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数据中心海底开建,科技兴海再添利器

信息来源:新华网    发布日期:2022-09-22   

  缩短数据中心与用户之间的距离,无论何时都是“硬实力”。将数据中心放置在海中的想法极具创新性。对于解决需求增长与扩建受限之间的矛盾,特别是助益快速发展中的沿海地区数字经济,海底数据中心的建设具有深远的战略意义。

  今年11月下旬到12月,全球首台商用海底数据中心数据舱和配套装备,将作为海南省自贸港数字化建设的“新基建”创新示范工程,完成入海安装并适时“开机”。

  一切缘起,都来自太平洋彼岸的微软。

  2015年,微软启动了“纳迪克”(Natick)项目,着手将数据中心建在海底,以提高其能效和可靠性;2018年,该项目团队在压力容器中部署了装有864台服务器的12个服务器机架,并将它们沉入苏格兰海岸附近的海床;2020年9月,项目宣布验证成功……

  微软的这项创新业务,深深地吸引了海兰信创始人申万秋。深耕海洋科技近20年,海兰信正在寻求转型发展的新方向。

  进一步走向那片蔚蓝,是海洋强国追梦人的共同愿景。

  2020年,申万秋决定,立即着手开展海底数据中心项目(以下简称UDC)的战略布局与技术攻关,并在深圳成立子公司海兰云,以推动海底数据中心产业化落地。

  即便一切从零开始,他们仍然给UDC攻关组下了硬任务:核心数据实验舱第一次测试,务必在2020年11月30日前下海。

  亲近海洋,探索海洋,开发海洋……当海洋经济牵手数字经济,一路走来,好事渐成。

  谁在给数据中心找“新家”

  数据作为数字经济的生产要素,必然要有处理数据的硬件。数据中心就是全球协作的特定设备网络,用于在互联网基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。

  2020年3月,我国将数据中心作为“新基建”的六大重点之一,引导和鼓励各地建设数据中心。

  清华大学教授、博士生导师李震从2005年博士毕业起,就从事暖通空调、制冷、工业及建筑节能、数据中心冷却等方向的研究工作。他在接受科技日报记者采访时给出一组数据:从2005年到现在,数据中心的能耗总量约5年就会翻一番。

  受国家政策引导及社会需求驱动,我国数据中心数量快速增长。按照每个标准机架2.5kW承载功率统计,截至2021年底,我国在用数据中心机架数量达到520万架,近5年年均复合增速超过30%。

  全球企业增长咨询机构沙利文(Frost & Sullivan)的分析表明,全球持续、高水平技术部署,将带来数据的激增,对数据处理和存储容量的需求将进一步增加。该机构预计,到2025年,全球数据中心市场投资额将达4321.4亿美元。

  2021年3月,美国国防部与微软签署一项关于集成视觉现实增强系统的合同,合同额高达219亿美元。业内人士透露,出于国家安全考虑,该设备的相关云计算数据中心将建在海底,初始合同额预计超过5亿美元。

  这也是微软自2015年启动海底数据中心项目以来的首个商用合同。

  我国率先研发同类装备的海兰信,这样描述他们开发的海底数据中心——它由岸站、海底光电复合缆、海底分电站及海底数据舱组成。主体结构为罐体结构,电气设备、冷却系统均布置在罐体内部,罐体顶部为海水冷却系统。

  当年海兰信起步时,除了微软的测试新闻,国内外鲜有相关技术发展的报道。在UDC团队密集开展概念设计、样机测试及示范项目研发过程中,已申请相关专利30余项,且已经成为海底数据中心业务的先行者。

  在产业上下游的共同努力下,海兰信成为继微软之后,全球第二个海底数据中心解决方案提供者。而且,海兰信的方案相比微软方案解决了高海水温度海域的海水自然冷却难题。

  最近,一则国际新闻揭开了另一家公司的神秘面纱。一家名为海底云(Subsea Cloud)的海底数据中心基础设施公司,日前宣布了其三个海底数据中心项目。据悉,其计划在美国华盛顿州安吉利斯港附近海域,水下约9米处,部署一个长度为6米的集装箱吊舱,该吊舱可容纳800台服务器,随后将逐步扩展到100个吊舱。

  目光缘何望向无尽海底

  世界上超过一半的人口居住在距离海岸近200公里的范围内。我国东部地区具有临海的区位优势,也集聚了全国超过45%的人口。

  将数据中心放置在海中的想法极具创新性。通过将数据中心放置在沿海城市附近的水下,数据的传输距离会很短,从而实现快速流畅的网络服务。

  有些对时延要求不高的业务,可以按照国家“东数西算”引导政策,放到西部地区的数据中心去处理;但沿海发达地区未来如果发展自动驾驶汽车等需要数据精准同步的产业,数据反馈时间如果延长哪怕1毫秒,就可能带来严重后果。

  所以,缩短数据中心与用户之间的距离,无论何时都是“硬实力”。海兰信联合创始人魏法军始终坚定地认为,相对于沿海地区人口密集、土地有限的实际,利用丰富的海洋资源解决数据中心扩充受限的难题,已是题中应有之义。

  相比于陆地上的传统数据中心,海底数据中心还有哪些优势?

