ولادة وتطور مراكز البيانات تحت الماء

قليلون يدركون أن مفهوم مراكز البيانات تحت الماء نشأ خلال مؤتمر ThinkWeek لعام 2014 الذي نظمته شركة Microsoft، وهو عبارة عن جلسة عصف ذهني داخلية. تم اقتراحه من قبل موظف لديه خبرة في تشغيل الغواصات البحرية. أجرت مايكروسوفت تجارب أولية، حيث غمرت مركز بيانات تحت الماء لمدة خمسة أشهر وكانت النتائج واعدة.

في الآونة الأخيرة، في عام 2018، أرسلت Microsoft غواصة محملة بخوادم 864 وقادرة على تخزين 27.6 بيتابايت من البيانات إلى قاع جزر أوركني، شمال شرق اسكتلندا. وبعد عامين، في يونيو 2020، أحضرته مايكروسوفت إلى الشاطئ للتقييم. وأظهرت النتائج أن مركز البيانات البحري يعمل بشكل أفضل من مراكز البيانات التقليدية في جميع الجوانب، وأن معدل الفشل في الماء يبلغ ثمنه على الأرض.

لماذا تضع مايكروسوفت مركز بياناتها تحت البحر؟ بعد التجربة، هل يمكن الترويج لبناء مراكز البيانات البحرية على نطاق واسع؟

الجواب بسيط: تعظيم الموارد المتاحة. وفي الوقت نفسه، فإنه يحل العديد من أوجه القصور في مراكز البيانات الأرضية.

أولاً، تعد مراكز البيانات الموجودة تحت سطح البحر أكثر أمانًا واستقرارًا: فمراكز البيانات حساسة ومليئة بمكونات متطورة للغاية يمكن أن تتضرر بسبب التغيرات في درجات الحرارة، وتآكل الأكسجين، وحتى الاصطدامات عند استبدال الأجزاء التالفة. ولكن في بيئة فراغية حيث يمكن التحكم في درجة الحرارة، ويمكن استخلاص الأكسجين وبخار الماء، ويمكن عزل التدخل البشري، سيتم تحسين أمن واستقرار مركز البيانات بشكل كبير.

يعد تحت سطح البحر بلا شك مصدرًا مثاليًا للبيانات - فهو ليس فقط معزولًا عن الأكسجين الموجود على الأرض، وبخار الماء، ويضع حدًا للتدخل البشري.

ثانيًا، وهو الأهم، تتمتع الخوادم المبردة بمياه البحر بميزة فريدة، والتبريد يمثل تكلفة كبيرة لمراكز البيانات الأرضية. وفقًا للبيانات العامة، يتم استخدام 41% من تكلفة الكهرباء السنوية لمركز البيانات للتبريد، ويمثل استهلاك الكهرباء السنوي لمراكز البيانات في جميع أنحاء العالم حوالي 2% من إجمالي الكهرباء في العالم. من بينها، تمثل تكلفة استهلاك الطاقة ما بين 30% إلى 50% من صناعة تكنولوجيا المعلومات بأكملها.

لماذا التبريد مكلف جدا؟ في الواقع، في مراكز البيانات البرية، عادة ما تكون هناك طريقتان لتبريد البيانات، إحداهما استخدام التبريد الميكانيكي، أي تبريد الخادم بنظام تكييف هواء ثقيل، لكن طريقة التبريد هذه تحتاج إلى استهلاك الكثير من الكهرباء كل يوم. اليوم، وكانت التكلفة باهظة.

والآخر هو تبريد الخادم عن طريق تبخر الهواء والماء. هذه الطريقة الموهوبة بشكل طبيعي أقل تكلفة بكثير من الطريقة الأولى، ولكنها أيضًا لها عيوبها الخاصة: يتم تحديد درجة الإنجاز وجودة التبريد من خلال درجة حرارة الهواء الخارجي وظروف الماء، كما أن قدرة الإنسان على المناورة منخفضة للغاية.

يمكن لمياه البحر ذات السعة الحرارية العالية تخزين الحرارة الزائدة الناتجة عن مركز البيانات: لا يلزم سوى مبادل حراري لنقل حرارة مركز البيانات إلى مياه البحر المحيطة، إذا جاز التعبير، فهو مزيج من طريقتين تقليديتين للتبريد: مستقرة والاستخدام الحر للموارد الطبيعية.

ثالثًا، الكثافة السكانية الساحلية عالية، ونقل البيانات سريع، وكفاءة الحوسبة السحابية أعلى: من أجل توفير الأراضي وتكاليف التشغيل، تختار مراكز البيانات التقليدية عادةً المناطق النائية ذات الكثافة السكانية المنخفضة، مما يؤدي بشكل مباشر إلى بطء نقل البيانات وضعفها أيضًا. تأخير كبير. تختلف مراكز البيانات تحت سطح البحر:

ويعيش نحو 50 في المائة من سكان العالم على مسافة 150 كيلومتراً من الخط الساحلي. إن بناء مركز البيانات تحت البحر يوفر التكاليف ويكون قريبًا من المناطق السكنية، مما يؤدي إلى إصابة عصفورين بحجر واحد.

بالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من المزايا الأخرى:

على سبيل المثال، يمكننا استخدام طاقة المد والجزر في المحيط للحصول على كهرباء خالية من الكربون في المحيط؛ يمكن توصيل النطاق الترددي تحت سطح البحر من خلال خطوط الأنابيب لتسريع نقل البيانات؛ يمكن التحايل على الروتين التقليدي عند بناء مركز بيانات تحت سطح البحر: يمكن بناء الخوادم في صوامع مانعة لتسرب الماء على خطوط التجميع وشحنها إلى البحر بواسطة سفن الشحن للنشر. كما تقول Microsoft، يمكن نشر وحدات الخادم هذه في غضون 90 يومًا؛ بينما يستغرق بناء مراكز البيانات التقليدية من سنة إلى سنتين.

من الناحية النظرية، تتمتع مراكز البيانات البحرية بالعديد من المزايا، فما مدى صعوبة تحقيقها؟ -- لدى Microsoft الإجابة الأولى.

في الواقع، في وقت مبكر من عام 2015، بدأت مايكروسوفت في دراسة جدوى بناء مراكز البيانات تحت الماء، ثم أطلقت مشروع Natick.

في المرحلة الأولى من مشروع Natick، في عام 2015، أجرى فريق أبحاث Microsoft تجربة مدتها 105-يومًا لتحقيق أقصى قدر من الحماية من التسرب، مما يضمن وضع مركز البيانات في حاوية مقاومة للماء. كانت التجربة ناجحة: وجدت مايكروسوفت أنه يمكن ضمان مقاومة الماء لوحدة الخدمة في مياه البحر.

لذلك، في المرحلة الثانية، تحاول Microsoft دفع التجربة للأمام وإطلاق المشروع: "أرسل البيانات إلى قاع المحيط" لمعرفة ما إذا كان من الممكن الحفاظ على البيانات في حالة جيدة بعد بضع سنوات. وضعت مايكروسوفت مركز بيانات في حاوية فولاذية محكمة الغلق، وملأتها بالنيتروجين، ثم استخدمت غواصة لنقل الحاوية إلى البحر.

تم دعم التجربة من قبل المركز الأوروبي للطاقة البحرية (EMEC): لم يقدم EMEC الخبرة في دعم الطاقة المتجددة فحسب، بل عمل أيضًا كمستشار جغرافي حول أوركني - حتى أن EMEC قدم الكابل البحري الذي يربط مركز البيانات بالساحل.

الغواصة التي تحمل الخادم إلى أعماق البحار تدعى ليونا فيلبوت، وهي شخصية من لعبة هالو. وأبحرت في ظلام بحر الشمال بالقرب من أورنيك، اسكتلندا.

لماذا أوركني؟ فمن ناحية، نظرًا لأن أوركني تعد مركزًا رئيسيًا لأبحاث الطاقة المتجددة، فقد قام المركز الأوروبي للطاقة البحرية (EMEC) بإجراء تجارب على طاقة المد والجزر والأمواج هنا لمدة 14 عامًا. من ناحية أخرى، تتمتع أوركني بمناخ بارد، مما يساعد على تقليل تكاليف التبريد لمراكز البيانات.

وقد وضعت مايكروسوفت مركز البيانات على بعد أقل من كيلومتر واحد من قاع البحر ونشرت أجهزة استشعار بيئية داخل حجرات بيضاء عالية الضغط لمراقبة حالتها في الوقت الحقيقي. مركز البيانات والمحيطات "مترابطان": حيث يتم التقاط احتياجاتهما من الطاقة عبر كابلات تحت البحر، ويتم نقل البيانات بسهولة إلى العالم الأوسع قبالة الساحل. في عام 2018، تم الانتهاء من مركز بيانات Microsoft North Sea: إجمالي 864 خوادم، 27.6 بيتابايت من الذاكرة، من أجل اختبار الأداء، وهو بحث عميق لمدة عامين.

في الواقع، أكثر ما يهتم به الباحثون هو الضرر الذي يلحق بمركز البيانات: بمجرد تعطل أجهزة الكمبيوتر الموجودة في مركز البيانات تحت الماء، لا يمكن إصلاحها. لحسن الحظ، عملت بشكل جيد. بحلول أغسطس 2020، تم إنقاذ جميع أجهزة الكمبيوتر - ثمانية فقط من بين أكثر من 800 جهاز معطل، وهو معدل فشل أقل من مراكز البيانات الأرضية.

