Инженеры корпорации Microsoft периодически попадают в заголовки СМИ благодаря нетривиальным проектам по разработке технологий для нужд индустрии дата-центров, включая системы хранение данных с помощью ДНК и голограмм, а также подводные ЦОД.

В конце октября 2021 года команда Microsoft представила новый исследовательский проект, предполагающий переосмысление концепции ЦОД на фундаментальном уровне. Речь об использовании экологически безопасных стройматериалов при возведении зданий серверных ферм с целью создания низкоуглеродной облачной инфраструктуры.

Объединив усилия с организацией CLF (Carbon Leadership Forum), функционирующей при Вашингтонском университете, команда софтверного гиганта приступила к изучению возможностей использования грибов, водорослей, сельскохозяйственных отходов и иных материалов при строительстве ЦОД.

Промежуточные итоги соответствующего исследования были обнародовано в рамках программы Microsoft «Путь к углеродной нейтральности» (Path to Net Zero). Данная программа охватывает, помимо прочего, новые меры по оптимизации облачной инфраструктуры для выполнения обязательства по снижению связанных с хозяйственной деятельностью выбросов двуокиси углерода к 2030 году, взятых на себя софтверным гигантом.

Переосмысление принципов строительства ЦОД

Новое исследование демонстрирует готовность Microsoft переосмыслить практически все аспекты центров обработки данных и облачных вычислений ради достижения амбициозных экологических целей. Корпорация заявляет о намерении строить от 50 до 100 центров обработки данных ежегодно, и новый проект поможет возводить серверные фермы, минимизируя негативное воздействие на экологию.

Ключевой проблемой является двуокись углерода, возникающая при изготовлении конструкций из бетона и стали, являющихся базовыми элементами большинства современных центров обработки данных. В рамках сотрудничества с Carbon Leadership Forum, команда Microsoft надеется изменить парадигму. Специалисты рассматривают 6 подходов к строительству ЦОД с минимальным углеродным следом:

• Трубки мицелия: Корневой структуре грибов, известной как мицелий, можно придавать различную форму при выращивании, создавая, например, материалы, для теплоизоляции и повышения прочности стен. Проводимые разными фирмами исследования использования мицелия в подобном ключе пока находятся, как правило, на начальной стадии, но ученые говорят об огромном потенциале и возможной революции на рынке стройматериалов. Справедливости ради следует отметить, что некоторые компании добились значительных успехов в данной области. Например, стартап Okom Works Labs уже работает над коммерциализацией строительного материала на базе грибного мицелия.
• Кирпичи из водорослей: Биомасса на базе водорослей активно используется при производстве топлива, но важно помнить, что данный материал также является высокоэффективным поглотителем двуокиси углерода, значительно превосходя леса с точки зрения эффективности поглощения и хранения CO2 в течение длительного периода. Биоугольные пеллеты из водорослей могут использоваться при изготовлении высокоэффективных строительных материалов. И несколько стартапов, включая, например, компанию Prometheus Materials, уже занимаются коммерциализацией кирпичей и стеновых панелей из водорослей.
• Земляной пол: В документе Microsoft и Carbon Leadership Forum отмечается, что замена бетонных полов на земляные способна значительно снизить общий углеродный след здания . За счет включения натуральных волокон для армирования и заполнителя, накапливающего CO2 земляные полы дополнительно способны хранить двуокись углерода.
• Стеновые панели из остаточной биомассы вроде излишков соломы: Многие стартапы нацелены на переработку остаточной биомассы, возникающей при уборке ряда сельскохозяйственных культур, в волокна, которые можно использовать в строительстве. Отходы сельскохозяйственного производства, включая, в частности, солому, получаемую при уборке зерновых, давно используются в качестве изоляционного материала. Использование подобных материалов рядом стартапов при производстве стеновых и кровельных панелей продемонстрировало высокую результативность с точки зрения хранения двуокиси углерода внутри долговечных и доступных строительных материалов.
• Стеновые панели из костробетона: Волокна также можно выращивать специально для производства строительных материалов. Речь, в частности, идет о бамбуке и пробке, применяющихся на протяжении столетий. В число относительно новых материалов входит конопля, характеризующаяся большим потенциалом с точки зрения производства волокон. Костробетон, состоящий из конопли, покрытой связующим материалом на основе извести, сегодня все более активно используется в качестве изоляционного и конструкционного материала.
• Бесцементный бетон, активированный щелочами: Портландцемент общего назначения является стандартным компонентом бетона, на долю производства которого приходится около 8 процентов глобальных выбросов CO2. В бетоне, активированном щелочами, при создании бетонных конструкций используется химический активатор на основе щелочи / соли. В отчете Microsoft и Carbon Leadership Forum отмечается, что данный стройматериал оказывает меньшее негативное воздействие на окружающую среду, генерируя менее значительное количество двуокиси углерода на этапах заводского производства и изготовления готовых конструкций, чем в случае портландцемента общего назначения.

Авторы исследования предлагают использовать метод 3D-печати, чтобы упростить создание строительных блоков на базе инновационных экологичных материалов для последующего применения при возведении зданий ЦОД. В отчете говорится, что оптимальной площадкой для тестирования новых идей могут стать небольшие дата-центры, включая массивы краевых ЦОД, быстро монтируемые из предварительно изготовленных комплектующих.

Перед началом широкомасштабного использования новых стройматериалов они должны пройти испытания на соответствие государственным нормам и безопасность, которые сложно ускорить. Поэтому авторы отчета рекомендуют заинтересованным сторонам использовать новые материалы в рамках пилотных проектов, чтобы интенсифицировать их «обкатку» и обнаружение возможных проблем.

