沧海明珠:谷歌海上数据中心全揭秘

标签:数据中心谷歌

访客:24730  发表于:2015-10-10 10:01:27

数据中心寻找廉价电源的背后,是日积月累的耗电问题。“电费开支早晚要比电脑硬件本身更贵”,这是Google 工程师拉兹罗·安德烈·巴罗佐早在 2005 年底接受 Cnet 采访时的“抱怨”。情急之下,Google把触角伸向了海下。没错,Google 已掌握打造“自给自足”的海上数据中心的法门。

根据Google递交的一份专利申请不难看出,风力涡轮机和波能发电机将为这个数据中心提供电力,海水则负责为散发巨大热量的服务器降温。另外,海面这个“不动产资源”本质上也是免费的。在 Google 一连串的解决高能耗问题的措施中,最引人注目的当属“漂浮的数据中心”计划。虽然全球很多大型服务器制造商已经懂得运用水冷来冷却计算机设备,而 Google 的专利申请则预见未来可利用海洋当作巨大的散热冷源。现在,让我们开启今天的 google 海上数据中心探秘之旅吧。

一、google 海上数据中心原理介绍

能耗不断增加的同时,用户对带宽和速度的追求也从未停止,如果将大量小型的数据中心整合集中建设,并通过把内容分发到离用户近的低能耗站点,既降低总体能耗又提升用户体验,可谓一举两得。高昂房价与紧缺土地资源也是限制在城市内建设数据中心的枷锁之一,不占用土地基础设施成为建立海上数据中心的关键因素。而且世界上有较大比例的人口生活在水域周边,如果将标准集装箱的计算中心建设在轮船上,灵活安装快速移动到能源更为便宜网络更为发达的地方,附近海水的波动中可以获得供电的能源,同时将机器产生的大量热量散发到汪洋大海中,这样不仅可以快速满足紧急的计算需求,还能大大缩减能源开支。


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图1 google 海上数据中心船体原理

图1就是这样的一个例子。集装箱运输船 102 的甲板上排列堆叠着多个 google 的标准集装箱数据中心,这些集装箱数据中心由海浪波动产生电能的波力发电机 106 来供电,由波力发电机 110 驱动的水泵来将热量散发到海洋中,这就摒弃了传统的电网供能。标准集装箱可以提前在工厂预装好,通过卡车或者货柜车运送到海边,吊装到轮船甲板上,接到提前预布好的供电、供冷接口,然后轮船离岸停泊在波浪足够大之处。当然,如果出现天气恶劣、负载突增、波力发电机故障等情况下,就要启用集装箱数据中心的保障系统,比如在甲板下面的柴油发电机在电力异常情况下快速投入保障持续供电。最后如果集装箱数据中心到了退役年限,或者需要升级,则直接快速更换集装箱即可。

二、google 海上数据中心发电篇

沧海明珠:谷歌海上数据中心全揭秘

图2 106 波力发电机

如图2所示, 106 波力发电机由多个浮链构成,如 106A-D 四个单元,每个单元可以互相扭动发电。以 Plimas P-750 波力发电机为例,每个浮链单元的直径为 3.5 米,长度为 150 米,可以产生 750KW 的能量。每个波力发电机功率达到 2.25WM,漂浮在离岸 3-7 英里处,每平方千米约 40 个这样的波力发电机可以使发电的功率高达 30WM。波力发电机的尺寸和规模也可以根据应用来选择。前面提到的大型波力发电机 106 可以用于给海上数据中心供电,轮船周围110 小型波力发电机可以给数据中心的制冷水泵供电,如果需要更大的供电和散热能力,也可以不断增加这些发电机的数量。沿海人口密集之处,或者军事前线以及抢险救灾的应急场合之下,因为世界上大多数的网络基础设施都在海底,密布的海缆能够轻而易举地给海岸周边的海上数据中心接入网络。标准集装箱的公路运输和轮船海运非常成熟,归一化运维也非常简单,而且轮船上还方便给船员和运维人员提供住宿和生活补给,顶部的降落平台也便于人员快速到达检修维护变更等。

在海浪较大的时候波力发电机可以通过储能电池存储部分富余的能量,风平浪静时候往往太阳毒辣,此时通过给集装箱遮阳的太阳能板也可以存储太阳能用于海上数据中心供电,狂风呼啸时还可以通过甲板上安装的风力发电机收集更多的风能等。或者如果大家担心海浪的波动对集装箱数据中心内部的 IT 设备有影响的话,也可以把数据中心建设在海岸边的陆地上,仍然可以从附近海面的波力发电机来供电,也可以通过水管从海底抽取冷水给岸上的数据中心来供电。这种情况下,如果波力发电机产生的电力不够,可以直接从所在地的陆上电网来补充提供额外的电力,或者当波力发电机发出的电力太多,数据中心消耗不完,也可以上传到电网中直接卖给当地的电网公司。

