深瞳工作室出品
科技日報記者?房琳琳?策劃 房琳琳?何屹
今年11月下旬到12月，全球首臺商用海底數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)艙和配套裝備，將作為海南省自貿(mào)港數(shù)字化建設(shè)的“新基建”創(chuàng)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(shù)據(jù)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(wù)器的12個服務(wù)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(chuàng)新業(yè)務(wù)，深深地吸引了海蘭信創(chuàng)始人申萬秋。深耕海洋科技近20年，海蘭信正在尋求轉(zhuǎn)型發(fā)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(shù)據(jù)中心項目（以下簡稱UDC）的戰(zhàn)略布局與技術(shù)攻關(guān)，并在深圳成立子公司海蘭云，以推動海底數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)化落地。
即便一切從零開始，他們?nèi)匀唤oUDC攻關(guān)組下了硬任務(wù)：核心數(shù)據(jù)實驗艙第一次測試，務(wù)必在2020年11月30日前下海。
親近海洋，探索海洋，開發(fā)海洋……當海洋經(jīng)濟牽手數(shù)字經(jīng)濟，一路走來，好事漸成。
誰在給數(shù)據(jù)中心找“新家”
數(shù)據(jù)作為數(shù)字經(jīng)濟的生產(chǎn)要素，必然要有處理數(shù)據(jù)的硬件。數(shù)據(jù)中心就是全球協(xié)作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，用于在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、加速、展示、計算、存儲數(shù)據(jù)信息。
2020年3月，我國將數(shù)據(jù)中心作為“新基建”的六大重點之一，引導(dǎo)和鼓勵各地建設(shè)數(shù)據(jù)中心。
清華大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李震從2005年博士畢業(yè)起，就從事暖通空調(diào)、制冷、工業(yè)及建筑節(jié)能、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)：從2005年到現(xiàn)在，數(shù)據(jù)中心的能耗總量約5年就會翻一番。
受國家政策引導(dǎo)及社會需求驅(qū)動，我國數(shù)據(jù)中心數(shù)量快速增長。按照每個標準機架2.5kW承載功率統(tǒng)計，截至2021年底，我國在用數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量達到520萬架，近5年年均復(fù)合增速超過30%。
全球企業(yè)增長咨詢機構(gòu)沙利文（Frost & Sullivan）的分析表明，全球持續(xù)、高水平技術(shù)部署，將帶來數(shù)據(jù)的激增，對數(shù)據(jù)處理和存儲容量的需求將進一步增加。該機構(gòu)預(yù)計，到2025年，全球數(shù)據(jù)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(guān)于集成視覺現(xiàn)實增強系統(tǒng)的合同，合同額高達219億美元。業(yè)內(nèi)人士透露，出于國家安全考慮，該設(shè)備的相關(guān)云計算數(shù)據(jù)中心將建在海底，初始合同額預(yù)計超過5億美元。
這也是微軟自2015年啟動海底數(shù)據(jù)中心項目以來的首個商用合同。
我國率先研發(fā)同類裝備的海蘭信，這樣描述他們開發(fā)的海底數(shù)據(jù)中心——它由岸站、海底光電復(fù)合纜、海底分電站及海底數(shù)據(jù)艙組成。主體結(jié)構(gòu)為罐體結(jié)構(gòu)，電氣設(shè)備、冷卻系統(tǒng)均布置在罐體內(nèi)部，罐體頂部為海水冷卻系統(tǒng)。
未來海底數(shù)據(jù)中心布放概念圖
當年海蘭信起步時，除了微軟的測試新聞，國內(nèi)外鮮有相關(guān)技術(shù)發(fā)展的報道。在UDC團隊密集開展概念設(shè)計、樣機測試及示范項目研發(fā)過程中，已申請相關(guān)專利30余項，且已經(jīng)成為海底數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的先行者。
在產(chǎn)業(yè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施公司，日前宣布了其三個海底數(shù)據(jù)中心項目。據(jù)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(wù)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(nèi)。我國東部地區(qū)具有臨海的區(qū)位優(yōu)勢，也集聚了全國超過45%的人口。
將數(shù)據(jù)中心放置在海中的想法極具創(chuàng)新性。通過將數(shù)據(jù)中心放置在沿海城市附近的水下，數(shù)據(jù)的傳輸距離會很短，從而實現(xiàn)快速流暢的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
有些對時延要求不高的業(yè)務(wù)，可以按照國家“東數(shù)西算”引導(dǎo)政策，放到西部地區(qū)的數(shù)據(jù)中心去處理；但沿海發(fā)達地區(qū)未來如果發(fā)展自動駕駛汽車等需要數(shù)據(jù)精準同步的產(chǎn)業(yè)，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心與用戶之間的距離，無論何時都是“硬實力”。海蘭信聯(lián)合創(chuàng)始人魏法軍始終堅定地認為，相對于沿海地區(qū)人口密集、土地有限的實際，利用豐富的海洋資源解決數(shù)據(jù)中心擴充受限的難題，已是題中應(yīng)有之義。
相比于陸地上的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，海底數(shù)據(jù)中心還有哪些優(yōu)勢？
