پروژه ناتیک مایکروسافت (Microsoft Project Natick) یک ابتکار تحقیقاتی برای استقرار مراکز داده در زیر آب بود که با هدف بررسی پایداری، کارایی و قابلیت اطمینان این فناوری انجام شد. این پروژه که در سال 2013 آغاز شد، با استقرار کانتینرهای پر از سرور در بستر اقیانوس، به دنبال کاهش هزینه‌های خنک‌سازی و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر دریایی بود. فاز دوم پروژه در سال 2018 با نصب مرکز داده “Northern Isles” در سواحل جزایر اورکنی اسکاتلند اجرا شد و تا سال 2020 ادامه یافت. اگرچه پروژه در سال 2024 متوقف شد، نتایج آن نشان داد که مراکز داده زیرآبی می‌توانند تا هشت برابر قابل‌اعتمادتر از نمونه‌های زمینی باشند.
مشخصات و جزئیات پروژه Microsoft Project Natick
پروژه ناتیک شامل استقرار کانتینرهایی در اندازه کانتینرهای حمل‌ونقل (12 متر طول، 2 متر قطر) بود که با سرورها پر شده و در عمق 117 فوتی بستر دریا قرار گرفتند. در فاز دوم، کانتینر Northern Isles با 855 سرور و ظرفیت ذخیره‌سازی 27.6 پتابایت داده، برای 25 ماه بدون دخالت انسانی فعالیت کرد. این کانتینر با نیتروژن پر شده بود تا از خوردگی جلوگیری شود و از طریق کابل‌های فیبر نوری و برق به خشکی متصل بود. پروژه با همکاری گروه Naval فرانسه طراحی و اجرا شد و هدف آن کاهش تأخیر شبکه برای جمعیت ساحلی (تقریباً نیمی از جمعیت جهان) بود.
اهداف اصلی پروژه مرکز داده زیرآبی مایکروسافت
- کاهش مصرف انرژی با استفاده از خنک‌سازی طبیعی آب دریا
- کاهش تأخیر شبکه با قرار دادن مراکز داده نزدیک به شهرهای ساحلی
- افزایش قابلیت اطمینان سرورها با حذف عوامل محیطی مانند رطوبت و اکسیژن
- امکان استقرار سریع (در کمتر از 90 روز)
- استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر دریایی مانند باد و جزر و مد
تاریخچه شکل‌گیری ایده مرکز داده دریایی
ایده ناتیک مایکروسافت در سال 2013 توسط شان جیمز، کارمند مایکروسافت و کهنه‌سرباز نیروی دریایی آمریکا، مطرح شد که تجربه کار با سیستم‌های خنک‌کننده زیردریایی‌ها را داشت. او در یک مقاله تحقیقاتی پیشنهاد کرد که مراکز داده زیرآبی می‌توانند هزینه‌های خنک‌سازی را کاهش دهند. در سال 2014، طی رویداد ThinkWeek مایکروسافت، این ایده به پروژه‌ای رسمی تبدیل شد. فاز اول در سال 2015 با استقرار یک نمونه اولیه کوچک به نام Leona Philpot در سواحل کالیفرنیا برای 105 روز آزمایش شد، که موفقیت آن منجر به فاز دوم در اسکاتلند شد.
مکان نصب و اجرای فاز دوم پروژه ناتیک مایکروسافت
فاز دوم ناتیک در جزایر اورکنی اسکاتلند، در نزدیکی مرکز انرژی دریایی اروپا (EMEC) اجرا شد. این مکان به دلیل آب‌وهوای سرد، دسترسی به انرژی تجدیدپذیر 100% (باد و خورشید)، و شرایط دریایی سخت انتخاب شد تا دوام کانتینر در محیط‌های چالش‌برانگیز آزمایش شود. کانتینر Northern Isles در ژوئن 2018 در عمق 117 فوتی مستقر شد و تا ژوئیه 2020 بدون نیاز به تعمیرات عمل کرد. این مکان به مایکروسافت امکان آزمایش فناوری در شرایط واقعی و اتصال به شبکه برق تجدیدپذیر را داد.
