アートとしてのデータセンター：海底のデータセンター

さまざまなデータセンターに関する一連の記事を始めていますが、これはある意味では芸術作品と考えることができます。 これは、以前に私たちが既に公開した記事の拡張版です。最も珍しいデータセンター：アートとしてのデータセンター、最大の興味深い詳細、専門家との対話、時には反対意見を持つ人々のコメント。







海洋は寒く、暗く、運動エネルギーで満たされているため、データセンターを構築するのに理想的な場所です。 1年ほど前、マイクロソフトは、密閉された金属容器に入れられたサーバーのキャビネットを海に突っ込みました。 数ヶ月後、彼らはカプセルを表面に持ち上げ、それは藻類と軟体動物で覆われていました。まるで数ヶ月でしたが、何年もの間でした。 しかし、内部のサーバーは涼しく乾燥した状態で機能し続けました。 これはデータセンターの未来ですか？ Natickプロジェクトに取り組んでいるMicrosoftエンジニアのチームは、これが未来だと信じています。

アイデアの起源

すべては2013年に始まりました。データセンターに新しいテクノロジーを導入し、米国海軍の潜水艦に勤務していたマイクロソフトの従業員であるショーンジェームスは、サーバーファームを水中に置くというアイデアを提案しました。 しかし、彼とは違います。





Sean James（クラウドインフラストラクチャおよび運用チーム）



彼の意見では、このアイデアの実装は、冷却機のコストを削減するだけでなく、多くのデータセンター運営者にとって莫大なコスト（総電気料金の約40％-冷却）だけでなく、建設コストも使用して、これらのプラントの管理を簡素化する必要があります再生可能エネルギー、さらにはパフォーマンスを向上させます。



別のMicrosoftエンジニアであるTodd Rawlingsと一緒に、Jamesはこの概念を宣伝する内部ドキュメントを配布しました。 水中環境でのデータセンターの作成が、Microsoftやその他のクラウドベースのプロバイダーが、高度な環境への配慮を維持しながら驚異的な成長ニーズを満たすのにどのように役立つかを説明しました。





ネイティックチーム：エリックピーターソン、スペンサーフォワーズ、ノルムウィテカー、ベンカトラー、ジェフクレイマー（左から右へ）



多くの大企業では、そのような風変わりなアイデアはおそらく芽で静かに死んでいますが、Microsoftではそうではありません.Microsoftでは、プロジェクトがMicrosoftのコアビジネスをはるかに超えて実装されている場合でも、革新的な分野で会社の重要な問題を解決した歴史がすでにありますまだ適切な経験がない人。 成功の鍵は、Microsoftが専門家だけでなくパートナー企業の間でもエンジニアのチームを集めることです。



4人がチームの中核を形成し、ジェームズの広範なアイデアのテストを任されました。 そして、すでに2014年8月にプロジェクトが組織され始めました。それはすぐにナティックとして知られるようになりました。その理由は、研究チームがマサチューセッツ州の都市の名前以外の方法でプロジェクトに名前を付けるのを好まなかったからです。 そして、わずか12か月後、データセンターのプロトタイプの準備が整い、太平洋の底部に搭載されることになりました。

プロジェクトの実施の難しさ

Natickプロジェクトの実装に困難はありませんでした。 最初の問題は、もちろん、水に浸された大きなスチール製容器の中に乾燥した空間を提供することでした。 別の問題は冷却でした。 周囲の海水を使用して内部のサーバーを冷却する最善の方法を見つけ出す必要がありました。 そして最後に、潜水艦に固執するシェルや他の形態の海洋生物に対処するという疑問が生じました。これは、船を長期間水に浸したことがある人なら誰でも知っている現象です。 接着性甲殻類などは、サーバーから環境（水）への熱伝達を妨げるため、問題になりました。 最初は、これらの問題は怖がっていましたが、徐々に解決され、多くの場合、海運業界の実績のあるソリューションを使用しました。