  “首当其冲的,当然是节能减排!”李震解释道,因为海水是天然的“冷源”,相当于“免费的空调”,通过海水给对冷却系统有极大需求的数据中心进行“冷却”,能够很大程度上节省能源。

  他给记者算了一笔节电的账——

  一个传统的数据中心,大概1/3的电能是消耗在为数据中心进行制冷的空调系统上。如果同等体量的海底数据中心,消耗用于制冷的电能,只需要总耗电量的1/10左右。

  换一种算法——

  目前全国数据中心的用电量是一年约2500亿度,其中大概800亿度电用于为数据中心进行环境制冷。如果同等体量的数据中心放在海底,消耗在制冷上的电量,如果多打点儿余量,按300亿度计算,那么一年能节省500亿度电,相当于能减少燃烧1500万吨标煤,减排效果显而易见。

  当然,这是理论状态。实际测试数据结果怎样?

  2020年11月,UDC攻关团队设计的第一个原型样机,如期在珠海完成第一次小试。三个月的实验数据显示,单舱能耗指标PUE值仅为1.076。远远低于2021年度全国数据中心平均能耗指标PUE值——1.49。目前,国家发改委、工业和信息化部等,要求新建数据中心的PUE值必须降到1.3以下。如果以海底数据中心市场渗透率达到10%计算,与传统陆地数据中心使用火电相比,预计2025年全年我国可以减少碳排放约113万吨。

  除了节约电能,节水也是一大优势。

  海底数据中心没有冷却塔,可以节约大量水资源。一座功率20MW的数据中心每年节水超过60万立方米,同样以市场渗透率10%计算,预计2025年我国可以减少淡水消耗5700万吨以上。

  “海底数据中心的建设,对于解决需求增长与扩建受限之间的矛盾,特别是快速发展中的沿海地区数字经济,具有深远的战略意义。”正是看到了这些优势,在2020年开发首台样机之时,李震欣然接受邀请,也迎来了设计新型数据中心冷却系统的挑战。

  耗电柜机“埋”海里安全可靠吗

  把数据中心放在海底,这本身就很颠覆认知。

  很多人冒出的第一个念头是通电的设备绝对不能碰水。数据中心舱体里装满了一刻都离不开电的服务器,怎么保证海水淹不着?就算用特别密封的壳体保护得很好,但海底下生物系统复杂多样,生物附着物和海水腐蚀侵害难题,也一样横亘在面前。

  即便以上两项都做得很好,那么多柜机的硬件、软件如果需要维护和更换,是需要人下到海底,还是将数据舱吊回海面?

  疑惑点就是创新点,也是设计路径和解决方案的着力点。

  UDC攻关团队直接面临三大难题,一是密封安全性,二是抗附着和腐蚀能力,三是可长期无人维护。

  从哪里下手呢?就从密封安全开始吧。

  UDC攻关团队找到彼时还在上海交通大学的胡勇教授,他可是“蛟龙号”载人潜水器结构系统主任设计师。

  下潜5000米和下潜50米相比,乍一想,似乎后者更简单。

  “这么想就错了!实际上,对于密封性而言,深海压力大,结构和材料只要符合要求,通过压力可以更好地实现密封。但浅海的外部压力小,壳体的设计还要兼顾制冷设备和各种商用需求,尤其是浅海生物系统较深海更复杂,生物附着和腐蚀侵害更严重,某种程度上说也更难。”全程参与UDC项目技术攻关的工程师傅荣荣解释道。

  胡勇接受记者采访时,回忆起前期参与数据中心开发过程中,提出的“解题”思路——壳体的密封性是一方面,还有长期耐久性、耐腐蚀性能、后期维修性、设备的安装工艺都要同步考虑。

  如此看来,设计一个海底数据中心,绝对是个系统工程。

  融合创新,找准切入点后突飞猛进

  深圳海兰云总经理苏洋直言,进行壳体设计需要综合考虑全流程使用方案。为了确保海底数据中心与传统数据中心的相对性优势,首先就要分析论证其使用流程、维护保障流程、全寿命周期内节能指标的预算,以及与现有陆上数据中心的性价比比较分析。

  与此同时,还要提前考虑布放方案、供电方案、设备安装方案、中期维护方案相关技术路线等存在的不确定性,因为这些变量会极大影响总体技术方案的最终实施效果。

  这些都难不倒常年跟海洋打交道的UDC攻关组工程师们。

  20年来,他们积累了大量海洋科技原创技术,比如原生海底智能监控技术、原生高智能配电技术以及高可靠海底接驳技术等。他们还拥有多个全球技术研发团队,以及高校、院所、央企等各领域高级别专家智囊团与合作者。

