چرا مایکروسافت دیتاسنتر خود را زیر اقیانوس ها راه اندازی کرد

همانطور که می دانید پروژه راه اندازی دیتاسنتر در زیر اقیانوس تا به اکنون توسط شرکت مایکروسافت به مرحله اجرا در آمده است؛ بنابراین گروه تحقیق و توسعه کارنو در مورد این پروژه که Natick نام دارد، اطلاعات بیشتری را جمع آوری کرده تا در اختیار شما عزیزان قرار دهد، پس در مقاله ی دیتاسنتر مایکروسافت با ما همراه باشید.

مزیت های احداث دیتاسنتر در زیر اقیانوس

اگر می خواهید دیتاسنتر کمترین مصرف انرژی را داشته باشد می توانید آن را زیر دریا یا اقیانوسی احداث کنید. اکنون برای توضیحات بیشتر به پروژه شرکت مایکروسافت می پردازیم. مایکروسافت برای خنک نگه داشتن و استفاده از انرژی که در دریا موجود است، دیتاسنتری را به اعماق اقیانوس فرستاد. این ایده از سمت شان جیمز، که در زمینه فناوری مرکز داده برای شرکت مایکروسافت به فعالیت می پرداخت مطرح شد. شان جیمز مطرح نمود که این شرکت می تواند سرور خود را کاملاً زیر آب قرار دهد، ولی همکاران وی به انجام چنین کاری اطمینان نداشتند. اما جیمز که قبلاً در ناوگان دریایی ایالات متحده خدمت کرده بود، غرق شدن کل مراکز داده در زیر امواج و اقیانوس را کاری کاملا منطقی می دانست. به اعتقاد جیمز، این تاکتیک نه تنها باعث کاهش هزینه خنک کننده ماشین آلات می شود، بلکه باعث کاهش هزینه های ساخت، تأمین انرژی به واسطه انرژی تجدید پذیر و حتی بهبود و کارایی بهتر نیز می شود. جیمز همراه با تاد راولینگز، یکی  دیگر از مهندسین مایکروسافت، مقاله داخلی را منتشر کردند. این مقاله توضیح داد که چگونه ایجاد مراکز داده در زیر آب می تواند به مایکروسافت و سایر ارائه دهندگان ابر کمک کند تا رشد خارق العاده امروز را به روشی پایدار از نظر محیط زیست مدیریت کنند. چنین عقایدی در بسیاری از شرکت های بزرگ، غیر ممکن به نظر می آمد؛ اما محققان مایکروسافت با تلاش خود ثابت کردند که اجرایی شدن این پروژه ممکن خواهد بود، حتی اگر کار مورد نیاز خیلی دور از تخصص اصلی مایکروسافت باشد.

مشکلات پروژه Natick

زمانی که پروژه Natick شروع شد، مشکلاتی را به همراه داشت. اولین مورد، خشک نگه داشتن محیط داخلی ظرف بزرگ فولادی بود که باید رک ها درون آن قرار می گرفت. مورد دیگر کشف بهترین روش برای استفاده از آب دریا برای خنک کردن سرورهای داخلی بود؛ و سرانجام وجود این مسئله که چگونه می توان یک کشتی غوطه ور را پوشش داد مطرح بود. موضوع چالش برانگیز دیگری وجود داشت و آن وجود سخت پوستان Clingy بود؛ زیرا آنها می توانند در انتقال گرما از سرورها به آب های اطراف اختلال ایجاد کنند. این ها همگی مسائلی بود که در ابتدا موجبات نگرانی شرکت مایکروسافت را فراهم می کرد، اما با استفاده از راه حل های آزمایش شده از صنعت دریایی این چالش ها برطرف شد.

اما چرا شرکت مایکروسافت به سراغ این همه دردسر رفت؟ مطمئنا خنک کردن رایانه ها به وسیله آب دریا باعث کاهش هزینه تهویه هوا می شود و عملکرد را بهبود می بخشد، اما غوطه ورشدن یک مرکز داده مشکلات و هزینه هایی را به همراه دارد.

به نظر شما آیا واقعا تلاش برای قرار دادن هزاران کامپیوتر در زیر دریا منطقی است؟ از نظر مایکروسافت به چند دلیل کاملا منطقی می باشد. برای صنعتی که سالانه میلیاردها دلار صرف ساخت تعداد روزافزون مراکز داده خود می کند انجام چنین کاری می تواند صرفه جویی زیادی در هزینه ایجاد کند. حتی از نظرزمانی سرعت راه اندازی مراکز داده ای که زیر آب انجام می شوند بیشتر بوده و نسبت به مراکز داده ای که در سطح زمین احداث می شوند به زمان کمتری نیاز دارند. امروزه ساخت هر نوع نصبی منحصر به فرد بوده، اما کدهای ساختمان، مالیات، آب و هوا، نیروی کار، منبع برق و اتصال شبکه در همه جا متفاوت می باشد. و همین متغیرها بر مدت زمان ساخت  نیز تأثیر می گذارند.

