方。比如,数据中心可以为电力不稳定的地区带来Azure云服务,即使电网出现故障时,也不再需要昂贵的备用发电机来维持网络服务了。

Belady说:“我们的愿景是能够根据客户的需要,在地球上的任何角落迅速部署计算能力。”他长期倡导探索把数据中心与能源发电相结合的研究项目,以期简化并加快云计算基础设施的构建。

互联网的骨干

数据中心是互联网的骨干,是云计算的物理云。基于此,客户充分利用规模经济来安全地存储和处理数据、训练机器学习模型并运行人工智能算法。

随着企业越来越多地把网络和计算需求转向云端,智能手机、机器人等各种智能设备进入人们的生活,整个计算行业对数据中心资源的需求正在呈指数级增长。

Cutler说:“这种指数增长曲线的出现,正是因为我们所期望构建的数据中心还没有被建造起来。” 他强调了构建数据中心竞争中创新的重要性,数据中心正在迅速成为21世纪基础设施的重要组成部分。

海底数据中心的概念最初是在一份白皮书中提出的,这份白皮书是微软为鼓励员工分享创新性想法的“ThinkWeek”活动提出的,希望可以利用海水冷却服务器达到降低能耗的目的。Peter Lee的团队对此很感兴趣。在2014年7月启动,Natick计划仅仅12个月的时间完成了概念原型机的制作,并在在美国加州附近平静的浅水区完成了部署。

经过了105天在海底的平稳运行,原型机在可行性上验证了海底数据中心的设想。Natick项目团队深受鼓舞,加快设计、制造并测试部署在苏格兰的全尺寸模块。Cutler说,最新的版本将在免维护的情况下能够运行高达5年。

Natick项目的北部岛屿数据中心被部分淹没,并由一艘工业双体船式的龙门驳船之间的绞车和起重机吊起。在部署地点,一个包含光纤和电力线路的电缆连接到微软数据中心,随后数据中心和电缆一点一点沉入117英尺深的海底。图片:Scott Eklund/Red Box Pictures。

数据中心和潜艇的协同效应

Natick项目的第一阶段表明,水下数据中心概念是可行的;第二阶段的重点是研究这一概念在物流、环境和经济方面是否切实可行。

第二阶段一开始,微软团队就知道,建造这种类似潜艇的数据中心需要外部专家的帮助。这就是微软选择与拥有400年历史的法国海军集团(Naval Group)合作的原因。该公司在工程、制造和维护军用舰艇和潜艇以及海洋能源技术方面领先全球。

微软团队向海军集团介绍了水下数据中心的通用规格,并让该公司主导设计和制造部署在苏格兰的船。

海军集团高级副总裁、首席技术官兼创新总监Eric Papin说:“乍一看,我们认为数据中心和潜艇之间有很大的差距,但实际上它们有很多共通性。”

他指出,潜艇本质上是大型压力容器,为船舶管理以及其它根据电力、体积、重量、热平衡和冷却等严格要求进行集成的系统提供复杂的数据管理和处理基础设施。

在法国布雷斯特的一个海军基地,工程师们把微软服务器的机架和相关冷却系统基础设施移入Natick项目的北部岛屿数据中心。数据中心的尺寸与船上、火车和卡车上的40英尺ISO集装箱差不多。图片:Frank Betermin。

潜艇技术

事实上,海军集团为水下数据中心采用了一种通常用于冷却潜艇的热交换过程。该系统把海水直接通过12个服务器机架后面的散热器输送到海洋中。Natick项目第一阶段的发现表明,来自数据中心的水迅速混合并消散在周围的水流中。

微软特别项目研究小组高级技术人员高Spencer Fowers表示,为了最大程度地利用现有的物流供应链来进行运输,这个数据中心的尺寸被设计成与船舶、火车和卡车运输中使用的集装箱大致相当。

一旦数据中心被关闭,并在法国检查所有系统后,该团队就把数据中心装载到一辆18轮卡车上,并将其送往奥克尼群岛(包括渡口)。在苏格兰,这艘船安装到一个填满压舱重物的三角形基座上,并被拖到海上,以便在龙门驳船上进行部署。

Fowers 说:“就像任何新车一样,我们将大致检查一番,以不同的速度运行发动机,以确保一切正常运转。然后,一旦完全准备好了,我们就会找一两个客户,让他们开始在我们的系统上进行部署。”

Spencer Fowers是微软特别项目研究团队的高级技术人员,他正在为Natick项目位于苏格兰奥克尼群岛的北部岛屿数据中心做准备。数据中心被固定在一个填满压舱重物的三角形基座上。图片:Scott Eklund/Red Box Pictures

应用研究

Natick项目团队将在接下来的12个月里监测并记录数据中心的性能,密切关注从功耗、内部湿度到声音和温度等各方面指标。

世界上深海的海水一直都很冷,能够为人们提供随时可用且免费的冷却方式,而这正是陆地数据中心最大成本之一。水下数据中心还可以作为海洋可再生能源——如海上风力发电场或潮汐涡轮机——的固定承租方,从而让这两个行业同步发展。

目前, Natick项目是一个应用研究项目,致力于确定在人口密集区域周边运营集装箱式海底数据中心的经济可行性,为这个需求急剧增长的世界提供更便利、更经济、更快速、同时对环境更友好的云计算服务。

Peter Lee说:“当你在研究一个疯狂想法的时候,你可能永远无法实现它。只要肯去实践,就已经很棒了,无论如何,你学到了很多东西,在探索的道路上还会带来意想不到的衍生品。不管海洋数据中心最终能否成功,我们都能从研究过程中学到很多东西。这个过程中我们了解到的关于磁盘故障、机架设计、冷却系统机械工程等方面的知识都将对常规数据中心的建立和运营产生帮助。”

作者:李北辰

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