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          數據中心海底開建,科技興海再添利器
          來源:科技日報 作者: 發表時間:09-22 17:31

          未來海底數據中心布放概念圖

          海底數據中心數據艙一期測試樣機入海前檢查

          海底數據中心攻關團隊合影

          海底數據中心數據艙一期測試樣機吊裝入海

          海底數據中心數據艙內部

          海底數據中心示范項目數據艙組裝本版圖片由受訪者提供

          縮短數據中心與用戶之間的距離,無論何時都是“硬實力”。將數據中心放置在海中的想法極具創新性。對于解決需求增長與擴建受限之間的矛盾,特別是助益快速發展中的沿海地區數字經濟,海底數據中心的建設具有深遠的戰略意義。

          今年11月下旬到12月,全球首臺商用海底數據中心數據艙和配套裝備,將作為海南省自貿港數字化建設的“新基建”創新示范工程,完成入海安裝并適時“開機”。

          一切緣起,都來自太平洋彼岸的微軟。

          2015年,微軟啟動了“納迪克”(Natick)項目,著手將數據中心建在海底,以提高其能效和可靠性;2018年,該項目團隊在壓力容器中部署了裝有864臺服務器的12個服務器機架,并將它們沉入蘇格蘭海岸附近的海床;2020年9月,項目宣布驗證成功……

          微軟的這項創新業務,深深地吸引了海蘭信創始人申萬秋。深耕海洋科技近20年,海蘭信正在尋求轉型發展的新方向。

          進一步走向那片蔚藍,是海洋強國追夢人的共同愿景。

          2020年,申萬秋決定,立即著手開展海底數據中心項目(以下簡稱UDC)的戰略布局與技術攻關,并在深圳成立子公司海蘭云,以推動海底數據中心產業化落地。

          即便一切從零開始,他們仍然給UDC攻關組下了硬任務:核心數據實驗艙第一次測試,務必在2020年11月30日前下海。

          親近海洋,探索海洋,開發海洋……當海洋經濟牽手數字經濟,一路走來,好事漸成。

          誰在給數據中心找“新家”

          數據作為數字經濟的生產要素,必然要有處理數據的硬件。數據中心就是全球協作的特定設備網絡,用于在互聯網基礎設施上傳遞、加速、展示、計算、存儲數據信息。

          2020年3月,我國將數據中心作為“新基建”的六大重點之一,引導和鼓勵各地建設數據中心。

          清華大學教授、博士生導師李震從2005年博士畢業起,就從事暖通空調、制冷、工業及建筑節能、數據中心冷卻等方向的研究工作。他在接受科技日報記者采訪時給出一組數據:從2005年到現在,數據中心的能耗總量約5年就會翻一番。

          受國家政策引導及社會需求驅動,我國數據中心數量快速增長。按照每個標準機架2.5kW承載功率統計,截至2021年底,我國在用數據中心機架數量達到520萬架,近5年年均復合增速超過30%。

          全球企業增長咨詢機構沙利文(Frost & Sullivan)的分析表明,全球持續、高水平技術部署,將帶來數據的激增,對數據處理和存儲容量的需求將進一步增加。該機構預計,到2025年,全球數據中心市場投資額將達4321.4億美元。

          2021年3月,美國國防部與微軟簽署一項關于集成視覺現實增強系統的合同,合同額高達219億美元。業內人士透露,出于國家安全考慮,該設備的相關云計算數據中心將建在海底,初始合同額預計超過5億美元。

          這也是微軟自2015年啟動海底數據中心項目以來的首個商用合同。

          我國率先研發同類裝備的海蘭信,這樣描述他們開發的海底數據中心——它由岸站、海底光電復合纜、海底分電站及海底數據艙組成。主體結構為罐體結構,電氣設備、冷卻系統均布置在罐體內部,罐體頂部為海水冷卻系統。