ساختار Natick

همانطور که می بینیم، Natick از مجموعه ای از “غلافها” استوانه های فولادی تشکیل شده است که هر یک احتمالاً شامل چندین هزار سرور هستند و با هم یک مرکز داده زیر آب را تشکیل می دهند که در چند کیلومتری ساحل واقع شده و بین 50 تا 200 متر زیر سطح اقیانوس قرار دارند. غلافها می توانند در عمق متوسطی از سطح دریا شناور شوند و توسط کابل ها به کف اقیانوس پهلو بگیرند یا بر روی خود بستر دریا قرار بگیرند.

مدیریت Natick از راه دور

این مراکز داده به صورت کنترل از راه دور کار می کنند و برای رفع مشکلات یا تغییر قطعات نیازی به حضور فیزیکی نمی باشد. این غلاف ها را می توان در یک کارخانه ساخت، سرور درون آن را راه اندازی نمود و سپس برای حمل و نقل در هر کجای دنیا آن را بکار گرفت.

بارگیری سریع صفحات وب یکی دیگر از دلایل شرکت مایکروسافت

این شاید یک واقعیت شگفت آور باشد که تقریبا نیمی از جمعیت جهان در 100 کیلومتری دریا زندگی می کنند بنابراین یکی از اهداف شرکت مایکروسافت این است که صفحات وب به سرعت بارگیری شوند و بازی های ویدئویی مانند Minecraft یا Halo سریع و بدون تأخیر در دسترس کابران قرار بگیرند. در سال های آینده، برنامه های غنی از تعامل بیشتر خواهند شد از جمله برنامه های فعال شده توسط HoloLens مایکروسافت و سایر فناوری های واقعیت مجازی. بنابراین هدف اصلی این است که سرورها به کاربران نزدیک باشند، اتفاقی که امروزه به ندرت رخ میدهد.

نحوه خنک سازی مراکز داده در زیر دریا

اخیرا، بسیاری از اپراتورهای مرکز داده به خنک سازی در هوای آزاد روی آورده اند، این بدان معناست که آن ها به جای اینکه از طریق مکانیکی هوا را خنک کنند، از هوای خارج استفاده می کنند. این روش به مراتب ارزان تر است و سربار خنک کننده آن فقط 10 تا 30 درصد می باشد. اما به این معنی است که رایانه ها در معرض دمای هوای خارج قرار دارند، که ممکن است در بعضی از مناطق کاملا گرم شوند. همچنین این موضوع اغلب به معنای قرار دادن مراکز در عرض های جغرافیایی بالا، به دور از مراکز جمعیت است.

علاوه بر این، این امکانات می توانند مقدار زیادی آب مصرف کنند. به این دلیل که آنها اغلب قبل از دمیدن هوا از طریق سرورها، از تبخیر برای خنک کردن هوا استفاده می کنند. این مسئله می تواند در مناطقی که تحت خشکسالی هستند، همانند کالیفرنیا یک مشکل باشد.

اما معماری Natick همه این مشکلات را کنار می گذارد. رک های رایانه ای که داخل غلاف ها قرار دارند استاندارد بوده و با مبدل های حرارتی تشکیل شده اند که گرما را از هوا به مقداری مایع (آب معمولی) تبدیل می کند. سپس این مایع به مبدل های حرارتی در خارج غلاف پمپ شده و در نتیجه گرما به اقیانوس اطراف منتقل می شود و سپس مایع خنک شده به مبدل های حرارتی داخلی بازمی گردد تا چرخه را مجدد تکرار نماید.

البته هرچه اقیانوس اطراف سردتر باشد، این طرح بهتر عمل خواهد کرد. برای دسترسی به آب خنک دریا در تابستان یا در مناطق گرمسیر، فقط باید غلاف ها را به اندازه کافی عمیق قرار داد. به عنوان مثال، در عمق 200 متری ساحل شرقی فلوریدا  آب در تمام طول سال زیر 15 درجه سانتیگراد باقی می ماند.

آزمایشات مایکروسافت با نمونه اولیه غلاف Natick با نام “Leona Philpot” (نامگذاری شده برای شخصیت بازی Xbox) در آگوست 2015 آغاز شد. شرکت مایکروسافت آن را فقط در 11 متری عمق اقیانوس آرام در نزدیکی San Luis Obispo، کالیفرنیا غوطه ور کرد، جایی که آب بین 14 تا 18 درجه سانتی گراد بود. در طول این آزمایش 105 روزه، این موضوع به اثبات رسید که می توان رایانه های زیر آب را در دمایی که حداقل به اندازه خنک کننده های مکانیکی هستند نگه داشت.

