數(shù)據(jù)中心耗能巨大，其中散熱就占了不小的比重，工程師們?cè)趯で蟾?jīng)濟(jì)的解決方案。

當(dāng)供職于微軟數(shù)據(jù)中心的Sean James提出把公司的服務(wù)器中心整個(gè)建在水下時(shí)，同事們都投來(lái)懷疑的眼光。但對(duì)曾在美國(guó)海軍服役過(guò)的James來(lái)說(shuō)，將整個(gè)數(shù)據(jù)中心放在水下是個(gè)完美的計(jì)劃。

James稱這個(gè)辦法不僅可以減少用于冷卻設(shè)備的費(fèi)用(對(duì)很多數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，這是一筆不菲的開(kāi)銷)，降低建造費(fèi)用，還能更方便使用清潔能源，甚至可以提高數(shù)據(jù)中心的表現(xiàn)。

James跟另一位微軟工程師Todd Rawlings共同起草了一本內(nèi)部白皮書(shū)，用來(lái)推廣這個(gè)想法。白皮書(shū)闡述了將數(shù)據(jù)中心建在水下會(huì)幫助微軟公司以及其他云服務(wù)供應(yīng)商以環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的方式應(yīng)對(duì)今日爆發(fā)式增長(zhǎng)的容量需求。

這樣異想天開(kāi)的想法，放在大多數(shù)大型公司，或許就悄無(wú)聲息地沒(méi)有下文了。但在微軟公司這兒，研究人員的傳統(tǒng)一向是富有創(chuàng)造性地解決對(duì)公司至關(guān)重要的挑戰(zhàn)，即使這些工作遠(yuǎn)非公司的核心業(yè)務(wù)。而成功的關(guān)鍵是把微軟員工和伙伴公司的同事團(tuán)結(jié)起來(lái)組建一支優(yōu)秀的工程師隊(duì)伍。

2014年8月，他們開(kāi)始籌備“納提克項(xiàng)目”，選這個(gè)代號(hào)沒(méi)什么特別原因，就是他們喜歡用馬薩諸塞州的地名命名項(xiàng)目。僅僅12個(gè)月之后，這個(gè)團(tuán)隊(duì)就有了從大西洋底部提供數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)中心原型機(jī)。

———以下為團(tuán)隊(duì)自述———

“納提克項(xiàng)目”可從沒(méi)少過(guò)困難讓我們克服。首先自然是如何保持這個(gè)大鐵箱子內(nèi)部的干燥，另一個(gè)難題是如何最大程度地利用周圍的海水冷卻內(nèi)部的服務(wù)器，最后還要考慮怎么處理甲殼動(dòng)物和其他海洋生命不可避免地覆蓋住水下的管道，這一點(diǎn)對(duì)任何一個(gè)曾將船放在水中夠久的人來(lái)說(shuō)都不會(huì)陌生。這些緊貼的甲殼生物會(huì)影響內(nèi)部服務(wù)器跟環(huán)境海水的熱交換。這些問(wèn)題在一開(kāi)始讓我們倍受苦惱，但最終一個(gè)一個(gè)被解決掉，這個(gè)過(guò)程中沒(méi)少用到海洋工業(yè)中業(yè)已成熟的解決方案。

但為什么要費(fèi)這力氣呢?沒(méi)錯(cuò)兒，用海水降溫計(jì)算機(jī)是會(huì)減少空調(diào)費(fèi)用，還能在某些方面改善操作，但把數(shù)據(jù)中心放在水下也需要成本，還有其他的不方便之處。把上千臺(tái)計(jì)算機(jī)放在水下真的值得嗎?我們認(rèn)為是值得的，原因有如下幾個(gè)方面：

首先，它能讓像微軟這樣的大型公司對(duì)某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)和某一地點(diǎn)的容量需求做出快速反應(yīng)。這就允許公司的規(guī)劃者不必在實(shí)際需求發(fā)生很久之前出于預(yù)測(cè)就開(kāi)始建造這些設(shè)施。這個(gè)行業(yè)每年花費(fèi)數(shù)十億美元用于建造持續(xù)增加的數(shù)據(jù)中心，快速的市場(chǎng)反應(yīng)將顯著節(jié)省成本。

