Giới thiệu
Ít ai biết rằng khái niệm trung tâm dữ liệu dưới nước bắt nguồn từ ThinkWeek 2014 của Microsoft, một phiên thảo luận nội bộ. Nó được đề xuất bởi một nhân viên có kinh nghiệm vận hành tàu ngầm của Hải quân. Microsoft đã tiến hành các thí nghiệm ban đầu, nhấn chìm một trung tâm dữ liệu dưới nước trong 5 tháng với kết quả đầy hứa hẹn.
Gần đây nhất, vào năm 2018, Microsoft đã gửi một chiếc tàu ngầm chứa đầy 864 máy chủ và có khả năng lưu trữ 27,6 petabyte dữ liệu đến đáy Quần đảo Orkney, phía đông bắc Scotland. Hai năm sau, vào tháng 6 năm 2020, Microsoft đưa nó lên bờ để đánh giá. Kết quả cho thấy trung tâm dữ liệu dưới biển hoạt động tốt hơn các trung tâm dữ liệu truyền thống về mọi mặt và tỷ lệ hỏng hóc trên mặt nước là 1/8 so với trên đất liền.
Tại sao Microsoft lại đặt trung tâm dữ liệu của mình dưới biển? Sau thí điểm, liệu việc xây dựng trung tâm dữ liệu tàu ngầm có thể được đẩy mạnh trên quy mô lớn?
Tại sao Microsoft chọn Trung tâm dữ liệu dưới nước
Câu trả lời rất đơn giản: tối đa hóa nguồn lực sẵn có. Đồng thời giải quyết được nhiều khuyết điểm của trung tâm dữ liệu đất đai.
Đầu tiên, các trung tâm dữ liệu dưới biển an toàn hơn và ổn định hơn: các trung tâm dữ liệu rất tinh vi và chứa đầy các bộ phận có độ phức tạp cao, có thể bị hỏng do thay đổi nhiệt độ, ăn mòn oxy và thậm chí là va chạm khi thay thế các bộ phận bị hư hỏng. Nhưng trong môi trường chân không nơi nhiệt độ có thể được kiểm soát, oxy và hơi nước có thể được tách ra và sự can thiệp của con người có thể được cách ly, tính bảo mật và ổn định của trung tâm dữ liệu sẽ được cải thiện rất nhiều.
Dưới biển chắc chắn là một nguồn dữ liệu lý tưởng - không chỉ cách ly với oxy, hơi nước của đất liền và chấm dứt sự can thiệp của con người.
Thứ hai và quan trọng nhất, các máy chủ làm mát bằng nước biển có một lợi thế đặc biệt và việc làm mát là một chi phí lớn đối với các trung tâm dữ liệu trên đất liền. Theo dữ liệu công khai, 41% chi phí điện hàng năm của trung tâm dữ liệu được sử dụng để làm mát và mức tiêu thụ điện hàng năm của các trung tâm dữ liệu trên toàn thế giới chiếm khoảng 2% tổng lượng điện của thế giới. Trong số đó, chi phí tiêu thụ năng lượng chiếm từ 30% đến 50% toàn ngành CNTT.
Tại sao làm mát lại đắt như vậy? Trên thực tế, ở các trung tâm dữ liệu mặt đất thường có 2 cách để làm mát dữ liệu, một là sử dụng làm mát cơ học, tức là làm mát máy chủ bằng hệ thống điều hòa hạng nặng, tuy nhiên phương pháp làm mát này mỗi lần tiêu tốn rất nhiều điện. ngày và chi phí rất cao.
Hai là làm mát máy chủ bằng sự bay hơi không khí và nước. Phương pháp thiên bẩm này có chi phí thấp hơn nhiều so với phương pháp trước, nhưng nó cũng có những nhược điểm riêng: mức độ hoàn thiện và chất lượng làm mát được xác định bởi nhiệt độ không khí bên ngoài và điều kiện nước, đồng thời khả năng cơ động của con người quá thấp.
Nước biển có công suất nhiệt cao hơn có thể lưu trữ lượng nhiệt dư thừa do trung tâm dữ liệu tạo ra: chỉ cần một bộ trao đổi nhiệt để truyền nhiệt của trung tâm dữ liệu sang nước biển xung quanh, có thể nói là sự kết hợp của hai phương pháp làm mát truyền thống: ổn định và tự do sử dụng tài nguyên thiên nhiên.
Thứ ba, mật độ dân số ven biển cao, truyền dữ liệu nhanh và hiệu quả điện toán đám mây cao hơn: để tiết kiệm đất và chi phí vận hành, các trung tâm dữ liệu truyền thống thường chọn các vùng sâu vùng xa dân cư thưa thớt, trực tiếp dẫn đến việc truyền dữ liệu quá chậm và hơn thế nữa nhiều sự chậm trễ. Các trung tâm dữ liệu dưới biển thì khác:
Khoảng 50 phần trăm dân số thế giới sống trong phạm vi 150 km từ bờ biển. Xây dựng trung tâm dữ liệu dưới biển giúp tiết kiệm chi phí và gần khu dân cư, một mũi tên trúng hai con chim.
