多家企業都在嘗試在數據中心置於水下。那麼這種水底數據中心到底是種宣傳噱頭，還是真能帶來更好的設施管理效果？
概述
微軟於2015年開始進行首次大規模水下數據中心實驗。
用於填充水下數據中心的惰性氣體及液體的腐蝕性，實際上低於普通空氣。
將數據中心安放在水下的最主要原因，可能在於消除高昂的冷卻成本。
數據中心設施那巨大的耗電量正日益受到關注。從為伺服器本身供電到支撐冷卻設施，這些龐然大物正迅速成為電網體系的嚴重負擔。目前，數據中心消耗的電力已經占全球總用電量的1%到3%。
人們當然也設計過許多提高能效的方法，包括減少閒置狀態的伺服器CPU、將數據中心部署在額外冷卻需求較低的區域、乃至改變安置硬體設備的建築物結構等。但根據估算，這些方法只能將電力消耗降低10%左右。
如今，部分企業正嘗試將自己的數據中心安放在海底。微軟早在2015年就通過其Natick項目開始了首次大規模水下數據中心實驗。隨後幾家較小公司也紛紛跟進，並開始實際營銷自家服務。
以由斯德哥爾摩Interxion運營的數據中心為例，其他一些地上數據中心也著手嘗試使用海水作為冷卻系統。此外，儘管使用的循環水池仍須消耗大量電力，但浸入式冷卻設計正在市場上愈發受到關注。
很多朋友可能覺得把數據中心安放在水下純粹是在博人眼球，但這種看似不切實際的方法確有很多值得推薦的優勢。
其一，在伺服器傳輸和處理數據時，可以使用無限量的低溫海水進行設備冷卻，帶走過程中產生的大量熱能。據估算，目前冷卻耗電已經占數據中心總用電量的40%左右。伺服器過熱則會顯著降低運行效率，甚至導致硬體故障。考慮到電力成本在總體IT運營成本中已經占比高達70%，任何節約手段都將大大改善其經濟效益。
此外，降低能耗也就相當於減少碳排放。隨著投資及立法層面對於企業的環境、社會與治理（ESG）表現提出愈發嚴苛的要求，數據中心運營商也的確有必要重視起這個日益關鍵的目標。水下數據中心就特別適合利用海洋環境中豐富的風能、波浪能等可再生能源。
在今天的文章中，我們將根據水下數據中心運營商Subsea Cloud技術經理Owen Williams的評述，回顧這些開創性數據中心的發展歷程，並探討其是否具備長期實用性。
第一次實驗
微軟是最早探索水下數據中心的公司之一，並在項目中投入達2500萬美元。這個想法最早提出自2014年ThinkWeek活動中的一份白皮書，該活動鼓勵員工們提出各種不同於傳統的奇思妙想。軟體巨頭也很快將靈感付諸行動，嘗試探索其中的可行性。
該公司於2015年8月啟動了Natick項目的第一階段。當時，微軟在聖路易斯奧比斯波附近的加州海岸處投放了一個10英尺長的圓柱形結構體，其中旋轉著總計24台伺服器機架。其中的空間裝滿了運行負載的硬體托架以產生熱量。這部實驗裝置被安放在太平洋以下30英尺深處，並在三個月後的11月進行回收。這個階段基本上是在進行概念驗證，旨在測試冷卻系統是否能有效調節裝置內的溫度。
第二階段於2018年6月啟動，微軟當時在蘇格蘭奧克尼群島的海岸處安放了另一個更大的數據中心，位置靠近歐洲海洋能源中心（EMEC），主要用於測試波浪能和潮汐能系統的工作情況。
這次採用的數據中心比首次實驗中的裝置大得多。整個鋼筒長40英尺、寬10英尺，約有一個集裝箱大小，其中包含12個機架、可容納864台伺服器。此裝置由法國海軍防務公司Naval Group負責建造，下沉嘗試為117英尺。
這套系統由可持續能源提供電力——包括陸上風能、太陽能、潮汐能以及波浪能等。冷卻系統則借鑑了潛艇上已經使用的技術，即將低溫海水吸入裝置後部的散熱器系統，再將攜帶了熱量的溫熱海水排回海洋。整個吊艙內還灌滿了氮氣，其腐蝕性比氧氣更低。