“首當其沖的，當然是節(jié)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(diào)”，通過海水給對冷卻系統(tǒng)有極大需求的數(shù)據(jù)中心進行“冷卻”，能夠很大程度上節(jié)省能源。
他給記者算了一筆節(jié)電的賬——
一個傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，大概1/3的電能是消耗在為數(shù)據(jù)中心進行制冷的空調(diào)系統(tǒng)上。如果同等體量的海底數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心進行環(huán)境制冷。如果同等體量的數(shù)據(jù)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(jié)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(tài)。實際測試數(shù)據(jù)結(jié)果怎樣？
海底數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)艙一期測試樣機入海前檢查
2020年11月，UDC攻關(guān)團隊設(shè)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(shù)據(jù)顯示，單艙能耗指標PUE值僅為1.076。遠遠低于2021年度全國數(shù)據(jù)中心平均能耗指標PUE值——1.49。目前，國家發(fā)改委、工業(yè)和信息化部等，要求新建數(shù)據(jù)中心的PUE值必須降到1.3以下。如果以海底數(shù)據(jù)中心市場滲透率達到10%計算，與傳統(tǒng)陸地數(shù)據(jù)中心使用火電相比，預(yù)計2025年全年我國可以減少碳排放約113萬噸。
除了節(jié)約電能，節(jié)水也是一大優(yōu)勢。
海底數(shù)據(jù)中心沒有冷卻塔，可以節(jié)約大量水資源。一座功率20MW的數(shù)據(jù)中心每年節(jié)水超過60萬立方米，同樣以市場滲透率10%計算，預(yù)計2025年我國可以減少淡水消耗5700萬噸以上。
“海底數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，對于解決需求增長與擴建受限之間的矛盾，特別是快速發(fā)展中的沿海地區(qū)數(shù)字經(jīng)濟，具有深遠的戰(zhàn)略意義?！闭强吹搅诉@些優(yōu)勢，在2020年開發(fā)首臺樣機之時，李震欣然接受邀請，也迎來了設(shè)計新型數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。
耗電柜機“埋”海里安全可靠嗎
把數(shù)據(jù)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(shè)備絕對不能碰水。數(shù)據(jù)中心艙體里裝滿了一刻都離不開電的服務(wù)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(tǒng)復(fù)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(shù)據(jù)艙吊回海面？
海底數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)艙一期測試樣機吊裝入海
疑惑點就是創(chuàng)新點，也是設(shè)計路徑和解決方案的著力點。
UDC攻關(guān)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(guān)團隊找到彼時還在上海交通大學(xué)的胡勇教授，他可是“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主任設(shè)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(jié)構(gòu)和材料只要符合要求，通過壓力可以更好地實現(xiàn)密封。但淺海的外部壓力小，殼體的設(shè)計還要兼顧制冷設(shè)備和各種商用需求，尤其是淺海生物系統(tǒng)較深海更復(fù)雜，生物附著和腐蝕侵害更嚴重，某種程度上說也更難。”全程參與UDC項目技術(shù)攻關(guān)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(shù)據(jù)中心開發(fā)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(shè)備的安裝工藝都要同步考慮。
如此看來，設(shè)計一個海底數(shù)據(jù)中心，絕對是個系統(tǒng)工程。
海底數(shù)據(jù)中心攻關(guān)團隊合影
融合創(chuàng)新，找準切入點后突飛猛進
深圳海蘭云總經(jīng)理蘇洋直言，進行殼體設(shè)計需要綜合考慮全流程使用方案。為了確保海底數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的相對性優(yōu)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(nèi)節(jié)能指標的預(yù)算，以及與現(xiàn)有陸上數(shù)據(jù)中心的性價比比較分析。
海底數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)艙內(nèi)部
與此同時，還要提前考慮布放方案、供電方案、設(shè)備安裝方案、中期維護方案相關(guān)技術(shù)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(shù)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(guān)組工程師們。
20年來，他們積累了大量海洋科技原創(chuàng)技術(shù)，比如原生海底智能監(jiān)控技術(shù)、原生高智能配電技術(shù)以及高可靠海底接駁技術(shù)等。他們還擁有多個全球技術(shù)研發(fā)團隊，以及高校、院所、央企等各領(lǐng)域高級別專家智囊團與合作者。
蘇洋認為，復(fù)雜問題要想求解，最重要的是找到切入口，“首先從節(jié)能指標入手”。
胡勇贊同，一定要實事求是，根據(jù)實際情況，先確定最合理的水下冷卻系統(tǒng)方案。
