把数据中心放海底,靠冷流降温 创技术

关键词：数据中心；水下；节能；好奇心；

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概念图 MCKIBILLO

当供职于微软数据中心的Sean James提出把公司的服务器中心整个建在水下时，同事们都投来怀疑的眼光。但对曾在美国海军服役过的James来说，将整个数据中心放在水下是个完美的计划。

James称这个办法不仅可以减少用于冷却设备的费用（对很多数据中心来说，这是一笔不菲的开销），降低建造费用，还能更方便使用清洁能源，甚至可以提高数据中心的表现。

James跟另一位微软工程师Todd Rawlings共同起草了一本内部白皮书，用来推广这个想法。白皮书阐述了将数据中心建在水下会帮助微软公司以及其他云服务供应商以环境可持续发展的方式应对今日爆发式增长的容量需求。

这样异想天开的想法，放在大多数大型公司，或许就悄无声息地没有下文了。但在微软公司这儿，研究人员的传统一向是富有创造性地解决对公司至关重要的挑战，即使这些工作远非公司的核心业务。而成功的关键是把微软员工和伙伴公司的同事团结起来组建一支优秀的工程师队伍。

2014年8月，他们开始筹备“纳提克项目”，选这个代号没什么特别原因，就是他们喜欢用马萨诸塞州的地名命名项目。仅仅12个月之后，这个团队就有了从大西洋底部提供数据服务的数据中心原型机。

———以下为团队自述———

“纳提克项目”可从没少过困难让我们克服。首先自然是如何保持这个大铁箱子内部的干燥，另一个难题是如何最大程度地利用周围的海水冷却内部的服务器，最后还要考虑怎么处理甲壳动物和其他海洋生命不可避免地覆盖住水下的管道，这一点对任何一个曾将船放在水中够久的人来说都不会陌生。这些紧贴的甲壳生物会影响内部服务器跟环境海水的热交换。这些问题在一开始让我们倍受苦恼，但最终一个一个被解决掉，这个过程中没少用到海洋工业中业已成熟的解决方案。

但为什么要费这力气呢？没错儿，用海水降温计算机是会减少空调费用，还能在某些方面改善操作，但把数据中心放在水下也需要成本，还有其他的不方便之处。把上千台计算机放在水下真的值得吗？我们认为是值得的，原因有如下几个方面：

首先，它能让像微软这样的大型公司对某一时间节点和某一地点的容量需求做出快速反应。这就允许公司的规划者不必在实际需求发生很久之前出于预测就开始建造这些设施。这个行业每年花费数十亿美元用于建造持续增加的数据中心，快速的市场反应将显著节省成本。

建造水下数据中心比陆地数据中心快的原因很容易理解。今天，每个数据中心的建造方式都是独一无二的。建造用的设备可能一样，但各地的建造方式、税费、气候、劳动力、电力供应和网络连接都不尽相同，它们都会对建造时间产生影响。我们还观察到它对设备的表现也有影响，即使完全相同的设备在不同地区也会表现出不同的可靠性。

我们的想法是，一个纳提克数据中心由放在一起的”数据舱“组成，圆柱形的钢铁”舱“内可容纳数千台服务器。它们将组成一个水下的数据中心，放在距海岸线数公里处，距水面50-200米的水下。这些舱要么由固定在海床的绳索牵引着浮在一定深度的水下，要么干脆躺在海床上。

一旦数据中心舱投入使用，它就会一直呆在原地，直到内部的服务器退休。也可能在市场发生变化时，人们需要把它移动到另一个地方。数据舱内真算得上一个“关灯”环境，按照设计，项目经理只能远程操作，在数据舱的使用寿命期内不会有人去维修它或更换零件。

这样，这个设想就可以做到“适时生产”。数据舱在工厂里做出来后，把服务器放在里面，之后就可以送往全球各地了。不同于陆地环境，不管你在哪儿，海洋提供的环境非常均一。因此，不需要对这些数据舱做特殊处理。这些原因让我们能够快速在计算容量短缺的地方建立起数据中心，并在容量需求增长时，非常容易地增加已有的数据中心的规模。纳提克项目想要实现的目标是，在建设决定下达后的90天内，在世界上任意海岸地区建立一个数据中心并运行起来。

用于原型机的服务器架子里放满了服务器和相当于一台服务器功耗的负载 

来源：微软公司

服务器架子放在一个大型钢铁压力管内

来源：微软公司

数据舱放在一条驳船上，准备在南加利福尼亚海岸进行投放测试

起重机从驳船甲板上吊起数据舱

数据舱被放入水下11米深处，它将在那里呆上三个月

数据舱工作一切正常，就是再吊出水面时表面显得有些寒碜

待在水下105天后，数据舱的一部分覆盖者海洋生物，跟船舶的生物污损很相像

工程师庆祝测试成功

大多数新的数据中心是建在用电便宜、气候相对凉爽、土地便宜以及设施不会对周围居民产生影响的地点。问题是，这些考虑通常让数据中心远离人口密集地区，限制了它对访问的回应速度。

而互联网的交互体验让这些延迟产生了问题。人们希望网页能加载快些，希望玩像Minecraft和Halo这样的视频游戏时更加流畅，不再有丢包。而在未来的几年，还将会出现交互体验越来越丰富的应用，以及包括微软公司开发的Hololens和其他混合现实、虚拟现实技术。因此，我们希望服务器与人们能更近一些，但现实却不是这样。

