LiquidStack, дочернее предприятие BitFury, специализирующееся на разработке иммерсионных СЖО, и Microsoft продемонстрировали на OCP Global Summit стандартизированное решение с двухфазным погружным жидкостным охлаждением. Демо-серверы Wiwynn, разработанные в соответствии со спецификациями OCP Open Accelerator Infrastructure (OAI), были погружены в бак LiquidStack DataTank 4U, способный отводить порядка 3 кВт/1U (эквивалент 126 кВт на стойку).

LiquidStack сообщила, что она впервые оптимизировала серверы OCP OAI для охлаждения путем погружения в жидкость. По словам компании, её двухфазные иммерсионные СЖО DataTank предоставляют наиболее эффективное решение, которое требует немного пространства и потребляет меньше энергии, чем другие системы охлаждения, и вместе с тем повышает плотность размещения компонентов и их производительность.

Фото: LiquidStack

В демо-серверах использовались ИИ-ускорители Intel Habana Gaudi, погружённые в жидкий диэлектрик (от 3M) с низкой температурой кипения, который наиболее эффективно отводит тепло благодаря фазовому переходу. Данное решение должно помочь достижению показателя PUE в пределах от 1,02 до 1,03, поскольку оно практически не потребляет энергию. LiquidStack утверждает, что у её СЖО эффективность теплоотвода примерно в 16 раз выше, чем у типичных систем воздушного охлаждения.

Фото: LiquidStack

По мнению компании, системы высокопроизводительных вычислений (HPC) уже сейчас слишком энергоёмки, чтобы их можно было охлаждать воздухом. Поэтому следует использовать платы, специально предназначенные для жидкостного охлаждения, а не пытаться адаптировать те, что были созданы с расчётом на воздушные системы — при использовании СЖО вычислительная инфраструктура может занимать на 60% меньше места.

Изображение: Microsoft

LiquidStack и Wiwynn являются партнёрами. В апреле Wiwynn инвестировала в LiquidStack $10 млн. Также Wiwynn протестировала серверы с погружным жидкостным охлаждением в центре обработки данных Microsoft Azure в Куинси (штат Вашингтон). Microsoft, как и другие гиперскейлеры, уже некоторое время изучает возможности иммерсионных СЖО.

Корпорация Microsoft начала поставки любопытного серверного решения — центра обработки данных Azure Modular Data Center (MDC), все составляющие которого заключены в стандартный 40-футовый контейнер. Такое исполнение позволяет перевозить систему на различных видах транспорта и быстро вводить в эксплуатацию.

ЦОД может быть развёрнут в любом месте, где есть подходящая площадка для установки контейнера и электрическая сеть необходимой мощности. Более того, питание может подаваться от дизельных генераторов. ЦОД и всё его оборудование сконструированы так, чтобы пережить и транспортировку, и эксплуатацию в не самых благоприятных условиях.

Система позволяет получить доступ к вычислительным мощностям облака Azure. Контейнерный ЦОД может функционировать в суровом климате, обеспечивая бесперебойную работу критически важной инфраструктуры. Платформа MDC может использоваться, к примеру, в центрах гуманитарной помощи, передвижных пунктах управления, а также на территориях предприятий добывающей промышленности.

MDC может работать как полностью автономно, так и в связке с «большим» облаком Azure. Причём предусмотрена возможность использования спутниковых средств связи — на случай перебоев в основном интернет-канале. Собственно говоря, именно в рамках совместного со SpaceX проекта Azure Space и были анонсированы эти ЦОД.

Внутри контейнера размещены три серверных блока, каждый из которых содержит две стойки 42U с коммутаторами и контроллерами. На каждый блок приходится 8 серверов и 48 узлов хранения. Все они работают под управлением Azure Stack Hub. Доступ к такому ЦОД предоставляется на условиях аренды, как и в случае более простых и компактных устройств серии Azure Stack Edge.

Любой современный ЦОД — это не только помещение, занимающее определённую площадь, но ещё и серьёзные системы питания и, особенно, охлаждения. Ряд компаний считает, что с точки зрения последнего фактора имеет смысл рассмотреть возможность размещения ЦОД под водой, на дне моря, где температура постоянна и достаточно низка. В их числе Microsoft со своей разработкой Project Natick.