建造水下數(shù)據(jù)中心比陸地?cái)?shù)據(jù)中心快的原因很容易理解。今天，每個(gè)數(shù)據(jù)中心的建造方式都是獨(dú)一無(wú)二的。建造用的設(shè)備可能一樣，但各地的建造方式、稅費(fèi)、氣候、勞動(dòng)力、電力供應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)連接都不盡相同，它們都會(huì)對(duì)建造時(shí)間產(chǎn)生影響。我們還觀察到它對(duì)設(shè)備的表現(xiàn)也有影響，即使完全相同的設(shè)備在不同地區(qū)也會(huì)表現(xiàn)出不同的可靠性。

我們的想法是，一個(gè)納提克數(shù)據(jù)中心由放在一起的”數(shù)據(jù)艙“組成，圓柱形的鋼鐵”艙“內(nèi)可容納數(shù)千臺(tái)服務(wù)器。它們將組成一個(gè)水下的數(shù)據(jù)中心，放在距海岸線數(shù)公里處，距水面50-200米的水下。這些艙要么由固定在海床的繩索牽引著浮在一定深度的水下，要么干脆躺在海床上。

一旦數(shù)據(jù)中心艙投入使用，它就會(huì)一直呆在原地，直到內(nèi)部的服務(wù)器退休。也可能在市場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，人們需要把它移動(dòng)到另一個(gè)地方。數(shù)據(jù)艙內(nèi)真算得上一個(gè)“關(guān)燈”環(huán)境，按照設(shè)計(jì)，項(xiàng)目經(jīng)理只能遠(yuǎn)程操作，在數(shù)據(jù)艙的使用壽命期內(nèi)不會(huì)有人去維修它或更換零件。

這樣，這個(gè)設(shè)想就可以做到“適時(shí)生產(chǎn)”。數(shù)據(jù)艙在工廠里做出來(lái)后，把服務(wù)器放在里面，之后就可以送往全球各地了。不同于陸地環(huán)境，不管你在哪兒，海洋提供的環(huán)境非常均一。因此，不需要對(duì)這些數(shù)據(jù)艙做特殊處理。這些原因讓我們能夠快速在計(jì)算容量短缺的地方建立起數(shù)據(jù)中心，并在容量需求增長(zhǎng)時(shí)，非常容易地增加已有的數(shù)據(jù)中心的規(guī)模。納提克項(xiàng)目想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是，在建設(shè)決定下達(dá)后的90天內(nèi)，在世界上任意海岸地區(qū)建立一個(gè)數(shù)據(jù)中心并運(yùn)行起來(lái)。

用于原型機(jī)的服務(wù)器架子里放滿了服務(wù)器和相當(dāng)于一臺(tái)服務(wù)器功耗的負(fù)載

來(lái)源：微軟公司

大多數(shù)新的數(shù)據(jù)中心是建在用電便宜、氣候相對(duì)涼爽、土地便宜以及設(shè)施不會(huì)對(duì)周圍居民產(chǎn)生影響的地點(diǎn)。問(wèn)題是，這些考慮通常讓數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)離人口密集地區(qū)，限制了它對(duì)訪問(wèn)的回應(yīng)速度。

而互聯(lián)網(wǎng)的交互體驗(yàn)讓這些延遲產(chǎn)生了問(wèn)題。人們希望網(wǎng)頁(yè)能加載快些，希望玩像Minecraft和Halo這樣的視頻游戲時(shí)更加流暢，不再有丟包。而在未來(lái)的幾年，還將會(huì)出現(xiàn)交互體驗(yàn)越來(lái)越豐富的應(yīng)用，以及包括微軟公司開(kāi)發(fā)的Hololens和其他混合現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。因此，我們希望服務(wù)器與人們能更近一些，但現(xiàn)實(shí)卻不是這樣。

說(shuō)出來(lái)你可能會(huì)大吃一驚，但世界上幾乎一半的人口居住在距海岸線100公里的范圍內(nèi)。因此，與目前相比，把數(shù)據(jù)中心安裝在沿海城市的海水下將使服務(wù)器與人們的距離更近。