说出来你可能会大吃一惊，但世界上几乎一半的人口居住在距海岸线100公里的范围内。因此，与目前相比，把数据中心安装在沿海城市的海水下将使服务器与人们的距离更近。

如果这些理由还不够，不妨想想节约下来的冷却费用。历史上，这些设施通常采用机械制冷。这些制冷设备把温度控制在18-27°C之间，但制冷消耗的电能有时比计算机本身消耗的还多。

直到最近，很多数据中心转向完全外气冷却，即不再使用机械冷却空气，而是简单使用外部空气。这时冷却成本显著下降，只占10%-30%，但也意味着计算机受外部空气温度的直接影响，而某些地区的空气相当温暖。同时，这也意味着必须把数据中心建在高海拔地区，远离人口密集中心。

还有一点，这些设施会消耗大量的水资源，因为它采用蒸发方式给空气降温，然后再吹向服务器。在干旱地区，比如说加利福尼亚州，这种设计就很有问题，还包括人口快速增长地区，地下含水层会被快速消耗。即使在水资源丰富地区，空气中多出的水分会增加电子设备受腐蚀的风险。

纳提克项目的设计巧妙地避开了所有这些问题。数据中心舱内部的计算机架子上装有热交换器，空气的热量交换给可以是水的液体，再用泵将后者送到数据舱外部的热交换器内，热量被周围的冷海水吸收，冷却后的液体再次进入舱内部的热交换系统，循环往复。

由此可知，当环境海水越冷，这个计划就越有效。在夏季，或在热带地区，只需要你把数据舱放在足够深的海水中就可以。拿佛罗里达东海岸来说，那里的海水常年保持在15°C以下。

在2015年八月份，我们开始测试纳提克项目一个名叫“Leona Philpot”（以Xbox游戏里的一个角色命名）的原型机。我们把它放在加利福尼亚州圣路易斯奥比斯波附近的海域水下11米深处，那儿的水温徘徊在14-18摄氏度。

在105天的实验阶段，我们把水下的计算机保持在至少跟通过机械制冷达到的一样低的温度下，能耗甚至比完全外气冷却还低，只占3%，这比我们所知的任何工业数据中心或实验室数据中心都要低。

因为没有现场员工，也就没必要提供照明、可呼吸的空气、让人争抢的停车位以及红色紧急按钮，整个数据舱不含氧气。我们还移除了舱内所有的水蒸气和灰尘，最小化热损耗和连接处锈蚀的问题，这对电子设备来说简直是天堂。

概念图：MCKIBILLO

未来的数据舱将比现在的原型机长很多，可以单独容纳数个大型服务器机箱。内外热交换器通过海水给内部电子设备降温。

微软公司致力于保护环境。在能源使用方面，微软公司尽可能多使用可再生能源，在无法使用可再生能源的情形下，公司会购买碳排放。为了与这个哲学保持一致，我们希望把未来的水下数据中心安装在可再生能源中心附近，可以是海洋风力发电场，也可以是依靠潮汐、海浪或洋流的发电装置。

这些海上能源中心通常来源丰富，意味着我们能够把人类居住地、水下数据中心和绿色能源中心匹配起来。跟目前数据中心有时扮演着陆地可再生能源农场的忠实客户一样，未来水下数据中心跟海上能源中心也很可能有着相同的关系。

所有人问的第一个问题总是：怎么保持电子设备的干燥？事实上，保持它们干燥不是那么难。早在计算机出现之前，海洋工业就一直得保持设备干燥，通常是在比我们的已经试验的和将来计划试验的更有挑战性的情形下进行。

大家在项目初期常问的第二个问题，是如何最有效率地冷却计算机。我们试过很多千奇百怪的方法，包括一些特殊的静电液体，相变材料，还有不同寻常的热传递媒介，像高压氦气和超临界二氧化碳。虽然这些方法有各自的优点，但也会带来其他问题。

虽然现在我们仍然在研究冷却材料，但近期内没有迫切需要。纳提克的水输送管线和辐射状的热交换器本身就是一个非常经济、高效的冷却系统，跟标准的服务器配合使用没什么问题。

在我们看来，一个更加实际的问题是，水下的数据中心会吸引海洋生物，最终会形成一座人工珊瑚。这种海洋生命的殖民过程又被称作“生物污损”，一开始是单细胞生物“入驻”，接着是以前者为食的稍微大一些的生物被吸引过来，再往下就是一条完整的食物链。

在我们把纳提克原型机下沉到海里后，不到24小时，螃蟹和鱼类就在管线周围聚集起来了。我们乐于为这些生物提供一个家，所以在设计上我们重点考虑了在保留这样一个栖息地的同时，如何保证数据舱给内部计算机降温的能力。

实际上，我们很清楚外部热交换器上的生物污损会妨碍它表面的热量交换。所以，我们尝试用了各种各样的抗无损材料和涂层，甚至动用了像声波和紫外线一类的驱逐方式，就是不想让生物在上面站住脚。

谢天谢地，虽然环境非常恶劣（离海岸线近的浅水区海洋生物异常繁荣），纳提克原型机在第一次安置后还算干净。即使这样，生物污损的研究依然活跃，我们也会继续寻找不会伤害海洋环境的解决办法。

或许你会关心从数据中心交换出的热量会不会破坏周围的海洋环境。很可能不会。纳提克舱产生的热量会很快与周围冰冷的海水混合，并被洋流带走。纳提克管线下方的水最多会升高千分之几摄氏度。

因此，纳提克舱对环境造成的影响非常有限。这一点很重要，可以预见将来会建起更多的数据中心。如果按照我们的设想，都建在水下的话，人们倒看不到它们。