Natickプロジェクトコンテナへのサーバーラックのインストール



しかし、なぜこれらすべての困難なのでしょうか？ もちろん、サーバーを海水で冷却すると冷却コストが下がり、他の利点もあるため作業を改善できますが、データセンターを水に浸すことは明らかなコストと不便を伴います。 数千台のサーバーを海底に配置しようとするのは本当に理にかなっていますか？ 私たちはそれを持っていると信じており、これにはいくつかの理由があります。



1つ目は、Microsoftに必要な場所で必要なときに容量を迅速に増やす機能を提供することです。 後の需要を見越して、実際に必要になるずっと前に施設を建設する必要がなかったため、企業計画の負担が少なくなります。 増え続けるデータセンターの構築に年間数十億ドルを費やしている業界では、応答時間が速いため、コストを大幅に節約できます。



2番目の理由は、水中のデータセンターは地上センターよりも速く構築できるため、理解しやすいことです。 今日、このような各設置の構造は独特です。 機器は同じかもしれませんが、建築基準、税金、気候、労働力、電気、ネットワーク接続はどこでも異なります。 そして、これらの変数は構築の期間に影響します。 また、データセンターのパフォーマンスと信頼性への影響を観察します。同一の機器は、データセンターの場所に応じて異なるレベルの信頼性を示します。







ご覧のように、Natickは「コンテナ」のセットで構成されます。スチールシリンダには、その後、おそらく数千台のサーバーが含まれます。 一緒になって、海岸から数キロ離れた50〜200メートルの水面下に位置する水中データセンターを構成します。 コンテナは、中間の深さで海底の上に浮かぶことができ、ケーブルを海底に係留するか、海底に置くことができます。



データセンターモジュールが展開された後、含まれるサーバーを交換する時が来るまで、データセンターモジュールはそのまま残ります。 または、おそらく、市場の状況が変化し、彼らはそれをどこか別の場所に移動することを決定するでしょう。 これは実際の隔離された環境です。つまり、システム管理者はリモートで作業し、モジュールの操作中に誰も状況を修正したり、機器の一部を交換したりすることはできません。







ここで、定刻生産プロセスがこの概念に適用されると想像してください。 コンテナは工場で組み立てられ、サーバーが装備され、世界中のどこにでも出荷できるように準備されます。 陸上とは異なり、海はどこにいても非常に均質な環境を提供します。 したがって、コンテナの構成は不要であり、コンピューティング能力が不足している場所にすばやく設置でき、成長に合わせて水中設備のサイズを徐々に大きくして、パフォーマンス要件を満たすことができました。 Natickの目標は、展開の決定から90日以内に、世界中のどこにでもある沿岸のサイトでデータセンターを稼働できるようにすることです。

ユーザーの遅延を減らす

新しいデータセンターのほとんどは、電気が安価で、気候が十分に涼しく、土地が安価で、施設が近くに住んでいる人々に干渉しない場所に建設されています。 このアプローチの問題は、非常に頻繁にデータセンターを決済から遠ざける必要があることです。これにより、待ち時間の増加により、リクエストに対するサーバーの応答速度が低下します。



オンラインでのユーザーインタラクションが行われるインタラクティブアプリケーションの場合、これらの遅延は重大であり、高い価値で問題を引き起こす可能性があります。 Webページをすばやくロードし、MinecraftやHaloなどのビデオゲームを高速で遅れないようにする必要があります。 今後数年間で、Microsoft HoloLensやその他の拡張現実技術でサポートされるアプリケーションを含む、多数の相互作用を持つアプリケーションがますます登場します。 そのため、サーバーがサービスを提供する人々により近いことが本当に必要です。これは、今日ではめったにありません。



おそらくこれは驚くべきことかもしれませんが、世界の人口のほぼ半数が海から100 km以内に住んでいます。 したがって、沿岸都市の近くの海岸から離れた場所にデータセントを配置すると、今日よりもユーザーにずっと近くなります。