如果這些理由還不夠，不妨想想節(jié)約下來(lái)的冷卻費(fèi)用。歷史上，這些設(shè)施通常采用機(jī)械制冷。這些制冷設(shè)備把溫度控制在18-27°C之間，但制冷消耗的電能有時(shí)比計(jì)算機(jī)本身消耗的還多。

直到最近，很多數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)向完全外氣冷卻，即不再使用機(jī)械冷卻空氣，而是簡(jiǎn)單使用外部空氣。這時(shí)冷卻成本顯著下降，只占10%-30%，但也意味著計(jì)算機(jī)受外部空氣溫度的直接影響，而某些地區(qū)的空氣相當(dāng)溫暖。同時(shí)，這也意味著必須把數(shù)據(jù)中心建在高海拔地區(qū)，遠(yuǎn)離人口密集中心。

還有一點(diǎn)，這些設(shè)施會(huì)消耗大量的水資源，因?yàn)樗捎谜舭l(fā)方式給空氣降溫，然后再吹向服務(wù)器。在干旱地區(qū)，比如說(shuō)加利福尼亞州，這種設(shè)計(jì)就很有問(wèn)題，還包括人口快速增長(zhǎng)地區(qū)，地下含水層會(huì)被快速消耗。即使在水資源豐富地區(qū)，空氣中多出的水分會(huì)增加電子設(shè)備受腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

納提克項(xiàng)目的設(shè)計(jì)巧妙地避開(kāi)了所有這些問(wèn)題。數(shù)據(jù)中心艙內(nèi)部的計(jì)算機(jī)架子上裝有熱交換器，空氣的熱量交換給可以是水的液體，再用泵將后者送到數(shù)據(jù)艙外部的熱交換器內(nèi)，熱量被周圍的冷海水吸收，冷卻后的液體再次進(jìn)入艙內(nèi)部的熱交換系統(tǒng)，循環(huán)往復(fù)。

由此可知，當(dāng)環(huán)境海水越冷，這個(gè)計(jì)劃就越有效。在夏季，或在熱帶地區(qū)，只需要你把數(shù)據(jù)艙放在足夠深的海水中就可以。拿佛羅里達(dá)東海岸來(lái)說(shuō)，那里的海水常年保持在15°C以下。

在2015年八月份，我們開(kāi)始測(cè)試納提克項(xiàng)目一個(gè)名叫“Leona Philpot”(以Xbox游戲里的一個(gè)角色命名)的原型機(jī)。我們把它放在加利福尼亞州圣路易斯奧比斯波附近的海域水下11米深處，那兒的水溫徘徊在14-18攝氏度。

在105天的實(shí)驗(yàn)階段，我們把水下的計(jì)算機(jī)保持在至少跟通過(guò)機(jī)械制冷達(dá)到的一樣低的溫度下，能耗甚至比完全外氣冷卻還低，只占3%，這比我們所知的任何工業(yè)數(shù)據(jù)中心或?qū)嶒?yàn)室數(shù)據(jù)中心都要低。

因?yàn)闆](méi)有現(xiàn)場(chǎng)員工，也就沒(méi)必要提供照明、可呼吸的空氣、讓人爭(zhēng)搶的停車位以及紅色緊急按鈕，整個(gè)數(shù)據(jù)艙不含氧氣。我們還移除了艙內(nèi)所有的水蒸氣和灰塵，最小化熱損耗和連接處銹蝕的問(wèn)題，這對(duì)電子設(shè)備來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是天堂。

概念圖：MCKIBILLO

未來(lái)的數(shù)據(jù)艙將比現(xiàn)在的原型機(jī)長(zhǎng)很多，可以單獨(dú)容納數(shù)個(gè)大型服務(wù)器機(jī)箱。內(nèi)外熱交換器通過(guò)海水給內(nèi)部電子設(shè)備降溫。

微軟公司致力于保護(hù)環(huán)境。在能源使用方面，微軟公司盡可能多使用可再生能源，在無(wú)法使用可再生能源的情形下，公司會(huì)購(gòu)買碳排放。為了與這個(gè)哲學(xué)保持一致，我們希望把未來(lái)的水下數(shù)據(jù)中心安裝在可再生能源中心附近，可以是海洋風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，也可以是依靠潮汐、海浪或洋流的發(fā)電裝置。