معماری و طراحی فنی مرکز داده زیر آب
کانتینر ناتیک با الهام از زیردریایی‌ها طراحی شد و شامل یک سیلندر فولادی پر از نیتروژن بود که سرورها را در برابر خوردگی محافظت می‌کرد. سرورها در 12 قفسه سازمان‌دهی شده و توسط سیستم خنک‌کننده‌ای مشابه زیردریایی‌ها (لوله‌های حاوی آب دریا) خنک می‌شدند. کابل‌های فیبر نوری و برق از خشکی به کانتینر متصل بودند و از رمزنگاری پساکوانتومی برای امنیت داده‌ها استفاده می‌شد. طراحی “lights-out” امکان عملکرد بدون دخالت انسانی را فراهم کرد و حسگرهایی برای نظارت بر دما، رطوبت و فشار تعبیه شده بودند.
مواد و ساختار کانتینر Project Natick
کانتینر ناتیک مایکروسافت از فولاد ضدزنگ با روکش مقاوم در برابر خوردگی ساخته شد و با نیتروژن پر شد تا از تماس سرورها با اکسیژن و رطوبت جلوگیری شود. وزن کانتینر 38,000 پوند و ابعاد آن مشابه یک کانتینر استاندارد حمل‌ونقل بود تا از زنجیره تأمین موجود استفاده شود. پوشش خارجی در برابر تجمع موجودات دریایی (biofouling) مقاوم بود و ساختار آن برای تحمل فشار در عمق 117 فوت طراحی شد. مواد بازیافت‌پذیر برای کاهش اثرات زیست‌محیطی استفاده شدند و کانتینر پس از بازیابی بازیافت شد.
نحوه تأمین انرژی مرکز داده زیرآبی
ناتیک از شبکه برق 100% تجدیدپذیر جزایر اورکنی تأمین انرژی می‌شد که از توربین بادی و پنل‌های خورشیدی تشکیل شده بود. کابل برقی از ساحل به کانتینر متصل شد و مصرف انرژی به دلیل خنک‌سازی طبیعی دریا کاهش یافت. مایکروسافت ایده هم‌مکانی با توربین بادی دریایی یا توربین‌های جزر و مدی را بررسی کرد، اما در فاز دوم به شبکه ساحلی وابسته بود. این رویکرد مصرف انرژی را تا 40% در مقایسه با مراکز داده زمینی کاهش داد.
چالش‌های نصب مرکز داده در بستر اقیانوس
نصب ناتیک با چالش‌هایی مانند شرایط دریایی سخت (امواج 9-10 متری در اورکنی)، نیاز به کانتینرهای مقاوم در برابر فشار و خوردگی، و لجستیک پیچیده مواجه بود. استقرار کانتینر نیازمند جرثقیل‌های دریایی و کشتی‌های تخصصی بود. اتصال کابل‌های برق و فیبر نوری در عمق دریا نیز دشوار بود. تجمع موجودات دریایی و پتانسیل نشت کانتینر، خطرات دیگری بودند که با طراحی مقاوم و نظارت مداوم مدیریت شدند. همه‌گیری کووید-19 نیز بازیابی کانتینر را پیچیده کرد.
مزایای زیست‌محیطی استفاده از اقیانوس
ناتیک مایکروسافت با استفاده از خنک‌سازی طبیعی آب دریا، مصرف آب شیرین را حذف کرد، که در مراکز داده زمینی تا 40% مصرف را تشکیل می‌دهد. انرژی تجدیدپذیر اورکنی انتشار کربن را به صفر رساند. استقرار در دریا نیاز به زمین را حذف کرد، که در مناطق پرجمعیت اهمیت دارد. قابلیت اطمینان بالاتر سرورها (0.7% خرابی در مقابل 5.9% زمینی) نیاز به تعویض قطعات را کاهش داد و ضایعات را کم کرد. بازیافت کانتینر پس از بازیابی، اثرات زیست‌محیطی را به حداقل رساند.
مقایسه مصرف انرژی با دیتاسنترهای سنتی
مراکز داده زمینی تا 40% انرژی خود را صرف خنک‌سازی می‌کنند، در حالی که ناتیک با خنک‌سازی رایگان دریا این هزینه را حذف کرد. مصرف کلی انرژی ناتیک تا 30-40% کمتر از مراکز زمینی مشابه بود. شبکه تجدیدپذیر اورکنی در مقایسه با شبکه‌های وابسته به سوخت فسیلی، انتشار کربن را کاهش داد. با این حال، هزینه اولیه نصب زیرساخت‌های دریایی (کابل‌ها و لنگرها) 20-30% بالاتر از مراکز زمینی بود، که مقیاس‌پذیری را محدود کرد.
