9 идей для строительства ЦОД будущего: от пещер и дна океана до стратосферы и космоса

Учитывая экспоненциальный рост спроса на инфраструктуру ЦОД, а также ужесточение требований к ее эффективности и устойчивости, проектировщики и строители дата-центров все чаще берут на вооружение нетривиальные концепции. От деревянных модулей ЦОД до дата-центров в стратосфере, под поверхностью водоема и даже на Луне – предлагаем обзор новейших подходов и достижений в области развертывания вычислительных мощностей. Возможно, некоторые из них скоро станут мейнстримом – основой передовых ЦОД будущего.

1. Деревянные модули

В ноябре 2023 года поставщик вспомогательного оборудования для дата-центров Vertiv представил TimberMod. Это, как отмечают представители вендора, экологически чистый деревянный дата-центр с модульной архитектурой. Конструкция и используемые материалы призваны помочь организациям сократить углеродный след и достичь поставленных целей в области устойчивого развития, улучшая корпоративный имидж.

Модули TimberMod создаются с использованием древесины, заготовленной экологически чистым способом с соблюдением принципов устойчивого развития. У стандартных зданий ЦОД, которые часто состоят в основном из невозобновляемых ресурсов, включая сталь и цемент, «углеродный след» гораздо выше.

TimberMod позиционируется как деревянный апгрейд для модульных ЦОД из линеек Power Module и SmartMod. Вендор обещает надежную работу в условиях сейсмической активности и высоких ветровых нагрузок.

Хотя деревянные центры обработки данных могут показаться радикальной концепцией, Vertiv — не первая компания, которая использовала древесину в качестве основного компонента при возведении зданий для размещения серверов. В 2019 году колокейшн-провайдер EcoDataCenter открыл один из самых устойчивых в мире дата-центров под названием EcoDataCenter 1 в Фалуне, Швеция. Помимо использования энергии ветра и воды для 100-процентного удовлетворения потребностей в электричестве, этот дата-центр построен в основном из поперечно-клееной древесины.

С учетом того, что на производство цемента приходится около 8% мировых выбросов двуокиси углерода, здания из устойчиво заготовленной древесины действительно представляют интерес. Но как насчет пожарной безопасности — является ли древесина подходящим материалом для размещения серверов и другого критически важного оборудования?

Приверженцы этой концепции отмечают, что поперечно-клееная древесина отличается по характеристикам от обычной. Она фактически самозатухающая и может выдерживать полноценный пожар в течение полутора часов. Для минимизации рисков также применяется технология инкапсуляции конструкции. Этот метод соответствует актуальным стандартам безопасности, включая Eurocode 5, и признан приемлемой практикой в строительных нормах.

2. Подводные вычислительные кластеры

Корпорация Microsoft, запустив пилотный проект Natick, помогла сделать подводные дата-центры более популярными. Однако такой подход сопряжен со многими трудностями. Скептики утверждают, что развертывание серверов под водой никогда не будет целесообразным в больших масштабах. Сторонники концепции апеллируют к многочисленным преимуществам:

• Решение проблемы дефицита стройплощадок. Поскольку океаны покрывают около 70% поверхности Земли, недостатка в местах для развертывания подводных дата-центров нет. Подводный ЦОД может оказаться особенно ценным в условиях, когда требуется разместить вычислительные мощности вблизи крупных населенных пунктов, где не хватает неосвоенных земель.
• Низкие затраты на охлаждение. Традиционные методы охлаждения ЦОД дороги и требуют большого количества электроэнергии. Подводные дата-центры можно охлаждать забортной водой сверхэффективным способом.
• Устойчивые источники электроэнергии. Подводные серверные фермы могут использовать морские возобновляемые источники энергии, включая приливные и ветровые электростанции.

Но чтобы эта концепция получила широкомасштабное воплощение, придется преодолеть ряд серьезных проблем, включая следующие:

• • Техобслуживание. Когда необходимо заменить сервер, отправка персонала под воду для выполнения требуемых работ (или подъем дата-центра) оказывается экспоненциально сложнее, чем в случае стандартного техобслуживания наземной серверной фермы. Автоматизация и роботизация могут помочь. Но пока эти технологии ни получили достаточно широкого распространения.
  • Сетевое подключение. Единственный возможный способ обеспечить высокопроизводительное сетевое подключение — подключить ЦОД кабелям к суше. Это осуществимо, но дорого. Особенно для подводных дата-центров, расположенных далеко от берега.
  • Физическая безопасность. В некоторых отношениях подводные серверные фермы являются сверхзащищенными от физических вторжений, поскольку нарушителям будет исключительно сложно проникнуть в них незамеченными. С другой стороны, они могут стать легкой мишенью для террористических атак. Злоумышленникам легче уничтожить ЦОД, расположенный на дне моря, чем на здание на суше.
  • Источники электричества. Идея получения электроэнергии из возобновляемых морских источников звучит привлекательно, но эти источники не всегда надежны. Например, морские ветряные электростанции прекращают работу в безветренные дни, а океанские течения могут смещаться, останавливая генераторы, которые от них зависят. Инженерам подводных серверных ферм необходимо разработать резервные источники электропитания, чтобы сделать их достаточно надежными.