Первый прототип Natick, доказавший работоспособность концепции, успешно проработал 105 дней в водах Калифорнийского залива, однако действительно серьёзная мощность была достигнута лишь во второй фазе, о которой и идёт речь в данной заметке. Второй прототип Natick являет собой 12,2-метровый цилиндрический контейнер стандарта ISO 40, внутри размещено 12 стоек с 864 серверами Microsoft (в составе присутствуют ПЛИС-ускорители) и СХД общим объёмом 27,6 Пбайт. Система охлаждения во втором варианте была разработана французской группой Naval Group на основе теплообменников, использующихся в современных подводных лодках.

На этот раз местом размещения подводного ЦОД был выбран район Оркнейских островов в 193 километрах (120 миль) от берега, глубина погружения составляла примерно 35 метров. Для питания и данных использовался общий кабель, содержащий как силовые линии, способные передать около четверти мегаватта, так и оптические волокна. Проект создавался с прицелом на пятилетний срок работы без обслуживания, с прицелом на 20 лет в будущем. Для обеспечения повышенной надёжности внутреннее пространство контейнера заполнено азотом, который практически инертен и способствует уменьшению износа оборудования.

14 сентября Microsoft сообщила об окончании второй фазы Project Natick, которая продлилась два года. Сам контейнер был извлечён из моря ещё летом, и специалисты и эксперты занялись изучением состояния аппаратного обеспечения, входившего в состав второго прототипа автономного ЦОД. Результат проекта признан очень успешным, возглавляющий Project Natick Бен Катлер (Ben Cutler) заявил, что «дело сделано, и второй вариант Natick можно с полным правом назвать подходящим строительным блоком».

Согласно статистике, около 50% населения планеты проживает недалеко от берега моря, поэтому размещение подводных ЦОД в прибрежных областях вполне оправдано, а Европейский центр морской энергетики (Europetn Marine Energy Centre) вообще говорит о возможности использования для питания таких ЦОД приливных турбин и волновых конвертеров, что сделает их практически автономными, не считая оптоволоконного подключения.

Часть системы охлаждения Natick

Тонкости функционирования Natick ещё предстоит изучить, но предварительные результаты оказались несколько обескураживающими: ЦОД в герметичном контейнере, покоившийся на дне моря, и, естественно, лишённый обслуживания, оказался в восемь раз надёжнее, нежели его копия, расположенная на суше. Причины примерно ясны: стабильные температуры, отсутствие окисляющей атмосферной среды, а также каких-либо серьёзных вибраций. Компания считает, что эти данные могут помочь и в проектировании более надёжных наземных ЦОД.

Microsoft признала, что проект всё ещё далёк от завершения, но считает, что стандартный ЦОД Azure в подводном варианте уже может быть создан. Вице-президент отдела Azure по системам класса mission critical Вильям Чэппел (William Chappell) отметил, что его команда особенно заинтересована в пост-квантовых методах шифрования, критичных для такого рода периферийных центров обработки данных.

Также заявлено, что Natick успешно может служить в качестве периферийного ЦОД или ЦОД с повышенной безопасностью; последнее достаточно очевидно — получить доступ к оборудованию, находящемуся под водой, намного сложнее, нежели в обычном ЦОД. Надёжнее в этом плане может быть только сервер на орбите, но по понятным причинам такое решение намного дороже и сложнее, нежели Natick, оно менее мощное, а также не гарантирует постоянной низкой латентности, которая может быть критичной в edge-сценариях использования.

Microsoft сообщила, что успешно протестировала использование водородных топливных элементов для резервного питания своих серверов в центрах обработки данных. Это первый шаг к внедрению новых технологий, исключающих использование дизельного топлива в системах аварийного питания.

Водород хранился в резервуарах на трейлерах, припаркованных возле лаборатории в Солт-Лейк-Сити, штат Юта. Такой вариант хранения водорода был продемонстрирован в ходе эксперимента, но в дальнейшем планируется использовать стационарные резервуары. Microsoft намерена прекратить использование дизельного топлива к 2030 году в рамках своих инициатив по снижению вредных выбросов.

В эксперименте использовалась нагрузка в виде 10 стоек облачных серверов Microsoft Azure: в течение 48 часов использовалась 250-КВт система на топливных элементах. Такое время работы от топливных элементов выбрано не случайно, поскольку большинство перебоев в подаче электроэнергии длятся менее 48 часов.

Ранее для подобной задачи использовались шесть дизель-генераторов. Следующим шагом Microsoft планирует испытать систему резервного питания на топливных элементах мощностью 3 МВт, чтобы продемонстрировать как масштабируется система для больших дата-центров.

Дизельные генераторы на данный момент являются оптимальным выбором для большинства ЦОД, однако Microsoft стремится к сокращению выбросов углекислого газа и хочет полностью отказаться от дизельного топлива к 2030 году. Цель амбициозная, но достижимая. Пока основным препятствием к ее осуществлению является цена. Водород сам по себе до сих пор остается дорогим топливом, а его транспортировка и хранения обходятся еще дороже.