بهره‌برداری از آب دریا برای خنک‌سازی Microsoft Project Natick
ناتیک از یک سیستم خنک‌کننده تبادل حرارتی مشابه زیردریایی‌ها استفاده کرد، که آب دریا را از طریق لوله‌هایی در پشت قفسه‌های سرور به گردش درمی‌آورد. دمای ثابت دریا (14-18 درجه سانتی‌گراد در عمق متوسط) سرورها را در دمای بهینه نگه داشت. این روش برخلاف خنک‌کننده‌های تبخیری زمینی، آب شیرین مصرف نکرد و اثرات گرمایی بر محیط دریا را به چند هزارم درجه در چند متری کانتینر محدود کرد. این سیستم راندمان انرژی را تا 15% بهبود بخشید.
کاهش نیاز به تعمیرات انسانی
طراحی “lights-out” ناتیک نیاز به حضور انسانی را حذف کرد، زیرا کانتینر برای 5 سال بدون نگهداری طراحی شده بود. پر کردن کانتینر با نیتروژن و حذف اکسیژن، خوردگی را کاهش داد و تماس‌های انسانی که باعث خرابی می‌شوند (مانند ضربه یا جابجایی) را حذف کرد. تنها 6 سرور از 855 سرور زیرآبی در مقایسه با 8 سرور از 135 سرور زمینی خراب شدند، که نشان‌دهنده قابلیت اطمینان 8 برابری بود. این رویکرد هزینه‌های عملیاتی را کاهش داد.
بررسی پرفورمنس سرورها در محیط دریایی
سرورهای ناتیک در محیط نیتروژنی و دمای ثابت دریا عملکرد بهتری داشتند. نرخ خرابی 0.7% (6 از 855 سرور) در مقایسه با 5.9% (8 از 135 سرور) زمینی نشان‌دهنده تأثیر مثبت محیط دریایی بود. نبود رطوبت، نوسانات دما، و دخالت انسانی، قابلیت اطمینان را افزایش داد. سرورها برای پردازش بارهای کاری مانند تحقیقات واکسن کووید-19 از طریق Folding@home استفاده شدند، که نشان‌دهنده عملکرد قوی در شرایط واقعی بود.
عملکرد شبکه و انتقال داده‌ها از بستر دریا
ناتیک مایکروسافت از کابل‌های فیبر نوری برای انتقال داده‌ها به خشکی استفاده کرد که با رمزنگاری پساکوانتومی ایمن شده بودند. تأخیر شبکه به دلیل نزدیکی به شهرهای ساحلی (نیمی از جمعیت جهان در 200 کیلومتری ساحل زندگی می‌کنند) کاهش یافت. پهنای باند کافی برای پشتیبانی از خدمات ابری Azure فراهم شد، اما هزینه نصب کابل‌ها در عمق دریا بالا بود. شبکه با یک خط اجاره‌ای به مرکز مایکروسافت در لندن متصل شد تا در زمان بازیابی داده‌ها حفظ شود.
طول عمر تجهیزات در محیط مرطوب
تجهیزات ناتیک برای عمر 5 ساله طراحی شدند، اما کانتینر برای 20 سال دوام هدف‌گذاری شد. نیتروژن و دمای ثابت دریا خوردگی را به حداقل رساند و عمر سرورها را افزایش داد. با این حال، تجمع موجودات دریایی (biofouling) می‌توانست به پوشش خارجی آسیب برساند، که با مواد مقاوم مدیریت شد. مایکروسافت پس از هر دوره 5 ساله، سرورها را تعویض و کانتینر را بازیافت می‌کرد. این رویکرد طول عمر را در مقایسه با مراکز زمینی بهبود بخشید.
حفاظت فیزیکی از مرکز داده در برابر جانوران دریایی
کانتینر ناتیک با پوشش‌های مقاوم در برابر تجمع موجودات دریایی (مانند صدف‌ها و جلبک‌ها) محافظت شد که می‌توانستند خنک‌سازی را مختل کنند. حسگرهای خارجی اثرات زیست‌محیطی مانند گرما و صدا را نظارت کردند و نشان دادند که تأثیر بر حیات دریایی ناچیز است (گرمایش چند هزارم درجه در چند متری). طراحی کانتینر در برابر فشار آب و نفوذ جانوران مقاوم بود و صداهای سرورها توسط صداهای طبیعی دریا (مانند میگوها) خنثی شد.
منبع: ابرار صنعتی
