В минувшее воскресенье в китайском порту Гаолань в особой экономической зоне Чжухай провинции Гуандун состоялась официальная церемония запуска первого в стране подводного дата-центра (UDC). UDC был разработан компанией Beijing Highlander Digital Technology Co, которая специализируется на разработке и производстве судовой электронной аппаратуры и систем, и крупнейшей судостроительной компанией Китая Guangzhou Shipyard International Co.

По словам вице-президента Highlander Сюй Тань (Xu Tan), строительство подводного дата-центра было завершено в конце прошлого года.

В настоящее время крупные центры обработки данных в основном строятся для использования на суше. Как правило они занимают большую территорию, а их высокие требования к охлаждению означают, что они потребляют много энергии и водных ресурсов. В свою очередь, UDC использует большое количество проточной морской воды для охлаждения электроники через теплообменник, что позволяет сократить расход энергии по сравнению с традиционными методами охлаждения.

К тому же размещение UDC у прибрежных городов позволяет сократить расстояние между потребителями и вычислительными мощностями. Эта концепция была впервые предложена компанией Microsoft в проекте Project Natick, которая в течение двух лет эксплуатировала ЦОД с 12 стойками в прибрежных водах Шотландии.

«UDC занимает очень мало места на берегу, не имеет градирен и не потребляет пресную воду. Он не только поддерживает экологическую деятельность, такую как выращивание и разведение водных организмов, но также поддерживает другую промышленную деятельность, такую как морская ветроэнергетика и эксплуатация нефтяных платформ», — отметила Сюй.

Highlander сообщила о планах построить в течение следующих пяти лет серию подводных центров обработки данных в прибрежных водах, включая порт Хайнань (Hainan Free Trade Port, FTP), регион Большого залива Гуандун-Гонконг-Макао (GBA), дельту реки Янцзы и экономическую зону Bohai Rim Economic Circle (BREC).

В настоящее время она участвует в выборе места установки кабельных коммуникаций и подготовке к вводу в эксплуатацию дата-центра для тестирования, которое продлится с июня 2021 года по май 2022 года. На этом этапе проект будет представлен правительственным организациям, научно-исследовательским и финансовым учреждениям и полностью коммерциализирован во второй половине 2023 года.

В рамках реализации проекта в порту Хайнань Highlander подписала контракт с компаниями China Mobile, Lenovo, China Communications Service Construction и Qi'anxin Technology Group.

Любой современный ЦОД — это не только помещение, занимающее определённую площадь, но ещё и серьёзные системы питания и, особенно, охлаждения. Ряд компаний считает, что с точки зрения последнего фактора имеет смысл рассмотреть возможность размещения ЦОД под водой, на дне моря, где температура постоянна и достаточно низка. В их числе Microsoft со своей разработкой Project Natick.

Первый прототип Natick, доказавший работоспособность концепции, успешно проработал 105 дней в водах Калифорнийского залива, однако действительно серьёзная мощность была достигнута лишь во второй фазе, о которой и идёт речь в данной заметке. Второй прототип Natick являет собой 12,2-метровый цилиндрический контейнер стандарта ISO 40, внутри размещено 12 стоек с 864 серверами Microsoft (в составе присутствуют ПЛИС-ускорители) и СХД общим объёмом 27,6 Пбайт. Система охлаждения во втором варианте была разработана французской группой Naval Group на основе теплообменников, использующихся в современных подводных лодках.

На этот раз местом размещения подводного ЦОД был выбран район Оркнейских островов в 193 километрах (120 миль) от берега, глубина погружения составляла примерно 35 метров. Для питания и данных использовался общий кабель, содержащий как силовые линии, способные передать около четверти мегаватта, так и оптические волокна. Проект создавался с прицелом на пятилетний срок работы без обслуживания, с прицелом на 20 лет в будущем. Для обеспечения повышенной надёжности внутреннее пространство контейнера заполнено азотом, который практически инертен и способствует уменьшению износа оборудования.

14 сентября Microsoft сообщила об окончании второй фазы Project Natick, которая продлилась два года. Сам контейнер был извлечён из моря ещё летом, и специалисты и эксперты занялись изучением состояния аппаратного обеспечения, входившего в состав второго прототипа автономного ЦОД. Результат проекта признан очень успешным, возглавляющий Project Natick Бен Катлер (Ben Cutler) заявил, что «дело сделано, и второй вариант Natick можно с полным правом назвать подходящим строительным блоком».

Согласно статистике, около 50% населения планеты проживает недалеко от берега моря, поэтому размещение подводных ЦОД в прибрежных областях вполне оправдано, а Европейский центр морской энергетики (Europetn Marine Energy Centre) вообще говорит о возможности использования для питания таких ЦОД приливных турбин и волновых конвертеров, что сделает их практически автономными, не считая оптоволоконного подключения.