Конкуренты не отстают

Не только Microsoft стремится реализовать на практике новые идеи в области строительства центров обработки данных. Поставщик услуг ЦОД Compass Datacenters использует низкоуглеродистый бетон от компании CarbonCure при строительстве новых дата-центров.

Компания CarbonCure берет CO2, производимый объектами с высоким углеродным следом, включая, например, нефтеперерабатывающие заводы, и химически минерализует данный газ в процессе производства бетона, что позволяет сделать бетонные изделия более экологичными и прочными.

Данный процесс уменьшает объем цемента, необходимого для смешивания бетона, а также навсегда удаляет CO2 из атмосферы. В прошлом Amazon и Microsoft вносили инвестиции в бизнес CarbonCure.

Колокейшн-провайдер Aligned использует армированные волокном полимеры вместо стали в процессе строительства ЦОД. Данный композитный материал характеризуется высокой прочностью и превосходно противостоит коррозии. Одновременно при его создании потребляется меньше энергии и выделяется меньше парниковых газов в атмосферу по сравнению с производством стали.

Команда Microsoft Research, занимающаяся экспериментальными проектами и инновационными исследованиями, также работает над строительными материалами из биобетона в рамках проекта Zerix, сотрудничая с исследовательской группой Roumeli Research Group при Вашингтонском университете.

Не только стройматериалы

Стратегия дальнейшего развития облачного бизнеса Microsoft, предполагающая активное возведение софтверным гигантом центров обработки данных по всему миру, заставляет корпорацию также принимать превентивные меры в иных сферах, предвидя возможную критику со стороны жителей регионов, страдающих от засухи. Поэтому инженеры Microsoft ищут способы уменьшения количества воды, используемой дата-центрами.

Microsoft планирует сократить количество H2O, используемой своими центрами обработки данных на 95 процентов к 2024 году и в конечном итоге вовсе отказаться от применения данной жидкости в ЦОД. В центрах обработки данных Microsoft в настоящее время используется адиабатическое охлаждение, при котором для охлаждения серверов применяется внешний воздух. Это система, которая потребляет меньше электроэнергии, чем кондиционер, и меньше воды, чем градирня.

Но когда температура поднимается выше 29 градусов по Цельсию (85 градусов по Фаренгейту), внешний воздух становится непригоден для охлаждения серверов, ввиду чего происходит переход на испарительную систему охлаждения, использующую воду. Данная система охлаждает воздух, проталкивая его через пропитанные водой экраны.

Корпорация Microsoft раскрыла две стратегии, которые она планирует использовать для достижения своих целей в области водосбережения. Во-первых, исследования продемонстрировали возможность эксплуатации серверов при более высоких температурах, что позволяет установить более высокие температурные пороги срабатывания системы испарительного охлаждения. В относительно холодных регионах, включая Амстердам, Дублин, Вирджинию и Чикаго, данный подход позволяет полностью избавить ЦОД от потребности в воде уже в краткосрочной перспективе.

Но центры обработки данных Microsoft в пустынных регионах, где нехватка H20 является более серьезной проблемой, вероятно, будут продолжать потреблять воду еще долгие годы. Эксперты заявляют, что та же стратегия, которая может исключить использование воды в Амстердаме и Дублине, приведет к сокращению водопотребления в пустынных регионах только на 60 процентов к 2024 году.

Вот где на помощь приходит вторая часть плана Microsoft. Чтобы свести к нулю водный след в регионах с жарким и сухим климатом, инженеры софтверного гиганта планируют обратиться к инновационному способу охлаждения серверов. Речь о погружении вычислительных узлов в резервуары с жидким хладагентом на основе фторуглерода. При эксплуатации серверов выделяемое машинами тепло заставляет жидкость закипать, когда она достигает температуры 50 градусов по Цельсию (122 градусов по Фаренгейту).

Кипящая жидкость удаляет тепловую энергию, сгенерированную серверами, а затем превращается в пар, который поднимается вверх. Пар попадает на охлаждаемую крышку резервуара, конденсируется и стекает обратно в резервуар. Данный процесс позволяет создать систему охлаждения с замкнутым контуром, которая сокращает потребление воды и электроэнергии, помогая операторам ЦОД эффективно избавляться от тепла.

Технология многообещающая. Но заставить иммерсионное охлаждение работать в большом масштабе достаточно сложно. Инженеры Microsoft, анонсировавшие пилотный проект по обкатке иммерсионного охлаждения в апреле 2021 года, заявляют, что эта технология все еще находится на стадии исследований и разработок. По словам аналитиков исследовательской компании Dell’Oro Group, очень немногие центры обработки данных (вероятно, менее 2 процентов) сегодня полагаются на иммерсионное охлаждение.

Переход на иммерсионное охлаждение заставит Microsoft внести серьезные изменения в цепочки поставок, изучить, как нововведения повлияют на эффективность и надежность центра обработки данных, а также обучить персонал работе с новым оборудованием. В Microsoft отмечают, что корпорация будет применять поэтапный подход к развертыванию новых стратегий охлаждения для центров обработки данных.

Иммерсионная технология потребует новых, специально разработанных серверов, и инженеры Microsoft намерены дожидаться устаревания существующего серверного оборудования, чтобы заменить устаревшие машины новыми, пригодными для эксплуатации в тандеме с иммерсионным охлаждением.