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数据中心海底开建,科技兴海再添利器

采 写:本报记者 房琳琳 策 划:房琳琳 何 屹

缩短数据中心与用户之间的(de)距离,无论何时都是(shi)“硬实力”。将数据中心放置在海中的(de)想法极具创新性。对(dui)于解决需求增长与扩建(jian)受限之间的(de)矛盾,特别是(shi)助益快速发展中的(de)沿海地区数字经济,海底数据中心的(de)建(jian)设(she)具有深远的(de)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(jian)设(she)的(de)“新基建(jian)”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(de)微软。

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

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

进一步走向那片蔚蓝,是(shi)海洋强国追梦人(ren)的(de)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(de)战略布局与技术攻关,并在深圳成立子公司(gongsi)(gongsi)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(ta)们(men)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(hao)事渐成。

谁在给数据中心找“新家”

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

2020年3月,我(wo)国将数据中心作为“新基建(jian)”的(de)六大重点之一,引导和鼓励各地建(jian)设(she)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(jian)筑节能、数据中心冷却等方向的(de)研究工作。他(ta)在接受科技(keji)日报记者采访时给出一组数据:从2005年到现在,数据中心的(de)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(wo)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(wo)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(qiye)增长咨询机构沙利文(Frost Sullivan)的(de)分析表明,全球持续、高水平技术部署,将带来数据的(de)激增,对(dui)数据处理和存储容量的(de)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(shi)觉现实增强系统的(de)合同,合同额高达219亿美元。业内人(ren)士透露,出于国家安全考虑,该设(she)备的(de)相关云计算数据中心将建(jian)在海底,初始合同额预计超过5亿美元。

这也是(shi)微软自2015年启动海底数据中心项目以来的(de)首个商用合同。

我(wo)国率先研发同类装备的(de)海兰信,这样描述他(ta)们(men)开发的(de)海底数据中心——它(ta)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(she)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(de)测试新闻(xinwen),国内外鲜有相关技术发展的(de)报道。在UDC团队(tuandui)(dui)密集开展概念设(she)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(de)先行者。

在产业上下游的(de)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(de)方案相比微软方案解决了高海水温度海域的(de)海水自然冷却难题。

最近,一则国际新闻(xinwen)揭开了另一家公司(gongsi)(gongsi)的(de)神秘面纱。一家名为海底云(Subsea Cloud)的(de)海底数据中心基础设(she)施公司(gongsi)(gongsi),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(de)集装箱吊舱,该吊舱可容纳800台服务(fuwu)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(de)人(ren)口居住在距离海岸近200公里的(de)范围内。我(wo)国东部地区具有临海的(de)区位优势(youshi),也集聚了全国超过45%的(de)人(ren)口。

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

有些对(dui)时延要求不高的(de)业务,可以按照国家“东数西算”引导政策,放到西部地区的(de)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(de)产业,数据反馈时间(shijian)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(de)距离,无论何时都是(shi)“硬实力”。海兰信联合创始人(ren)魏法军始终坚定地认为,相对(dui)于沿海地区人(ren)口密集、土地有限的(de)实际,利用丰富的(de)海洋资源解决数据中心扩充受限的(de)难题,已是(shi)题中应有之义。

相比于陆地上的(de)传统数据中心,海底数据中心还有哪些优势(youshi)?

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

他(ta)给记者算了一笔节电的(de)账——

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

换一种算法——

目前全国数据中心的(de)用电量是(shi)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(de)数据中心放在海底,消耗在制冷上的(de)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(shi)理论状态。实际测试数据结果怎样?

2020年11月,UDC攻关团队(tuandui)(dui)设(she)计的(de)第一个原型样机,如期在珠海完成第一次小试。三个月的(de)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(jian)数据中心的(de)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(wo)国可以减少碳排放约113万吨。

除了节约电能,节水也是(shi)一大优势(youshi)。

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(de)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(wo)国可以减少淡水消耗5700万吨以上。

“海底数据中心的(de)建(jian)设(she),对(dui)于解决需求增长与扩建(jian)受限之间的(de)矛盾,特别是(shi)快速发展中的(de)沿海地区数字经济,具有深远的(de)战略意义。”正是(shi)看到了这些优势(youshi),在2020年开发首台样机之时,李震欣然接受邀请,也迎来了设(she)计新型数据中心冷却系统的(de)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(ren)冒出的(de)第一个念头是(shi)通电的(de)设(she)备绝对(dui)不能碰水。数据中心舱体里装满了一刻都离不开电的(de)服务(fuwu)器,怎么保证海水淹不着?就算用特别密封的(de)壳体保护得很好(hao),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(hao),那么多柜机的(de)硬件、软件如果需要维护和更换,是(shi)需要人(ren)下到海底,还是(shi)将数据舱吊回海面?