          當年海蘭信起步時,除了微軟的測試新聞,國內外鮮有相關技術發展的報道。在UDC團隊密集開展概念設計、樣機測試及示范項目研發過程中,已申請相關專利30余項,且已經成為海底數據中心業務的先行者。

          在產業上下游的共同努力下,海蘭信成為繼微軟之后,全球第二個海底數據中心解決方案提供者。而且,海蘭信的方案相比微軟方案解決了高海水溫度海域的海水自然冷卻難題。

          最近,一則國際新聞揭開了另一家公司的神秘面紗。一家名為海底云(Subsea Cloud)的海底數據中心基礎設施公司,日前宣布了其三個海底數據中心項目。據悉,其計劃在美國華盛頓州安吉利斯港附近海域,水下約9米處,部署一個長度為6米的集裝箱吊艙,該吊艙可容納800臺服務器,隨后將逐步擴展到100個吊艙。

          目光緣何望向無盡海底

          世界上超過一半的人口居住在距離海岸近200公里的范圍內。我國東部地區具有臨海的區位優勢,也集聚了全國超過45%的人口。

          將數據中心放置在海中的想法極具創新性。通過將數據中心放置在沿海城市附近的水下,數據的傳輸距離會很短,從而實現快速流暢的網絡服務。

          有些對時延要求不高的業務,可以按照國家“東數西算”引導政策,放到西部地區的數據中心去處理;但沿海發達地區未來如果發展自動駕駛汽車等需要數據精準同步的產業,數據反饋時間如果延長哪怕1毫秒,就可能帶來嚴重后果。

          所以,縮短數據中心與用戶之間的距離,無論何時都是“硬實力”。海蘭信聯合創始人魏法軍始終堅定地認為,相對于沿海地區人口密集、土地有限的實際,利用豐富的海洋資源解決數據中心擴充受限的難題,已是題中應有之義。

          相比于陸地上的傳統數據中心,海底數據中心還有哪些優勢?

          “首當其沖的,當然是節能減排!”李震解釋道,因為海水是天然的“冷源”,相當于“免費的空調”,通過海水給對冷卻系統有極大需求的數據中心進行“冷卻”,能夠很大程度上節省能源。

          他給記者算了一筆節電的賬——

          一個傳統的數據中心,大概1/3的電能是消耗在為數據中心進行制冷的空調系統上。如果同等體量的海底數據中心,消耗用于制冷的電能,只需要總耗電量的1/10左右。

          換一種算法——

          目前全國數據中心的用電量是一年約2500億度,其中大概800億度電用于為數據中心進行環境制冷。如果同等體量的數據中心放在海底,消耗在制冷上的電量,如果多打點兒余量,按300億度計算,那么一年能節省500億度電,相當于能減少燃燒1500萬噸標煤,減排效果顯而易見。

          當然,這是理論狀態。實際測試數據結果怎樣?

          2020年11月,UDC攻關團隊設計的第一個原型樣機,如期在珠海完成第一次小試。三個月的實驗數據顯示,單艙能耗指標PUE值僅為1.076。遠遠低于2021年度全國數據中心平均能耗指標PUE值——1.49。目前,國家發改委、工業和信息化部等,要求新建數據中心的PUE值必須降到1.3以下。如果以海底數據中心市場滲透率達到10%計算,與傳統陸地數據中心使用火電相比,預計2025年全年我國可以減少碳排放約113萬噸。

          除了節約電能,節水也是一大優勢。

          海底數據中心沒有冷卻塔,可以節約大量水資源。一座功率20MW的數據中心每年節水超過60萬立方米,同樣以市場滲透率10%計算,預計2025年我國可以減少淡水消耗5700萬噸以上。

          “海底數據中心的建設,對于解決需求增長與擴建受限之間的矛盾,特別是快速發展中的沿海地區數字經濟,具有深遠的戰略意義?!闭强吹搅诉@些優勢,在2020年開發首臺樣機之時,李震欣然接受邀請,也迎來了設計新型數據中心冷卻系統的挑戰。