三、google 海上数据中心散热篇


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图3 海上数据中心的侧视图

海水温度较低的地方,可以通过抽取海表面底下一定深度的低温海水给集装箱数据中心提供冷量。海水具有一定的腐蚀性,不能直接用到集装箱内的空调末端,所以需要采用防腐蚀玻璃纤维材料的板式换热器等办法来隔离海水,一端采用封闭的内循环淡水经过板换另外一侧外循环的冰冷海水降温后再送入集装箱数据中心内,大海是个巨大的吸热体,足以将这些数据中心产生热量吸收掉。而且我们知道温度较低的海水在底层,而温度较高的海水在表层,这样经过开环板换的抽入海面深层的较低温度冷水和加热后被排出到海表面的的较高温热水不会混合在一起。

图3是海上数据中心的侧视图,轮船 204 上面摆放了多个集装箱数据中心 202,一个或者多个波力发电机 206 通过供电线缆 208 经由轮船内 224 配电站分配电力给集装箱202A /202B 或者制冷水泵 216 供电。抽水管道 210 从较深处的海面底下抽取低温海水,并通过水泵 216 和板式换热器(这里并没画出),然后再由支管 218 送入到每个集装箱数据中心内部。经过服务器加热之后的热水由 220 回水管通过 214 排水口直接排放到轮船后面的海洋表面。


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图4 海上数据中心的俯视图

图4是海上数据中心的俯视图,大家可以更为清晰得看到其集装箱的泊位和供电供水管路布置。海水直接从504 水管进入 506 板式换热器,板换的左侧是闭环的淡水内循环,制冷后的冷冻水进入集装箱数据中心,被加热后经 512 回水管回到板换继续被制冷不断循环;而板换的右侧是开环的海水外循环,从 504 管口进来,被加热后直接排放到 508 排水口。板式换热器 506 在淡水一侧由于很少受到腐蚀,检修维护量很小,而海水一侧由于海水的腐蚀性,因此要求采用防腐蚀的材料,或者采用易更换维护的设备。由波力发电机产生的电力通过电力电缆 514 输送到轮船内的 516 变电站,转化为数据中心内需要的各种电压等级,比如直流给 IT 设备,交流给水泵等。

四、google 油轮数据中心案例


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图5 google 油轮数据中心案例

在 2009 年4月1日的 google 数据中心能效峰会上,google 展示了其油轮数据中心的概念,虽然最后被证明只是场愚人节的玩笑,这个项目后面也暂时没有下文了,但 google 通过这一技术的研究和积累,也为其更多的绿色节能数据中心打下良好的基础。比如其集装箱数据中心技术的更多灵活应用,比如利用海水或者油给数据中心散热,比如风能、太能能、波浪能发电等,奠定了其行业领先的重要基础。Google 在那个会议上也指出了油轮数据中心的一些好处:


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图6 油轮数据中心的好处介绍

1、造船行业进入低谷,大型油轮的造价成本可以到较低的价格;

2、停靠在港口附近,基本不需要多少买地建楼等费用,停靠费用也非常低,此外码头通常都有充足的电力提供给油轮数据中心(通常轮船进出码头需由柴油驱动改为电驱动,减少码头的烟气排放);

3、油轮数据中心停泊在轮船码头还可以防止被索马里海盗盯上,数据安全和资产安全也更有保障;

4、油轮上多台大功率的15MW 船用柴油发电机可以作为市电掉电下的持续供电保障;

5、轮船码头附近多有储油罐等,到岸油价比传统加油站价格更低,且供油更有保障。

采用油轮的数据中心,甚至还可以直接采用油轮上的油来散热,比如:

1、通常油类有比海水有更为优良的传热能力;

2、采用油来散热技术非常成熟,应用在油浸式变压器散热等都有几十年的案例和经验了;

3、油和电子产品基本不会发生反应,无腐蚀性,且油品稳定性和可靠性较高;

4、油类通常是电的绝缘体,不会导致短路故障等,业界如 intel 公司等都已经开始采用服务器直接浸没在矿物油中来散热,因此在油轮数据中心中也可以采用类似原理用油来给数据中心散热。

五、结语

数据中心一直是能源消耗大户,虽然临时的发电机组也能随处可用,但与海上数据中心源源不断的免费水力相差甚远。数据中心的选址一直是件劳力伤身的事情。除了考虑当地的土地资源、带宽资源等,还要考察当地的地理环境,确定是否有地震、泥石流等地质灾害。建成后如需扩建,这些问题会变得更加复杂。而海上数据中心在这些方面是优势突出:

1避免浪费土地资源

2配置带宽资源方便

3避免自然灾害带来的巨大威胁

4扩建数据中心方便

海上数据中心的想法虽然早已经提出,但是没有行动仅能称之为假想。经过时间的沉淀和技术的积累,海上数据中心已经开始付诸实践,能否成功也只能等事实来说话,不过对于这样大胆的创新落地,相信你和我都翘首以待。

来源:腾讯数据中心

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