Ngoài ra còn rất nhiều ưu điểm khác:
Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng năng lượng thủy triều của đại dương để thu được điện trung hòa carbon trong đại dương; Băng thông dưới biển có thể được kết nối thông qua đường ống để tăng tốc độ truyền dữ liệu; Những thủ tục quan liêu truyền thống có thể được tránh khi xây dựng một trung tâm dữ liệu dưới biển: các máy chủ có thể được xây dựng trong các silo kín nước trên dây chuyền lắp ráp và được vận chuyển ra biển bằng tàu chở hàng để triển khai. Như Microsoft cho biết, các nhóm máy chủ này có thể được triển khai trong vòng 90 ngày; trong khi các trung tâm dữ liệu bức xạ phải mất từ một đến hai năm để xây dựng.
Về mặt lý thuyết, trung tâm dữ liệu tàu ngầm có nhiều ưu điểm, vậy để đạt được nó khó đến mức nào? -- Microsoft có câu trả lời đầu tiên.
Dự án Natick của Microsoft và quá trình xây dựng thực tế
Trên thực tế, ngay từ năm 2015, Microsoft đã bắt đầu nghiên cứu tính khả thi của việc xây dựng trung tâm dữ liệu dưới nước và sau đó tung ra Dự án Natick.
Trong giai đoạn đầu tiên của dự án Natick, vào năm 2015, nhóm nghiên cứu của Microsoft đã tiến hành thử nghiệm trong 105-ngày để tối đa hóa khả năng chống rò rỉ, đảm bảo rằng trung tâm dữ liệu được đặt trong một thùng chứa chống thấm nước. Thử nghiệm đã thành công: Microsoft nhận thấy khả năng chống nước của mô-đun dịch vụ có thể được đảm bảo trong nước biển.
Vì vậy, trong giai đoạn thứ hai, Microsoft đang cố gắng đẩy mạnh thử nghiệm và thực hiện dự án: "gửi dữ liệu xuống đáy đại dương" để xem liệu dữ liệu có thể được bảo quản ở tình trạng tốt sau vài năm hay không. Microsoft đặt một trung tâm dữ liệu vào một thùng thép kín, đổ đầy nitơ vào đó rồi dùng tàu ngầm để vận chuyển container xuống biển.
Thí nghiệm được hỗ trợ bởi Trung tâm Năng lượng Biển Châu Âu (EMEC): EMEC không chỉ cung cấp kiến thức chuyên môn về hỗ trợ năng lượng tái tạo mà còn đóng vai trò cố vấn địa lý xung quanh Orkney - EMEC thậm chí còn cung cấp cáp ngầm dưới biển kết nối trung tâm dữ liệu với bờ biển.
Chiếc tàu ngầm chở máy chủ xuống biển sâu có tên Leona Philpot, một nhân vật trong game Halo. Nó đi vào vùng tối của Biển Bắc gần Ornik, Scotland.
Tại sao lại là Orkney? Một mặt, vì Orkney là trung tâm lớn về nghiên cứu năng lượng tái tạo nên Trung tâm Năng lượng Biển Châu Âu (EMEC) đã thử nghiệm năng lượng thủy triều và sóng ở đây trong 14 năm. Mặt khác, Orkney có khí hậu lạnh, giúp giảm chi phí làm mát cho trung tâm dữ liệu.
Microsoft đã đặt trung tâm dữ liệu cách đáy biển chưa đầy một km và triển khai các cảm biến môi trường bên trong các khoang áp suất cao, màu trắng để theo dõi trạng thái của nó trong thời gian thực. Trung tâm dữ liệu và đại dương là "liền mạch": nhu cầu năng lượng của chúng được nắm bắt thông qua cáp dưới biển và dữ liệu dễ dàng được truyền đến thế giới rộng lớn hơn ngoài khơi. Năm 2018, trung tâm dữ liệu Microsoft North Sea đã được hoàn thành: tổng cộng 864 máy chủ, bộ nhớ 27,6PB, để kiểm tra hiệu suất, đã nghiên cứu sâu trong hai năm.
Trên thực tế, các nhà nghiên cứu lo ngại nhất về sự hư hỏng của trung tâm dữ liệu: một khi các máy tính trong trung tâm dữ liệu dưới nước bị hỏng, chúng sẽ không thể sửa chữa được. May mắn thay, nó đã diễn ra tốt đẹp. Đến tháng 8 năm 2020, tất cả các máy tính đều được trục vớt - chỉ có 8 trong số hơn 800 máy bị hỏng, tỷ lệ hỏng hóc thấp hơn so với các trung tâm dữ liệu trên đất liền.