疑惑点就是(shi)创新点,也是(shi)设(she)计路径和解决方案的(de)着力点。

UDC攻关团队(tuandui)(dui)直接面临三大难题,一是(shi)密封安全性,二是(shi)抗附着和腐蚀能力,三是(shi)可长期无人(ren)维护。

从哪里下手呢?就从密封安全开始吧。

UDC攻关团队(tuandui)(dui)找到彼时还在上海交通大学的(de)胡勇教授,他(ta)可是(shi)“蛟龙号”载人(ren)潜水器结构系统主任设(she)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(dui)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(hao)地实现密封。但浅海的(de)外部压力小,壳体的(de)设(she)计还要兼顾制冷设(she)备和各种商用需求,尤其是(shi)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(de)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(de)“解题”思路——壳体的(de)密封性是(shi)一方面,还有长期耐久性、耐腐蚀性能、后期维修性、设(she)备的(de)安装工艺都要同步考虑。

如此看来,设(she)计一个海底数据中心,绝对(dui)是(shi)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(she)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(de)相对(dui)性优势(youshi),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(de)预算,以及与现有陆上数据中心的(de)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(she)备安装方案、中期维护方案相关技术路线等存在的(de)不确定性,因为这些变量会极大影响总体技术方案的(de)最终实施效果。

这些都难不倒常年跟海洋打交道的(de)UDC攻关组工程师们(men)。

20年来,他(ta)们(men)积累了大量海洋科技(keji)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(ta)们(men)还拥有多个全球技术研发团队(tuandui)(dui),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(de)是(shi)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(shi),根据实际情况,先确定最合理的(de)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(de)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(wo)国东南沿海海域的(de)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(she)计非常庞大的(de)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(she)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(de)要求,所以,设(she)计最终壳体结构时,采用了混合结构。

所谓混合结构,就是(shi)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(shi)UDC攻关组与李震教授团队(tuandui)(dui)合作研发的(de)UDC原生柔性制冷技术。

相比于现有技术中的(de)冷却系统,UDC创新方案实现了海水全自然冷却,不需要设(she)置制冷机和冷却塔等装置,也节省了相关的(de)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(de)测试相比,海兰信的(de)设(she)计难度更大,取得的(de)测试成果更可喜——其技术指标与微软不相上下,特别是(shi)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(de)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(shi)世界性难题。UDC攻关组与胡勇团队(tuandui)(dui)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(de)难题。

更重要的(de)是(shi),由专业的(de)环评机构给出的(de)环评报告显示,该方案仅对(dui)水流下方3米内产生小于0.2度的(de)温升,对(dui)海洋环境很友好(hao)。

科技(keji)兴海,海洋经济一片蔚蓝

攻克了核心的(de)服务(fuwu)器密封舱这个大型水下结构,然后将其以标准化模块的(de)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(de)全流程设(she)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(she)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(youshi)资源,建(jian)设(she)利用自然冷源散热的(de)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(youshi),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(de)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(jian)设(she)。

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(de)趋势,当地产业对(dui)数据中心的(de)需求难以估量。而海底数据中心独特的(de)价值特征将更加凸显。

“建(jian)设(she)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(jian)设(she)以海底数据中心为核心的(de)综合性海洋新技术产业园。”这是(shi)海南省海洋经济发展“十四五”规划中的(de)具体描述。

中国电信海南分公司(gongsi)(gongsi)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(de)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(dui)抖动敏感、高交互的(de)业务。

即将在今年11月下旬或12月入海的(de)海底数据中心数据舱,是(shi)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(keji)、光环新网和ATLAS(新加坡)公司(gongsi)(gongsi),分别代表电信运营商、人(ren)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(de)意义,如绿色低碳零耗水,安全可靠少维护,这是(shi)目前其逐渐浮出水面的(de)显见优势(youshi)。

但如果一个产业不能形成强烈的(de)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(ta)说,之所以在海底数据中心这条创新路上一路狂奔,就是(shi)因为这个产业还能促进信息科技(keji)与海洋科技(keji)交叉创新。

更值得期待的(de)是(shi),通过与海上新能源、海洋牧场、滨海旅游等的(de)融合发展,还可形成以海底数据中心为核心的(de)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。 【编辑:陈文韬】

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数据中心,海底,罐体结构,载人潜水器,海洋牧场

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