冷却の節約

これだけでは不十分な場合は、冷却のコスト削減を考慮してください。 歴史的には、機械式冷却システムが使用されていたため、データセンターの冷却システムはサーバー自体とほぼ同じ量のエネルギーを消費していました。



最近、多くのデータセンターオペレーターは、環境から取り入れた空気を使用した冷却に切り替えました。空気を機械的に冷却するのではなく、自由冷却で、外部から精製した空気を使用します。 これにより、冷却のエネルギーコストが大幅に削減されます。これは、総消費量の50％ではなく、10〜30％以内です。 ただし、周囲の温度が高すぎる場所や季節的な変動がある場所もあるため、このようなデータセンターは、集落から離れた高緯度でのみ有効であり、ユーザーの遅延が増大します。







さらに、自由冷却を使用するデータセンターは、かなり多くの水を消費する可能性があります。 多くの場合、蒸発はサーバーを通過する空気をわずかに冷却するために使用されます。 これは、カリフォルニアなどの干ばつが起こりやすい地域や、多くの開発途上国の場合のように、人口の増加が地域の帯水層を枯渇させている地域では問題です。 しかし、たとえ水が豊富であっても、空気に水を加えると、電子機器が腐食しやすくなります。



Natickアーキテクトはこれらの問題をすべて解決します。 データセンターのコンテナの内部は、通常の水と同様に、空気から熱を伝導して耐熱性の液体に除去する熱交換器が取り付けられている標準のコンピューターラックで構成されています。 次に、この流体は容器の外側にある熱交換器にポンプで送られ、熱交換器は周囲の海に熱を伝達します。 冷却された液体は、内部熱交換器に戻されてリサイクルされます。



もちろん、周囲の海が寒いほど、このスキームはうまく機能します。 夏でも熱帯地方でも冷たい海水にアクセスするには、機器の入ったコンテナを十分に深くする必要があります。 たとえば、フロリダの東海岸近くの深さ200メートルでは、水温は年間を通じて15°Cを超えて上昇しません。

試作機

「Leona Philpot」（Xboxゲームキャラクターを称える）と呼ばれるNatickのプロトタイプインストールのテストは、2015年8月に始まりました。 設置場所は、カリフォルニアのサンルイスオビスポ市の近くの太平洋の深さ11メートルに沈んでおり、水温は年間14〜18℃です。



水中データセンターモジュールのプロトタイプで使用されるサーバーラックには、実サーバーと、サーバーと同じ量のエネルギーを消費するダミー負荷の両方が入っていました



この105日間の実験の過程で、機械式冷却を使用した場合と同じ温度にサーバーを冷却し続けることが可能であることが示されましたが、エネルギー消費は非常に低く、わずか3％です。 これらのエネルギーコストは、今日私たちが認識しているどの産業または実験データセンターよりも大幅に低くなっています。



さらに、現場、駐車場、パニックボタン、セキュリティに人員を置く必要はありませんでした。 コンテナ内に酸素のない雰囲気が作られたため、火災が発生せず、快適なオフィスからマイクロソフトの従業員が機器を制御できます。 さらに、すべての水蒸気とほこりも容器の雰囲気から取り除かれました。 これにより、環境が電子機器にとって非常に快適になり、コネクタの熱分布と腐食の問題が最小限に抑えられました。





未来への展望。 将来のデータセンターはプロトタイプよりもはるかに長くなり、各データセンターには多数のサーバーラックが含まれます。 電子機器は、内部および外部の熱交換器を使用して廃熱を周囲の海水に伝達することにより冷却されます。

環境保護とエネルギー供給

マイクロソフトは、環境の保護に取り組んでいます。 たとえば、電力需要を満たすために、同社はできるだけ多くの再生可能エネルギー源を使用しています。 可能な範囲で。 しかし、炭素はまだ補償されていません。 この哲学に従って、同社は、沿岸の風力発電所であろうと、潮流、波、潮流の力を利用する沖合のエネルギーシステムであろうと、将来の水中データセンターを沖合の再生可能エネルギー源の近くに展開する予定です。