Компания, которая решит эти проблемы, чтобы сделать широкомасштабное развертывание подводных дата-центров практичным, может получить огромную прибыль. Но барьеры для входа высоки.

3. Летающие дата-центры

В 2023 году исследователи описали инновационную концепцию парящих в воздухе IT-кластеров, которые могут использовать стратосферу для охлаждения. Эксперты не исключают, что эти объекты, похожие на дирижабли, однажды могут решить проблемы устойчивости отрасли ЦОД.

Идею предложила группа исследователей из Университета науки и технологий им. короля Абдаллы в Саудовской Аравии. Их футуристическая концепция предполагает размещение серверов в наполненных гелием парящих платформах. Помимо охлаждения за счет стратосферы предлагается использовать солнечную энергию для электроснабжения инфраструктуры.

Предполагается, что платформы будут иметь фиксированную локализацию – они не смогут двигаться. Учитывая высокую скорость ветра в стратосфере, потребуется дополнительная тяга для стабилизации. Энергия для движения будет обеспечиваться солнечными батареями, работающими в дневное время и передающими излишки электричества в массивы литий-серных батарей или водородных топливных элементов, которые будут использоваться в ночное время.

Исследователи поспешили подчеркнуть многочисленные проблемы, которые необходимо преодолеть, чтобы парящие в воздухе ЦОД стали реальностью. Например, неблагоприятные погодные условия в стратосфере требуют развертывания специально адаптированных и более устойчивых электронных устройств. Также придется организовать трудоемкое техническое обслуживание как дирижабля, так и серверов, а также вспомогательных систем.

Предстоит пройти долгий путь, прежде чем эта концепция станет реальностью. Но возможность эксплуатировать дата-центр без необходимости энергозатратного и дорого охлаждения, а также подключения к электросети, достаточно интересна.

4. ЦОД без людей

На первый взгляд, концепция полностью автоматизированного дата-центра может показаться научной фантастикой. Но такие ЦОД уже существуют. И есть веские основания полагать, что в ближайшие годы соответствующая концепция станет гораздо более популярной.

В большинстве современных дата-центров обычно находится не так уж и много людей. Но стандартным северным фермам требуется, по крайней мере, несколько сотрудников, которые могут выполнять такие задачи как контроль за электропитанием и системами охлаждения, обслуживание и управление серверами.

Концепция автономного ЦОД предполагает, что там почти никогда нет персонала. Персонал может посещать дата-центр очень редко для проведения технического обслуживания. Но стандартные операции настолько автоматизированы, что ЦОД может работать неделями или месяцами без человеческого вмешательства.

Главное преимущество – экономия при эксплуатации за счет де-факто упразднения персонала. Кроме того, автоматизированные ЦОД, как правило, проектируются для обеспечения высокой степени надежности и отказоустойчивости.

Архитекторы, которые проектируют обычный дата-центр, могут не уделять особого внимания способности теплохладотехники, силового оборудования и других систем автоматически восстанавливаться после сбоев. Предполагается, что люди будут рядом, чтобы все исправить. В автоматизированной серверной ферме надежность в приоритете, что снижает риски.

Но ее проектирование и строительство может быть более затратным. Кроме того, есть риск того, что если что-то действительно пойдет не так, то на исправление может потребоваться больше времени и ресурсов. Почему? Из-за отсутствия на месте персонала, который мог бы немедленно отреагировать.

Не стоит ожидать, что в ближайшее время большая часть дата-центров станет полностью безлюдной. Но все больше компаний будут пользоваться преимуществами автоматизации для снижения затрат и повышения надежности.

5. Беспроводные дата-центры

Среднестатистическому оператору ЦОД идея создания беспроводной серверной фермы может показаться мечтой. Устранение физических сетевых кабелей, которые обычно соединяют серверы, может значительно упростить настройку и управление IT-оборудованием.