كيفية تحقيق خسارة منخفضة؟ ويتكهن الباحثون في المشروع بأن الطقس البارد كان بمثابة حاجز من ناحية؛ من ناحية أخرى، يلعب النيتروجين أيضًا دورًا وقائيًا. وباختصار، فإن هذا الاختبار على نطاق صغير يؤكد بشكل أكبر إمكانية وقيمة التخزين تحت سطح البحر. وقال الباحثون في المشروع إن المشروع ليس لديه معدل فشل منخفض فحسب، بل إن كل إمدادات الطاقة لمركز البيانات تأتي من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، مع الاستفادة الكاملة من الموارد الطبيعية.

بالإضافة إلى ذلك، وفقًا للنظرية، فإن تكلفة الإدارة وتكلفة البناء والخسائر في مواجهة الكوارث الطبيعية وحالات الطوارئ الأخرى لمركز البيانات البحري كلها أقل من تكلفة مركز البيانات البرية.

ومع ذلك، هذا مجرد انتصار مؤقت. حجم أكثر من 800 خادم بعيد كل البعد عن حجم مراكز البيانات الأرضية - بعد كل شيء، تحتوي مراكز البيانات الأرضية على عشرات الآلاف من الخوادم. بمعنى ما، يعد مركز البيانات هذا تجريبيًا أكثر منه عمليًا، ويمكن القول إنه مشروع تجريبي صغير لشركة Microsoft. وقال ساتيا ناديلا، الرئيس التنفيذي لشركة مايكروسوفت، إن مركز البيانات تحت الماء سوف يكرر مشروع Natick في جميع أنحاء العالم.

إذا أرادت مايكروسوفت الترويج بنجاح لمركز البيانات تحت سطح البحر، فلا يمكنها الاستغناء عن حل المشكلة الصعبة في هذه المرحلة:

أولاً، قوبلت تجربة مايكروسوفت بقدر كبير من التشكك البيئي. ويعتقد إيان بيترلين، أستاذ دراسات البيانات، أن الحرارة الناتجة عن مراكز البيانات يمكن أن تؤثر على درجات حرارة مياه المحيط. كيفية إثبات أن مركز البيانات تحت سطح البحر لن يسبب المزيد من التلوث للبيئة البحرية وكيفية تجنب مخاطر التلوث المحتملة يجب أن يحلها فريق Microsoft.

ثانيًا، لا يبدو أن الضرر الذي لحق بـ 8 خوادم في أكثر من 800 خادم هو رقم كبير، ولكن بمجرد ترقية مركز البيانات البحري، فمن المحتمل أن تصل الخسارة إلى مئات الآلاف من الوحدات، ثم الحاجة إلى بناء مركز البيانات المقابل تحت الماء. محطة خدمة الصيانة، فضلا عن حلول صيانة المعدات كاملة.

ثالثًا، كما يشير إيان بيتلين، الساحل ليس المكان الأفضل لبناء مركز بيانات - على الرغم من أن حركة المرور على الساحل أعلى بكثير مما هي عليه في البرية، إلا أنها لا تزال غير واسعة النطاق مثل مركز البيانات في المدينة الكبيرة .

وبطبيعة الحال، فإن مشروع Natick ليس مجرد دفعة لبناء مركز البيانات تحت سطح البحر. حتى لو لم يتم توسيع مراكز البيانات الموجودة تحت سطح البحر، فإن هذه التجارب الإبداعية تقدم دروسًا قيمة لصناعة مراكز البيانات.

على سبيل المثال، عند بناء مركز بيانات تحت الماء في جزر أورنيك، استلهم الفريق من الكهرباء التي توفرها الرياح والطاقة الشمسية - وقال الباحثون إنهم في المستقبل، يمكنهم التفكير في نشر مراكز بيانات تحت الماء مع مزارع الرياح البحرية، واستعارة طاقة الرياح. الطاقة لتشغيل مركز البيانات، أو قتل عصفورين بحجر واحد، أو حتى ربط خطوط الكهرباء البرية بالكابلات الضوئية اللازمة لنقل البيانات.

ونتيجة لذلك، تبحث Microsoft عن طرق لتكرار فوائد النموذج تحت سطح البحر في مراكز البيانات الأرضية - مثل انخفاض تآكل الخادم والأمان العالي.

يتمتع مشروع Natick بالقدرة على إحداث ثورة في نشر مراكز البيانات، مما يوفر المرونة والبناء السريع والتوسع الفعال. وبينما تتصور مايكروسوفت تكرار نجاح مشروع Natick على مستوى العالم، فإن التحديات تشمل المخاوف البيئية والحاجة إلى محطات صيانة تحت الماء في حالة النشر على نطاق واسع. إن تجارب Microsoft لا تدفع حدود التكنولوجيا فحسب، بل تقدم أيضًا رؤى قيمة للصناعة بأكملها. يمثل النهج المبتكر الذي تتبعه Microsoft، سواء كان ناجحًا أم لا، خطوة مهمة إلى الأمام في صناعة مراكز البيانات.