          耗電柜機“埋”海里安全可靠嗎

          把數據中心放在海底,這本身就很顛覆認知。

          很多人冒出的第一個念頭是通電的設備絕對不能碰水。數據中心艙體里裝滿了一刻都離不開電的服務器,怎么保證海水淹不著?就算用特別密封的殼體保護得很好,但海底下生物系統復雜多樣,生物附著物和海水腐蝕侵害難題,也一樣橫亙在面前。

          即便以上兩項都做得很好,那么多柜機的硬件、軟件如果需要維護和更換,是需要人下到海底,還是將數據艙吊回海面?

          疑惑點就是創新點,也是設計路徑和解決方案的著力點。

          UDC攻關團隊直接面臨三大難題,一是密封安全性,二是抗附著和腐蝕能力,三是可長期無人維護。

          從哪里下手呢?就從密封安全開始吧。

          UDC攻關團隊找到彼時還在上海交通大學的胡勇教授,他可是“蛟龍號”載人潛水器結構系統主任設計師。

          下潛5000米和下潛50米相比,乍一想,似乎后者更簡單。

          “這么想就錯了!實際上,對于密封性而言,深海壓力大,結構和材料只要符合要求,通過壓力可以更好地實現密封。但淺海的外部壓力小,殼體的設計還要兼顧制冷設備和各種商用需求,尤其是淺海生物系統較深海更復雜,生物附著和腐蝕侵害更嚴重,某種程度上說也更難?!比虆⑴cUDC項目技術攻關的工程師傅榮榮解釋道。

          胡勇接受記者采訪時,回憶起前期參與數據中心開發過程中,提出的“解題”思路——殼體的密封性是一方面,還有長期耐久性、耐腐蝕性能、后期維修性、設備的安裝工藝都要同步考慮。

          如此看來,設計一個海底數據中心,絕對是個系統工程。

          融合創新,找準切入點后突飛猛進

          深圳海蘭云總經理蘇洋直言,進行殼體設計需要綜合考慮全流程使用方案。為了確保海底數據中心與傳統數據中心的相對性優勢,首先就要分析論證其使用流程、維護保障流程、全壽命周期內節能指標的預算,以及與現有陸上數據中心的性價比比較分析。

          與此同時,還要提前考慮布放方案、供電方案、設備安裝方案、中期維護方案相關技術路線等存在的不確定性,因為這些變量會極大影響總體技術方案的最終實施效果。

          這些都難不倒常年跟海洋打交道的UDC攻關組工程師們。

          20年來,他們積累了大量海洋科技原創技術,比如原生海底智能監控技術、原生高智能配電技術以及高可靠海底接駁技術等。他們還擁有多個全球技術研發團隊,以及高校、院所、央企等各領域高級別專家智囊團與合作者。

          蘇洋認為,復雜問題要想求解,最重要的是找到切入口,“首先從節能指標入手”。

          胡勇贊同,一定要實事求是,根據實際情況,先確定最合理的水下冷卻系統方案。

          這樣一來,冷卻系統方案就又成為重中之重的前提條件。

          僅僅依靠艙體用海水自然冷卻顯然不符合實際。與微軟試驗地在蘇格蘭海域完全不同,我國東南沿海海域的海水溫度比較高,“如果非要完全效仿微軟用海水進行艙體自然冷卻,則需要設計非常龐大的結構體,才能實現泵循環冷卻”。蘇洋與胡勇、李震同時否定了這一設想。因為如此一來,結構將復雜化,不符合殼體材料選型既要滿足安全性又要最省成本的要求,所以,設計最終殼體結構時,采用了混合結構。

          所謂混合結構,就是在艙體內外同步搭載機柜級分體制冷系統和艙外熱循環系統,確保艙內運行溫度適宜,同時散熱效果達標。這就是UDC攻關組與李震教授團隊合作研發的UDC原生柔性制冷技術。