到兩年之後的2020年7月，該裝置被打探回收。雖然不少伺服器出現了故障，但運營方表示其故障率僅為地上數據中心平均故障率的約八分之一。
微軟公司拒絕對備受期待的第三階段實驗發表評論，只是用提前準備好的聲明回復稱，「雖然我們目前還沒有實際部署水下數據中心，但我們將繼續以Natick項目作為研究平台推動探索和測試，並驗證關於數據中心可靠性及可持續性的更多新概念。」
水下數據中心的潛在優勢
水下數據中心最吸引人的亮點之一，就是它們可以部署在更靠近大型人口中心的位置。世界上約半數人口居住在沿海地區，即距離海岸線125英里的範圍之內。將數據中心安放在沿海人口中心附近，將有助於降低延遲並提高數據處理效率，從而改善各種數字服務的速度表現。
而且可能跟很多朋友的直覺相反，把伺服器本身浸入冷卻液也有不少好處。首先，用於填充水下數據中心的惰性氣體和液體的腐蝕性甚至低於普通空氣，因此可以延長設備的使用壽命。伺服器還受到保護，避免因日常移動而遭受人為損壞——即因意外撞擊、設備掉落或不慎拔掉插頭而導致的故障。
Subsea Cloud公司的Williams表示，這類數據中心吊艙的放置和回收維護過程也相當簡單。「假設水深100米，那麼只需要一個小時即可完成操作。但如果要下沉到3000米深的話，大概需要五、六個小時才能完成吊艙部署。」
此外，容納伺服器的艙體和將伺服器與地上基礎設施相連的線纜組件也採用模塊化設計，相對更易於製造。Williams強調，「我們還希望建立起至少一種環網結構，就是說光纖站點將設有兩個連接點以提供冗餘。」
海洋環境還蘊藏著豐富的可持續能源。風能、波浪能、潮汐能乃至太陽能發電廠將可以為這些數據中心提供充足的能源，從而減少溫室氣體排放。樂觀的支持者們認為，專門建造的此類發電設施將保證水下數據中心的長期自我維持。而且由於水下數據中心本身就需要保留傳輸數據用的線纜管路，所以可以輕鬆加設供電纜來接入地上的備用供電網路。
Williams解釋道，「我們當然需要為這些設備供電，而電力可以通過地上獲取。對我們來說，最完美的方案當然是把數據中心跟漂浮在海上的風電場或其他可再生能源設施對接起來。而一旦處理負載增加、用電量提升，我們還可以靈活配合地上供電。」
而將數據中心安放在水下的最主要原因，可能在於消除高昂的冷卻成本。單就冷卻而言，海洋本質上屬於一種無窮無盡的資源，特別是在深海區域。海底數據中心不再需要跟人類爭奪本就稀缺的淡水資源，自然不會像地上數據中心那般背負「跟人搶水喝」的罵名。從這個角度看，此類設施的用水效率（WUE）將得到完美的零分。
水下數據中心的潛在缺陷
雖然將數據中心放置在水下確有顯著優勢，但可訪問性仍是個有待解決的重大難題。這一點在較深水域、或者經常出現巨大浪潮的海洋區域內體現得尤其明顯。畢竟就算系統已經內置冗餘以避免頻繁維護，水下數據中心也需要被定期拖運回支持中心來更換發生故障的伺服器和部件。
根據具體結構的大小和形狀，我們還需要為這一個個吊艙找到最合理的伺服器容納數量。例如，微軟提出的數據中心為圓柱形，但常規伺服器卻基本採用矩形設計。但算法輔助設計的解決方案有望最大限度利用物理空間，減少資源浪費。
此外，雖然沿海地區擁有豐富的可再生能源，但其穩定性仍然高度存疑。風電場只能在有風時工作，波浪能也只在穩定的波浪活動時最為高效，而這一切都高度依賴於季節性變化。就連相對可靠的太陽能，也會隨著日照的範圍和強度浮動而有所增減。
因此，將這些數據中心放置在大城市附近往往最為有效。Williams表示，「我們需要明確最好以怎樣的接入方式進行供電，以及周邊是否具備寬帶光纖連接。」