這些海上能源中心通常來(lái)源豐富，意味著我們能夠把人類居住地、水下數(shù)據(jù)中心和綠色能源中心匹配起來(lái)。跟目前數(shù)據(jù)中心有時(shí)扮演著陸地可再生能源農(nóng)場(chǎng)的忠實(shí)客戶一樣，未來(lái)水下數(shù)據(jù)中心跟海上能源中心也很可能有著相同的關(guān)系。

所有人問(wèn)的第一個(gè)問(wèn)題總是：怎么保持電子設(shè)備的干燥?事實(shí)上，保持它們干燥不是那么難。早在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，海洋工業(yè)就一直得保持設(shè)備干燥，通常是在比我們的已經(jīng)試驗(yàn)的和將來(lái)計(jì)劃試驗(yàn)的更有挑戰(zhàn)性的情形下進(jìn)行。

大家在項(xiàng)目初期常問(wèn)的第二個(gè)問(wèn)題，是如何最有效率地冷卻計(jì)算機(jī)。我們?cè)囘^(guò)很多千奇百怪的方法，包括一些特殊的靜電液體，相變材料，還有不同尋常的熱傳遞媒介，像高壓氦氣和超臨界二氧化碳。雖然這些方法有各自的優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題。

雖然現(xiàn)在我們?nèi)匀辉谘芯坷鋮s材料，但近期內(nèi)沒(méi)有迫切需要。納提克的水輸送管線和輻射狀的熱交換器本身就是一個(gè)非常經(jīng)濟(jì)、高效的冷卻系統(tǒng)，跟標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器配合使用沒(méi)什么問(wèn)題。

在我們看來(lái)，一個(gè)更加實(shí)際的問(wèn)題是，水下的數(shù)據(jù)中心會(huì)吸引海洋生物，最終會(huì)形成一座人工珊瑚。這種海洋生命的殖民過(guò)程又被稱作“生物污損”，一開(kāi)始是單細(xì)胞生物“入駐”，接著是以前者為食的稍微大一些的生物被吸引過(guò)來(lái)，再往下就是一條完整的食物鏈。

在我們把納提克原型機(jī)下沉到海里后，不到24小時(shí)，螃蟹和魚(yú)類就在管線周圍聚集起來(lái)了。我們樂(lè)于為這些生物提供一個(gè)家，所以在設(shè)計(jì)上我們重點(diǎn)考慮了在保留這樣一個(gè)棲息地的同時(shí)，如何保證數(shù)據(jù)艙給內(nèi)部計(jì)算機(jī)降溫的能力。

實(shí)際上，我們很清楚外部熱交換器上的生物污損會(huì)妨礙它表面的熱量交換。所以，我們嘗試用了各種各樣的抗無(wú)損材料和涂層，甚至動(dòng)用了像聲波和紫外線一類的驅(qū)逐方式，就是不想讓生物在上面站住腳。

謝天謝地，雖然環(huán)境非常惡劣(離海岸線近的淺水區(qū)海洋生物異常繁榮)，納提克原型機(jī)在第一次安置后還算干凈。即使這樣，生物污損的研究依然活躍，我們也會(huì)繼續(xù)尋找不會(huì)傷害海洋環(huán)境的解決辦法。

或許你會(huì)關(guān)心從數(shù)據(jù)中心交換出的熱量會(huì)不會(huì)破壞周圍的海洋環(huán)境。很可能不會(huì)。納提克艙產(chǎn)生的熱量會(huì)很快與周圍冰冷的海水混合，并被洋流帶走。納提克管線下方的水最多會(huì)升高千分之幾攝氏度。

因此，納提克艙對(duì)環(huán)境造成的影響非常有限。這一點(diǎn)很重要，可以預(yù)見(jiàn)將來(lái)會(huì)建起更多的數(shù)據(jù)中心。如果按照我們的設(shè)想，都建在水下的話，人們倒看不到它們。