غلاف های مرکز داده در آینده چگونه خواهند بود؟

غلافهای مرکز داده در آینده به طور قابل توجهی طولانی تر از نمونه های اولیه خواهند بود و هرکدام حاوی تعداد زیادی رک برای سرورها هستند. با انتقال مبدل حرارتی به آب دریا، اطراف دیتاسنتر با استفاده از این مبدل های حرارتی داخلی و خارجی و همچنین تجهیزات الکترونیکی خنک خواهند شد.

مایکروسافت متعهد به محیط زیست

مایکروسافت متعهد به حفاظت از محیط زیست است. به عنوان مثال، این شرکت در تأمین نیازهای برقی خود از منابع تجدید پذیر تا حد ممکن استفاده می کند؛ و زمانی که دیگر مجاز به استفاده نباشد، جبران کننده های کربن را خریداری خواهد کرد. مطابق با این فلسفه، این شرکت در تلاش است تا مراکز داده زیرآبی خود را در نزدیکی منابع انرژی تجدید پذیر دریایی مستقر کند. چه این یک نیروگاه بادی دریایی باشد و چه نوعی از تولید نیروگاه دریایی که از نیروی جزر و مد و امواج استفاده می کند. عامل دیگری که باید در نظر گرفت این است که برق تولید شده متعارف همیشه به راحتی در دسترس نخواهد بود، به ویژه در کشورهای در حال توسعه. به عنوان مثال، 70 درصد از جمعیت صحرای آفریقا به شبکه برق دسترسی ندارند. بنابراین اگر می خواهید یک مرکز داده ایجاد کنید تا خدمات ابری را به چنین جمعیتی نزدیک کند، باید برق آن را نیز تأمین کنید. به طور معمول، برق در مسافت های طولانی با 100000 ولت یا بالاتر حمل می شود، اما در نهایت سرورها از همان ولتاژهای پایین همانند کامپیوترها استفاده می کنند. برای پایین آوردن برق شبکه به ولتاژی که سرورها مصرف کنند، به طور کلی به سه قطعه جداگانه از تجهیزات نیاز است و در صورت قطع برق شبکه به تولید کننده پشتیبان و بانک باتری نیاز می باشد.

قرار دادن مراکز داده زیر آب در کنار منابع نیروگاهی دریایی به مهندسان امکان می دهد کارها را ساده تر انجام دهند. اول، با تولید نیرو در ولتاژ نزدیکتر به آنچه سرورها نیاز دارند، می توانیم برخی از تبدیل های ولتاژ را حذف کنیم. دوم، با تأمین انرژی رایانه ها با مجموعه ای از توربین های بادی یا بادی مستقل، می توانیم به طور خودکار افزونه ای ایجاد کنیم. این امر، هم به از دست دادن برق و هم از هزینه سرمایه (و پیچیدگی) مرتبط با معماری مرکز داده معمول، که برای محافظت در برابر خرابی شبکه برق محلی طراحی شده است، می کاهد. یکی دیگر از مزایای این روش این است که تنها تأثیر واقعی در زمین یک یا دو کابل فیبر نوری برای انتقال داده است. ممکن است این سوال مطرح شود که چگونه تجهیزات الکترونیک به صورت خشک نگهداری می شود؟ حقیقت این است که خشک نگه داشتن تجهیزات الکترونیکی کار سختی نیست. صنعت دریایی از مدت ها قبل از وجود رایانه، تجهیزات را در اقیانوس ها به صورت  خشک نگهداری می کرده است.

چگونگی خنک نگهداشتن کامپیوترها

سوال دیگری که ممکن است مطرح شود این است که چگونه می توان کامپیوترها را با کارایی بیشتری خنک کرد؟ شرکت مایکروسافت به بررسی طیف وسیعی از رویکردهای عجیب و غریبی، از جمله: استفاده از مایعات خاص دی الکتریک و مواد تغییر فاز و همچنین رسانه های انتقال حرارت غیرمعمول، مانند: گاز هلیوم فشار بالا و دی اکسید کربن فوق بحرانی پرداخته است.

وقتی نمونه اولیه Natick مستقر شد، خرچنگ ها و ماهی ها ظرف 24 ساعت شروع به جمع شدن در اطراف کشتی کردند. بنابراین یکی از ملاحظات اصلی مایکروسافت در زمینه طراحی این بود که چگونه آن زیستگاه را حفظ کند در حالی که مانع توانایی غلاف در خنک نگه داشتن رایانه های خود نشود.

خوشبختانه شرکت مایکروسافت تا کنون مبدل های حرارتی غلاف Natick را در اولین استقرار خود تمیز نگهداری کرده است، با وجود اینکه این کار بسیار دشوار بوده است.

امیدواریم محتوای این مقاله اطلاعات مفیدی را در اختیار شما قرار داده باشد، گروه فنی و مهندسی کارنو متخصص در پیاده سازی و اجرای دیتاسنتر مطابق با استانداردهای جهانی در مقالات بعدی اطلاعات گسترده تری را در عرصه ی دیتاسنتر در اختیار شما قرار خواهد داد.