這樣一來，冷卻系統(tǒng)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(shè)計非常龐大的結(jié)構(gòu)體，才能實現(xiàn)泵循環(huán)冷卻”。蘇洋與胡勇、李震同時否定了這一設(shè)想。因為如此一來，結(jié)構(gòu)將復(fù)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(shè)計最終殼體結(jié)構(gòu)時，采用了混合結(jié)構(gòu)。
所謂混合結(jié)構(gòu)，就是在艙體內(nèi)外同步搭載機柜級分體制冷系統(tǒng)和艙外熱循環(huán)系統(tǒng)，確保艙內(nèi)運行溫度適宜，同時散熱效果達標。這就是UDC攻關(guān)組與李震教授團隊合作研發(fā)的UDC原生柔性制冷技術(shù)。
海底數(shù)據(jù)中心示范項目數(shù)據(jù)艙組裝
相比于現(xiàn)有技術(shù)中的冷卻系統(tǒng)，UDC創(chuàng)新方案實現(xiàn)了海水全自然冷卻，不需要設(shè)置制冷機和冷卻塔等裝置，也節(jié)省了相關(guān)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(shè)計難度更大，取得的測試成果更可喜——其技術(shù)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(shù)據(jù)中心核心數(shù)據(jù)艙的節(jié)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(guān)組與胡勇團隊共同研發(fā)了淺水海域防生物附著技術(shù)，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(yè)的環(huán)評機構(gòu)給出的環(huán)評報告顯示，該方案僅對水流下方3米內(nèi)產(chǎn)生小于0.2度的溫升，對海洋環(huán)境很友好。
科技興海，海洋經(jīng)濟一片蔚藍
攻克了核心的服務(wù)器密封艙這個大型水下結(jié)構(gòu)，然后將其以標準化模塊的形式布置在海底，并使用海底復(fù)合電力光通訊纜，將數(shù)據(jù)回傳至岸站。這就完成了海底數(shù)據(jù)中心的全流程設(shè)計與部署。
那么，政府和市場怎么看待這一全新產(chǎn)業(yè)呢？
2021年底以來，國家發(fā)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(shù)據(jù)中心和5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展實施方案》《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》等，鼓勵探索利用河湖、海洋等優(yōu)勢資源，建設(shè)利用自然冷源散熱的數(shù)據(jù)中心，充分發(fā)揮氣候水文和地形地貌等自然條件天然優(yōu)勢，因地制宜促進數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗。
此外，海南省、廣東省、山東省等提出的海洋經(jīng)濟發(fā)展“十四五”規(guī)劃，也都提出要促進海底數(shù)據(jù)中心研發(fā)及建設(shè)。
以海南省為例，海南島作為熱帶島嶼，其區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)中心發(fā)展長期存在能源短缺、淡水和土地有限、高溫高濕氣候環(huán)境、臺風(fēng)高發(fā)等問題。
未來，海南作為自由貿(mào)易港，按照其蓬勃發(fā)展的趨勢，當?shù)禺a(chǎn)業(yè)對數(shù)據(jù)中心的需求難以估量。而海底數(shù)據(jù)中心獨特的價值特征將更加凸顯。
“建設(shè)岸站、海底高壓復(fù)合纜、海底分電站及海底數(shù)據(jù)艙。一期布放100個數(shù)據(jù)艙，并逐步建設(shè)以海底數(shù)據(jù)中心為核心的綜合性海洋新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園?！边@是海南省海洋經(jīng)濟發(fā)展“十四五”規(guī)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(shù)據(jù)艙內(nèi)承載了海南電信的實際數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。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(jié)果顯示海底數(shù)據(jù)中心可以承載對抖動敏感、高交互的業(yè)務(wù)。
即將在今年11月下旬或12月入海的海底數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)艙，是全球首個商用海底數(shù)據(jù)中心核心裝備。
這一動作也標志海南海底數(shù)據(jù)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(huán)新網(wǎng)和ATLAS（新加坡）公司，分別代表電信運營商、人工智能、第三方數(shù)據(jù)中心運營商、WEB3.0等不同應(yīng)用場景。二期將重點開拓頭部互聯(lián)網(wǎng)和超算客戶。
記者觀察到，發(fā)展海底數(shù)據(jù)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(yōu)勢。
但如果一個產(chǎn)業(yè)不能形成強烈的輻射效應(yīng)，這個產(chǎn)業(yè)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(shù)據(jù)中心這條創(chuàng)新路上一路狂奔，就是因為這個產(chǎn)業(yè)還能促進信息科技與海洋科技交叉創(chuàng)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(fā)展，還可形成以海底數(shù)據(jù)中心為核心的綜合性海洋新技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群，從而不斷為發(fā)展海洋經(jīng)濟和數(shù)字經(jīng)濟帶來藍色新動能。
（圖片由受訪者提供）