Следует также учесть, что водород более взрывоопасен, чем дизельное топливо, поэтому его хранение может стать большой проблемой для дата-центров, расположенных в крупных городах. Кроме радикальных мер по переводу аварийного питания дата-центров на водород, Microsoft рассматривает и более реальные альтернативы в виде питания генераторов от природного газа, который дает намного меньше выбросов, по сравнению с дизельным топливом, также рассматривается синтетическое дизельное топливо, которое при сгорании выделяет меньше углерода.

Проектами по созданию более экологичных источников питания занимаются и другие компании: Rolls-Royce и Daimler Truck AG разработают топливные элементы для ЦОД, а Keppel и Mitsubishi намереваются создать водородную электростанцию. Ещё одной альтернативой могут стать ёмкие аккумуляторы — оператор Switch для своего дата-центра в Неваде построит комплекс из солнечной электростанции мощностью 127 МВт и модулей Tesla MegaPack суммарной ёмкостью 240 МВт∙ч

Microsoft одновременно решает ряд инженерных задач с проектом Microsoft Azure Natick: снижает эксплуатационные расходы и обеспечивает меньшие задержки для дата-центров. Что же из себя представляет этот уникальный проект?

Начнем с истории: первый концепт Natick представлял собой стойку с серверами в стальной оболочке, которую опустили в океан, чтобы проверить работоспособность идеи. Попытка была удачной, Microsoft доказала, что можно использовать обычные серверы, развернутые в компактном корпусе на расстоянии 200 км в океане, что примерно давало задержку в 1 мс (2 мс в обе стороны). Видео с экспериментальным дата-центром Natick:

Первая версия Natick была развернута у берегов Калифорнии и проработала 105 дней, что подтвердило жизнеспособность концепта.

Два года спустя Microsoft Research погрузила под воду 14 стоек с серверами у побережья Шотландии. Этот регион был выбран не случайно: именно здесь используется множество возобновляемых источников энергии, что позволило сделать новый Natick еще более экологичным. Видео с демонстрацией Natick второго поколения:

После более чем года работы Natick второго поколения Microsoft поделилась некоторыми данными: с точки зрения эффективности энергопотребления Natick демонстрирует коэффициент PUE в 1,07 — это очень мало для текущего производственного центра обработки данных. Низкий PUE означает снижение эксплуатационных расходов, а также делает Natick более экологичным. Обычный наземный дата-центр использует 4,8 литра воды на кВт/ч, при этом Natick не потребляет воду для работы, однако использует ее по-другому (споры с экологами по поводу нагрева океана и влияния на окружающую среду не закончились какими-то конструктивными выводами, по информации от самой Microsoft, влияние Natick на окружающую среду ничтожно мало). Этот аспект особенно актуален для стран, в которых существует дефицит воды и охлаждение дата-центров превращается в существенную проблему.

Цилиндрический корпус Natick имеет вакуумную герметизацию, что означает, что серверы и ИТ оборудование избавлены от многих вредных факторов, таких как влажность и пыль. Кроме того, учитывая, насколько хорошо вода поглощает тепло и насколько велики океаны, можно утверждать, что на глубине 200 метров для дата-центра будет поддерживаться постоянная температура, без колебаний, свойственных наземным ЦОД (особенно это актуально для жарких регионов, где приходится использовать системы охлаждения с большим запасом). Natick 2 был рассчитан на эксплуатацию в течение пяти лет без технического обслуживания.

Так что же Microsoft может предложить сегодня?

Natick третьего поколения представляет собой множество цилиндрических корпусов, закрепленных на большой стальной раме, в которой проложены коммутационные кабели и кабели питания. Общий размер составляет более 90 м (300 футов), с каждой стороны конструкции есть балластные цистерны для транспортировки и упрощения установки. Natick 3 состоит из 12 цилиндрических корпусов, общая мощность системы достигает 5 МВт, при необходимости могут быть построены и более крупные структуры, так как конструкция модульная и позволяет легко масштабировать мощность при необходимости.

Microsoft не единственная компания, которая ведёт разработки в области подводных дата-центров, существуют еще разработки Nautilus Fata Technologies и более мелкие стартапы, однако они находятся только в самом начале пути и не имеют опыта промышленной эксплуатации дата-центров. Одно можно сказать точно: данное направление будет развиваться и в скором будущем мы увидим еще не одно подобное решение.