          相比于現有技術中的冷卻系統,UDC創新方案實現了海水全自然冷卻,不需要設置制冷機和冷卻塔等裝置,也節省了相關的制造與維護成本。

          如此一來,與微軟在北極圈冷水海域進行的測試相比,海蘭信的設計難度更大,取得的測試成果更可喜——其技術指標與微軟不相上下,特別是1.076這個PUE值達到世界先進水平。海底數據中心核心數據艙的節能降耗能力得到了充分印證。

          抗生物附著和海水腐蝕其實是世界性難題。UDC攻關組與胡勇團隊共同研發了淺水海域防生物附著技術,解決了熱帶海域海底生物附著乃至腐蝕的難題。

          更重要的是,由專業的環評機構給出的環評報告顯示,該方案僅對水流下方3米內產生小于0.2度的溫升,對海洋環境很友好。

          科技興海,海洋經濟一片蔚藍

          攻克了核心的服務器密封艙這個大型水下結構,然后將其以標準化模塊的形式布置在海底,并使用海底復合電力光通訊纜,將數據回傳至岸站。這就完成了海底數據中心的全流程設計與部署。

          那么,政府和市場怎么看待這一全新產業呢?

          2021年底以來,國家發改委、工信部等部門先后出臺了《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求 推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》《“十四五”工業綠色發展規劃》等,鼓勵探索利用河湖、海洋等優勢資源,建設利用自然冷源散熱的數據中心,充分發揮氣候水文和地形地貌等自然條件天然優勢,因地制宜促進數據中心節能降耗。

          此外,海南省、廣東省、山東省等提出的海洋經濟發展“十四五”規劃,也都提出要促進海底數據中心研發及建設。

          以海南省為例,海南島作為熱帶島嶼,其區域內數據中心發展長期存在能源短缺、淡水和土地有限、高溫高濕氣候環境、臺風高發等問題。

          未來,海南作為自由貿易港,按照其蓬勃發展的趨勢,當地產業對數據中心的需求難以估量。而海底數據中心獨特的價值特征將更加凸顯。

          “建設岸站、海底高壓復合纜、海底分電站及海底數據艙。一期布放100個數據艙,并逐步建設以海底數據中心為核心的綜合性海洋新技術產業園?!边@是海南省海洋經濟發展“十四五”規劃中的具體描述。

          中國電信海南分公司率先“嘗鮮”。2021年5月,海蘭信與海南電信合作開展了第二次樣機測試,數據艙內承載了海南電信的實際數據業務。公開報道稱,該測試邀請了中國信通院云大所全程跟蹤,測試結果顯示海底數據中心可以承載對抖動敏感、高交互的業務。

          即將在今年11月下旬或12月入海的海底數據中心數據艙,是全球首個商用海底數據中心核心裝備。

          這一動作也標志海南海底數據中心項目總體三期工程中,第一期示范工程項目正式開啟。

          蘇洋介紹,該項目一期客戶包括海南電信、商湯科技、光環新網和ATLAS(新加坡)公司,分別代表電信運營商、人工智能、第三方數據中心運營商、WEB3.0等不同應用場景。二期將重點開拓頭部互聯網和超算客戶。

          記者觀察到,發展海底數據中心具有多方面的意義,如綠色低碳零耗水,安全可靠少維護,這是目前其逐漸浮出水面的顯見優勢。

          但如果一個產業不能形成強烈的輻射效應,這個產業就難以為繼,或者說孤立無援。

          蘇洋表示認同,他說,之所以在海底數據中心這條創新路上一路狂奔,就是因為這個產業還能促進信息科技與海洋科技交叉創新。

          更值得期待的是,通過與海上新能源、海洋牧場、濱海旅游等的融合發展,還可形成以海底數據中心為核心的綜合性海洋新技術產業集群,從而不斷為發展海洋經濟和數字經濟帶來藍色新動能。(記者 房琳琳)

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