而且考慮到各國管轄權的問題，最好能把水下數據中心放置在海岸附近。Williams坦言，雖然部署在公海有不少好處，但大多數客戶更傾向於選擇受到本國法律保護的受控水域以內。當然，在某些情況下，這方面許可往往還將面臨其他挑戰。
他解釋稱，「有些國家希望大幅加快這一進程，也比較認同這樣做帶來的好處。但也有一些國家相對謹慎，希望設置規則來約束水下數據中心的管理工作。也就是說，許可申請可能將耗費幾周甚至是幾年的時間。」
不同水域的海水溫度也不相同。海洋熱浪的存在意味著水下數據中心可能需要引入備用冷卻系統。有人提議預先儲存冷水，藉此避免因溫水湧入而導致伺服器無法維持正常溫度、甚至由此發生故障。安裝在數據中心內的傳感器將確定何時使用儲存在水庫內的冷水。另外，也可以使用基於熱電冷卻機制的伺服器來保證高水溫時的冷卻效果。
然而，在熱浪期間排出大量更高溫度冷卻水所造成的潛在環境破壞，仍是個有待解決的課題。高溫海水可能導致脫氧，進而對周邊海底生物造成有害影響。
考慮到現有水下項目一般規模較小，所以大規模部署海底數據中心帶來的生態影響也尚不明確。在被拖出水面時，微軟的數據中心已經被大量海洋生物所包裹，這表明至少部分生物體已經適應了環境中這類異物的存在。微軟還專門申請了利用數據中心充當人工魚礁的技術專利。
而在選擇部署位置時，則必須考慮海底環境的穩定性。Williams在跟同事們討論最佳選址時，就強調必須選擇地震活動相對較少的點位。
此外，安全隱患也是不得不防。雖然對於普通犯罪分子來說，接觸水下數據中心實在沒那麼簡單，但那幫死硬派的惡意人士仍可能掌握正確的知識和設備來破壞基礎設施服務。有人提到，聲波攻擊可能導致硬盤驅動器崩潰並干擾數據中心的本體結構。
Williams指出，Subsea Cloud的數據中心受到嚴格監控，以防範任何人為和非人為形式的干擾。
他解釋稱，「每個吊艙都部署有震動傳感器，每個角落也都安放了攝像頭。我們還可以遠程開啟和關閉照明燈。」因此一旦出現問題查，「我們可以馬上查看攝像頭和震動傳感器，了解現場發生了什麼。」
關於建設水下數據中心的實際舉措
儘管微軟似乎已經暫停了其水下數據中心項目（至少是對其進展守口如瓶），但仍有幾家公司正努力把這項業務推向市場。
Subsea Cloud目前就有多個項目正在運行。他們宣布在北海、華盛頓州安吉利斯港附近及墨西哥灣處部署了數據中心。但公司發言人拒絕透露各計劃設施的具體數量和位置。
與微軟不同，Subsea Cloud的吊艙採用矩形結構，更適配常規伺服器和機架的形狀。這些結構中填充的也不是氮氣，而是油性粘稠流體。一部分吊艙甚至可以部署在深達9850英尺的海底。
Williams強調，「我們不是靠粗暴增加壁厚的方式對抗水壓，而是直接用液體填充了整個吊艙。這樣吊艙內部的壓力就與外部水壓相同，保證我們可以使用非常輕薄的艙壁設計。」
Williams介紹稱，這種設計不需要像微軟項目那樣消耗額外的電力來驅動氣體循環。他興奮地表示，「我們吊艙中的冷卻機制，不依賴於任何額外的活動部件。」
該公司計劃每三到五年對設備進行一次檢修，但也可以遵循客戶提出的時間表。這些吊艙本身的設計使用壽命約為25年，並且可以多次重複使用。
另外一家公司也在積極探索對伺服器的設計改造。北京漢蘭達數字技術有限公司就於2021年在中國珠海沿岸下沉了包含四台伺服器機架的原創模型。該公司採用的是類似於微軟項目的圓柱形吊艙，並在之後的實驗中在海南三亞市近海建立了一處由100多艘船隻組成的數據中心。該公司於2022年12月開始正式運營，前兩家客戶均為電信企業，目前公布的業績相當令人滿意。
雖然這項新技術尚未得到廣泛採用，但只要早期努力完成了積累和完善，相信很快我們日常享受的流媒體影視、銀行交易等各種服務都可能「魚翔淺底」，擁抱廣闊的海洋新家園。