  苏洋认为,复杂问题要想求解,最重要的是找到切入口,“首先从节能指标入手”。

  胡勇赞同,一定要实事求是,根据实际情况,先确定最合理的水下冷却系统方案。

  这样一来,冷却系统方案就又成为重中之重的前提条件。

  仅仅依靠舱体用海水自然冷却显然不符合实际。与微软试验地在苏格兰海域完全不同,我国东南沿海海域的海水温度比较高,“如果非要完全效仿微软用海水进行舱体自然冷却,则需要设计非常庞大的结构体,才能实现泵循环冷却”。苏洋与胡勇、李震同时否定了这一设想。因为如此一来,结构将复杂化,不符合壳体材料选型既要满足安全性又要最省成本的要求,所以,设计最终壳体结构时,采用了混合结构。

  所谓混合结构,就是在舱体内外同步搭载机柜级分体制冷系统和舱外热循环系统,确保舱内运行温度适宜,同时散热效果达标。这就是UDC攻关组与李震教授团队合作研发的UDC原生柔性制冷技术。

  相比于现有技术中的冷却系统,UDC创新方案实现了海水全自然冷却,不需要设置制冷机和冷却塔等装置,也节省了相关的制造与维护成本。

  如此一来,与微软在北极圈冷水海域进行的测试相比,海兰信的设计难度更大,取得的测试成果更可喜——其技术指标与微软不相上下,特别是1.076这个PUE值达到世界先进水平。海底数据中心核心数据舱的节能降耗能力得到了充分印证。

  抗生物附着和海水腐蚀其实是世界性难题。UDC攻关组与胡勇团队共同研发了浅水海域防生物附着技术,解决了热带海域海底生物附着乃至腐蚀的难题。

  更重要的是,由专业的环评机构给出的环评报告显示,该方案仅对水流下方3米内产生小于0.2度的温升,对海洋环境很友好。

  科技兴海,海洋经济一片蔚蓝

  攻克了核心的服务器密封舱这个大型水下结构,然后将其以标准化模块的形式布置在海底,并使用海底复合电力光通讯缆,将数据回传至岸站。这就完成了海底数据中心的全流程设计与部署。

  那么,政府和市场怎么看待这一全新产业呢?

  2021年底以来,国家发改委、工信部等部门先后出台了《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求 推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》《“十四五”工业绿色发展规划》等,鼓励探索利用河湖、海洋等优势资源,建设利用自然冷源散热的数据中心,充分发挥气候水文和地形地貌等自然条件天然优势,因地制宜促进数据中心节能降耗。

  此外,海南省、广东省、山东省等提出的海洋经济发展“十四五”规划,也都提出要促进海底数据中心研发及建设。

  以海南省为例,海南岛作为热带岛屿,其区域内数据中心发展长期存在能源短缺、淡水和土地有限、高温高湿气候环境、台风高发等问题。

  未来,海南作为自由贸易港,按照其蓬勃发展的趋势,当地产业对数据中心的需求难以估量。而海底数据中心独特的价值特征将更加凸显。

  “建设岸站、海底高压复合缆、海底分电站及海底数据舱。一期布放100个数据舱,并逐步建设以海底数据中心为核心的综合性海洋新技术产业园。”这是海南省海洋经济发展“十四五”规划中的具体描述。

  中国电信海南分公司率先“尝鲜”。2021年5月,海兰信与海南电信合作开展了第二次样机测试,数据舱内承载了海南电信的实际数据业务。公开报道称,该测试邀请了中国信通院云大所全程跟踪,测试结果显示海底数据中心可以承载对抖动敏感、高交互的业务。

  即将在今年11月下旬或12月入海的海底数据中心数据舱,是全球首个商用海底数据中心核心装备。

  这一动作也标志海南海底数据中心项目总体三期工程中,第一期示范工程项目正式开启。

  苏洋介绍,该项目一期客户包括海南电信、商汤科技、光环新网和ATLAS(新加坡)公司,分别代表电信运营商、人工智能、第三方数据中心运营商、WEB3.0等不同应用场景。二期将重点开拓头部互联网和超算客户。

  记者观察到,发展海底数据中心具有多方面的意义,如绿色低碳零耗水,安全可靠少维护,这是目前其逐渐浮出水面的显见优势。

  但如果一个产业不能形成强烈的辐射效应,这个产业就难以为继,或者说孤立无援。

  苏洋表示认同,他说,之所以在海底数据中心这条创新路上一路狂奔,就是因为这个产业还能促进信息科技与海洋科技交叉创新。

  更值得期待的是,通过与海上新能源、海洋牧场、滨海旅游等的融合发展,还可形成以海底数据中心为核心的综合性海洋新技术产业集群,从而不断为发展海洋经济和数字经济带来蓝色新动能。(记者 房琳琳)

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