通常、これらのエネルギー源は棚に豊富にあります。つまり、人の近くに機器を配置し、同時に大量のグリーンエネルギーにアクセスすることができます。 地上のデータセンターが再生可能エネルギー源を提供するための新しいインフラストラクチャを構築する原動力になるのと同様に、水中のデータ処理センターでも同様の状況が発生する可能性があります。 おそらくそれらの存在は、水中データセンターだけでなく人口にもクリーンエネルギーを提供する新しいインフラ施設の建設を刺激するでしょう。



考慮すべきもう1つの要因は、特に開発途上国では、従来の方法で生成された電気が常に容易に利用できるとは限らないことです。 たとえば、サハラ以南のアフリカの人口の70％は、電力ネットワークにまったくアクセスできません。 したがって、データセンターを構築し、そのような人々に利用可能なサービスを提供したい場合は、おそらくそれらにも電力を提供する必要があります。







通常、電力は損失を減らすために高電圧送電線と100,000ボルト以上の電圧を使用して長距離にわたって伝送されますが、最終的にサーバーはホームコンピューターと同じ低電圧を使用します。 電源電圧をサーバーのハードウェアに適した値に下げるには、通常、3つの別個のデバイスが必要です。 また、停電の場合に電力を供給するために、冗長な発電機と大量のバッテリーが必要になります。



沿岸のエネルギー源の近くに水中データセンターを配置すると、エンジニアはインフラストラクチャを簡素化できます。 まず、より低い電圧の主電源に接続することが可能になります。これにより、サーバーに向かう途中のいくつかの電圧コンバータが不要になります。 第二に、サーバーを風力またはオフショアタービンで駆動する独立した送電網に接続することにより、耐障害性を確保できます。 これにより、電気的損失とデータセンターアーキテクチャ全体への全体的な投資の両方が削減され、地域の停電から保護されます。



このアプローチのもう1つの利点は、水中のデータセンターからデータを送信するために使用される光ファイバーケーブルまたは2本のケーブルのみが地球に影響を与えることです。

質問と研究

ほとんどすべての人がこのアイデアについて尋ねる最初の質問は、電子機器がどのように乾燥したままになるのかという質問です。 真実は、サーバーコンテナー内の乾燥した気候を維持することは難しくないということです。 海洋産業は、最初のコンピューターが登場するずっと前に、多くの場合、このプロジェクトの一部である可能性のある条件よりもはるかに好ましくない条件で、機器を海で乾燥した状態に保つことを学びました。







初期段階にあった2番目の質問は、サーバーを最も効率的に冷却する方法でした。 プロジェクトチームは、特殊な誘電性流体や相転移材料の使用、高圧ヘリウムガスや超臨界二酸化炭素などの異常な冷却剤の使用など、多くのエキゾチックなアプローチを調査しました。 これらのアプローチには利点がありますが、大きな問題も引き起こします。



研究者は、冷却用のエキゾチックな材料の応用に関する研究を続けていますが、近い将来、それらの必要はありません。 Natickプロジェクトの一環としての水冷とラジエーター熱交換器の使用は、標準サーバーで完全に機能する非常に経済的で効率的な冷却メカニズムを提供します。

生物学的ファウリングと環境の影響

さらに重要なことは、私たちの意見では、水中のダダセンターは海洋生物を引き付け、人工礁を形成するということです。 生物汚損と呼ばれる海洋生物によるこの植民地化のプロセスは、単細胞生物から始まり、続いてこれらの細胞を食べるわずかに大きな生物などが食物連鎖に沿って続きます。