Làm thế nào để đạt được tổn thất thấp? Các nhà nghiên cứu của dự án suy đoán rằng, một mặt, thời tiết lạnh giá đóng vai trò như một vùng đệm; Mặt khác, nitơ còn đóng vai trò bảo vệ. Nói tóm lại, cuộc thử nghiệm quy mô nhỏ này càng xác nhận thêm khả năng và giá trị của việc lưu trữ dưới biển. Các nhà nghiên cứu dự án cho biết, dự án không chỉ có tỷ lệ hỏng hóc thấp mà toàn bộ nguồn điện của trung tâm dữ liệu đều đến từ năng lượng gió và mặt trời, tận dụng tối đa nguồn tài nguyên thiên nhiên.
Ngoài ra, theo lý thuyết, chi phí quản lý, chi phí xây dựng và tổn thất khi gặp thiên tai và các trường hợp khẩn cấp khác của trung tâm dữ liệu dưới biển đều thấp hơn so với trung tâm dữ liệu trên đất liền.
Tuy nhiên, đây chỉ là chiến thắng tạm thời. Số lượng hơn 800 máy chủ khác xa so với số lượng của các trung tâm dữ liệu trên đất liền - xét cho cùng, các trung tâm dữ liệu trên đất liền có hàng chục nghìn máy chủ. Ở một khía cạnh nào đó, trung tâm dữ liệu này mang tính thử nghiệm hơn là thực tế và có thể nói đây là một dự án thí điểm nhỏ của Microsoft. Giám đốc điều hành Microsoft Satya Nadella cho biết trung tâm dữ liệu dưới nước sẽ nhân rộng Project Natick trên toàn thế giới.
Những thách thức và triển vọng tương lai của trung tâm dữ liệu dưới nước
Nếu Microsoft muốn quảng bá thành công trung tâm dữ liệu dưới biển thì không thể không giải quyết bài toán khó ở giai đoạn này:
Đầu tiên, thử nghiệm của Microsoft đã vấp phải rất nhiều hoài nghi về môi trường. Ian Bitterlin, giáo sư nghiên cứu dữ liệu, tin rằng nhiệt lượng do trung tâm dữ liệu tạo ra có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ nước biển. Làm thế nào để chứng minh rằng trung tâm dữ liệu dưới biển sẽ không gây ô nhiễm lớn hơn cho môi trường biển và làm thế nào để tránh những rủi ro ô nhiễm có thể xảy ra cần được nhóm Microsoft giải quyết.
Thứ hai, thiệt hại của 8 máy chủ trong hơn 800 máy chủ dường như không phải là con số lớn nhưng một khi trung tâm dữ liệu tàu ngầm được phát huy thì tổn thất có thể lên tới hàng trăm nghìn đơn vị, khi đó cần phải xây dựng trung tâm dữ liệu dưới nước tương ứng. trạm dịch vụ bảo trì, cũng như các giải pháp bảo trì thiết bị hoàn chỉnh.
Thứ ba, như Ian Bitlin đã chỉ ra, bờ biển không phải là nơi tốt nhất để xây dựng trung tâm dữ liệu - mặc dù lưu lượng truy cập trên bờ biển cao hơn nhiều so với nơi hoang dã nhưng nó vẫn không rộng rãi như trung tâm dữ liệu ở thành phố lớn .
Tất nhiên, dự án Natick không chỉ là động lực thúc đẩy việc xây dựng trung tâm dữ liệu dưới biển. Ngay cả khi các trung tâm dữ liệu dưới biển không mở rộng quy mô, những thử nghiệm sáng tạo này vẫn mang đến những bài học quý giá cho ngành trung tâm dữ liệu.
Ví dụ, khi xây dựng một trung tâm dữ liệu dưới nước ở Quần đảo Ornik, nhóm đã lấy cảm hứng từ nguồn điện được cung cấp bởi năng lượng gió và mặt trời - các nhà nghiên cứu cho biết trong tương lai, họ có thể xem xét triển khai các trung tâm dữ liệu dưới nước với các trang trại gió ngoài khơi, mượn năng lượng gió năng lượng để cung cấp năng lượng cho trung tâm dữ liệu, một mũi tên trúng hai con chim, hoặc thậm chí buộc các đường dây điện trên bờ vào cáp quang cần thiết để truyền dữ liệu.
Do đó, Microsoft đang tìm cách nhân rộng những lợi ích của mô hình dưới biển vào các trung tâm dữ liệu trên đất liền - chẳng hạn như độ hao mòn máy chủ thấp và tính bảo mật cao.
Phần kết luận
Dự án Natick có tiềm năng cách mạng hóa việc triển khai trung tâm dữ liệu, mang lại sự linh hoạt, xây dựng nhanh chóng và mở rộng quy mô hiệu quả. Trong khi Microsoft hình dung việc nhân rộng thành công của Project Natick trên toàn cầu thì các thách thức bao gồm các mối lo ngại về môi trường và nhu cầu về các trạm bảo trì dưới nước trong trường hợp triển khai rộng rãi. Các thử nghiệm của Microsoft không chỉ vượt qua các ranh giới công nghệ mà còn mang lại những hiểu biết sâu sắc có giá trị cho toàn ngành. Cách tiếp cận đổi mới của Microsoft, dù thành công hay không, cũng đánh dấu một bước tiến đáng kể trong ngành trung tâm dữ liệu.