Часть системы охлаждения Natick

Тонкости функционирования Natick ещё предстоит изучить, но предварительные результаты оказались несколько обескураживающими: ЦОД в герметичном контейнере, покоившийся на дне моря, и, естественно, лишённый обслуживания, оказался в восемь раз надёжнее, нежели его копия, расположенная на суше. Причины примерно ясны: стабильные температуры, отсутствие окисляющей атмосферной среды, а также каких-либо серьёзных вибраций. Компания считает, что эти данные могут помочь и в проектировании более надёжных наземных ЦОД.

Microsoft признала, что проект всё ещё далёк от завершения, но считает, что стандартный ЦОД Azure в подводном варианте уже может быть создан. Вице-президент отдела Azure по системам класса mission critical Вильям Чэппел (William Chappell) отметил, что его команда особенно заинтересована в пост-квантовых методах шифрования, критичных для такого рода периферийных центров обработки данных.

Также заявлено, что Natick успешно может служить в качестве периферийного ЦОД или ЦОД с повышенной безопасностью; последнее достаточно очевидно — получить доступ к оборудованию, находящемуся под водой, намного сложнее, нежели в обычном ЦОД. Надёжнее в этом плане может быть только сервер на орбите, но по понятным причинам такое решение намного дороже и сложнее, нежели Natick, оно менее мощное, а также не гарантирует постоянной низкой латентности, которая может быть критичной в edge-сценариях использования.

Microsoft одновременно решает ряд инженерных задач с проектом Microsoft Azure Natick: снижает эксплуатационные расходы и обеспечивает меньшие задержки для дата-центров. Что же из себя представляет этот уникальный проект?

Начнем с истории: первый концепт Natick представлял собой стойку с серверами в стальной оболочке, которую опустили в океан, чтобы проверить работоспособность идеи. Попытка была удачной, Microsoft доказала, что можно использовать обычные серверы, развернутые в компактном корпусе на расстоянии 200 км в океане, что примерно давало задержку в 1 мс (2 мс в обе стороны). Видео с экспериментальным дата-центром Natick:

Первая версия Natick была развернута у берегов Калифорнии и проработала 105 дней, что подтвердило жизнеспособность концепта.

Два года спустя Microsoft Research погрузила под воду 14 стоек с серверами у побережья Шотландии. Этот регион был выбран не случайно: именно здесь используется множество возобновляемых источников энергии, что позволило сделать новый Natick еще более экологичным. Видео с демонстрацией Natick второго поколения:

После более чем года работы Natick второго поколения Microsoft поделилась некоторыми данными: с точки зрения эффективности энергопотребления Natick демонстрирует коэффициент PUE в 1,07 — это очень мало для текущего производственного центра обработки данных. Низкий PUE означает снижение эксплуатационных расходов, а также делает Natick более экологичным. Обычный наземный дата-центр использует 4,8 литра воды на кВт/ч, при этом Natick не потребляет воду для работы, однако использует ее по-другому (споры с экологами по поводу нагрева океана и влияния на окружающую среду не закончились какими-то конструктивными выводами, по информации от самой Microsoft, влияние Natick на окружающую среду ничтожно мало). Этот аспект особенно актуален для стран, в которых существует дефицит воды и охлаждение дата-центров превращается в существенную проблему.

Цилиндрический корпус Natick имеет вакуумную герметизацию, что означает, что серверы и ИТ оборудование избавлены от многих вредных факторов, таких как влажность и пыль. Кроме того, учитывая, насколько хорошо вода поглощает тепло и насколько велики океаны, можно утверждать, что на глубине 200 метров для дата-центра будет поддерживаться постоянная температура, без колебаний, свойственных наземным ЦОД (особенно это актуально для жарких регионов, где приходится использовать системы охлаждения с большим запасом). Natick 2 был рассчитан на эксплуатацию в течение пяти лет без технического обслуживания.

Так что же Microsoft может предложить сегодня?

Natick третьего поколения представляет собой множество цилиндрических корпусов, закрепленных на большой стальной раме, в которой проложены коммутационные кабели и кабели питания. Общий размер составляет более 90 м (300 футов), с каждой стороны конструкции есть балластные цистерны для транспортировки и упрощения установки. Natick 3 состоит из 12 цилиндрических корпусов, общая мощность системы достигает 5 МВт, при необходимости могут быть построены и более крупные структуры, так как конструкция модульная и позволяет легко масштабировать мощность при необходимости.

Microsoft не единственная компания, которая ведёт разработки в области подводных дата-центров, существуют еще разработки Nautilus Fata Technologies и более мелкие стартапы, однако они находятся только в самом начале пути и не имеют опыта промышленной эксплуатации дата-центров. Одно можно сказать точно: данное направление будет развиваться и в скором будущем мы увидим еще не одно подобное решение.