水中での105日後、ヨットに馴染みのある生物学的ファウリング現象の結果として、機器のカプセルの一部が海洋生物で覆われました。



研究者がネイティックの試作品を底に突っ込むと、カニと魚が1日間集まって新しい家に住み始めました。 研究者は、これらの生き物の家を作ったことに満足していたため、主な設計上の課題の1つは、サーバーを十分に涼しく保つ水中データセンターの能力を妨げることなく、この環境を維持する方法でした。



特に、外部熱交換器の生物学的汚れは、これらの表面からの熱除去を妨げることが知られています。 このように、研究者たちは、生物の外観を複雑にすることを期待して、さまざまな防汚材料とコーティングの使用を調査し始めました。 物理的に熱交換器を清掃することはできますが、メンテナンスを可能な限り簡素化するという目標を考えると、このような介入に頼ることは不合理です。







幸いなことに、Nattyコンテナの熱交換器は、海の生物が最もよく見られる浅い水と海岸近くの非常に不利な環境にあるにもかかわらず、最初の展開中はきれいなままでした。 しかし、ファウリングは依然として活発な研究分野であり、研究者は海洋環境に害を及ぼさないアプローチに重点を置いて研究を続けています。

機器の故障、安全性、環境への影響

テスト中に研究者が遭遇した最大の問題は、機器の故障と、サーバーラックまたはハードディスク、ネットワークカード、または特定のサーバーの他のコンポーネント内の特定のサーバーを交換できないことでした。 ハードウェア障害にリモートで自律的に対応する必要があるだけです。 そのため、通常のマイクロソフトの地上データセンターでもこの方向に積極的な作業が行われ、人の介入なしに検出能力を高め、障害を排除する機能を提供しています。 将来、同様の方法と経験がNatickデータセンターに適用されます。



セキュリティはどうですか？ データが水中に置かれた場合、データは仮想的または物理的な盗難から確実に保護されますか？ 絶対に。 Natickは、マイクロソフトの地上ベースのデータセンターと同じ暗号化およびその他のセキュリティ保証を提供します。 同時に、機器を備えたコンテナの近くに誰も物理的に存在しないため、Natickはセンサーを使用して、予期しない訪問者の報告などの環境変化に関するデータを受信します。







また、水中データセンターで発生した熱が地元の海洋環境に悪影響を与えるかどうか疑問に思うかもしれません。 ほとんどないでしょう。 Natickコンテナで発生した熱はすぐに冷水と混合され、電流によって運び去られます。 Natickコンテナから数メートル下流の水は、せいぜい数千度しか温まりません。



したがって、環境への影響は非常に小さくなります。 将来的にはより多くの水中データセンターが建設され、人々がそれらをサポートし提供するために水中で働き始める可能性が高いため、これは重要です。

結論

一見、寒い海底に位置するデータセンターを管理するというアイデアは非常に魅力的に見えます。サーバーを備えたラックで満たされたカプセルには、一定かつ正確な温度制御が必要です。 この作業を水温が摂氏0度に近い寒い海底に移してみませんか？



このソリューションの実装に取り​​組んでいるNatickチームはそのような意見を持っています。 彼らのアイデアは、海岸近くの海にデータセンターを配置することです。「地球の人口の半分以上が海岸線から200 km以内に住んでいます」と、映画のプロジェクトのエンジニアの1人は言います。







主なタスクは、ユーザーと要求されたデータの間の距離を短縮し、クラウドインフラストラクチャを世界中の適切な場所に90日間隔離されたコンテナーで展開できるようにすることです。これにより、ユーザーへのデータ配信を節約し、ユーザーに近づき、冷却を節約し、栄養、データセンターをより環境に優しいものにします。



これでうまくいきますか？ 確かに。 すでに解決済みです。唯一の問題は、水中データセンターがいつ産業規模で配布されるかです。 現在、マイクロソフトは世界中に100を超えるデータセンターを所有しており、100万を超えるサーバーをホストしています。年間150億ドル以上がITインフラストラクチャに費やされています。おそらく近い将来、データセンターは引き続き水中で構築されます。







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