Технологии беспроводных сетей продолжает развиваться. Современные сети способны передавать гораздо больше данных и на гораздо более существенные расстояния, чем их предшественники. Но это, к сожалению, не означает скорый отказ от физических сетевых кабелей. Да, практические примеры использования беспроводных сетей в дата-центрах есть. Но их распространение остается ограниченным из-за ряда проблем:

• Пропускная способность сети. Одним из самых больших ограничений является то, что беспроводные сети имеют меньшую пропускную способность, чем большинство проводных аналогов. Актуальный стандарт беспроводной передачи данных 802.11ax поддерживает максимальную скорость менее 10 Гбит/с. Это лишь малая часть потенциала проводных сетей Ethernet, которые могут передавать до сотен гигабайт в секунду. Для многих дата-центров беспроводная связь недостаточно быстрая.
• Безопасность. Технологии обеспечения безопасности беспроводных сетей прошли долгий путь. Изначально большинство сетей были незашифрованными или полагались на легковзламываемые алгоритмы шифрования вроде WEP. Но даже сейчас беспроводные сети менее защищены, чем проводные. Любой, кто находится в непосредственной близости от беспроводного маршрутизатора, может перехватывать и потенциально декодировать проходящие через него пакеты. Проделать подобный с проводными сетями сложнее, поскольку нужно будет подключиться к проводу, чтобы перехватывать пакеты. Это потребует обхода физических средств контроля безопасности. Вдобавок есть возможность нарушить работу ЦОД путем «глушения» беспроводных сетей.
• Сетевые помехи и проблемы с производительностью. Даже если никто намеренно не пытается «глушить» беспроводные сети, ЦОД могут пострадать из-за помех при наличии рядом сетей, использующих те же частоты. Это выльется в потери пакетов, повышенные задержки и другие проблемы с производительностью.

Даже если удастся организовать передачу данных между всеми серверами в ЦОД по беспроводным каналам, внутри него все еще будут располагаться силовые кабели. Да, беспроводная передача электричества — реально существующая технология. Но эта технология недостаточно продвинута, чтобы применяться в ЦОД, где критически важен сверхнадежный, высокомощный источник электропитания.

6. Серверные фермы на ядерной энергии

Малые модульные ядерные реакторы (ММР) позиционируются как электростанции «конвейерной» сборки, которые можно транспортировать и устанавливать на площадке заказчика. Они более доступны, их проще и быстрее строить, чем большие реакторы. Эти преимущества делают ММР отличным кандидатом для работы в тандеме с дата-центрами, энергетические потребности которых быстро растут.

Стартапы и большие компании, развивающие эту технологию, отмечают, что эти ядерные реакторы следующего поколения безопасны и, в отличие от электростанций на базе ископаемого топлива, не будут выбрасывать двуокись углерод и другие загрязняющие атмосферу вещества в процессе выработки электроэнергии. Это поможет операторам ЦОД в достижении целей в области устойчивого развития.

Россия первой развернула ММР в 2020 году, создав в портовом городе Певек на Дальнем Востоке плавучую электростанцию под названием «Академик Ломоносов», состоящую из двух ММР мощностью 35 МВт. Всего, по данным МАГАТЭ, разрабатывается около 80 коммерческих ММР. Установки находятся на стадии лицензирования или строительства в Аргентине, Канаде, Китае, Южной Корее и США.

Поставщики ММР планируют запустить первые коммерчески доступные реакторы для нужд серверных ферм в конце «двадцатых» или начале «тридцатых». Но пока остается много препятствий, включая технические моменты и получение одобрения регулирующих органов.

Идею поддерживают многие технологические гиганты. В сентябре 2023 года корпорация Microsoft открыла вакансию для эксперта по ядерным технологиям, который должен возглавить работу по использованию ММР и микрореакторов для обеспечения электроэнергией ЦОД.

Из-за длительных негативных последствий ядерных катастроф в Чернобыле, Три-Майл-Айленде и Фукусиме общественность может воспринимать «мирный атом» как источник значительных рисков. Однако ММР были перепроектированы, чтобы стать намного безопаснее. Они представляют гораздо меньший риск из-за меньшего размера, более простой конструкции и других особенностей.

В отличие от традиционных крупных ядерных реакторов, малые модульные реакторы не требуют вмешательства человека или внешней энергии/силы для остановки. ММР — это пассивные системы, которые могут отключаться самостоятельно с помощью физических явлений, таких как естественная циркуляция, конвекция, гравитация и самонагнетание. В случае аварии функции безопасности ММР исключают или значительно снижают потенциальный выброс небезопасного радиоактивного материала в окружающую среду. ММР также производят значительно меньше ядерных отходов.

7. Подземные дата-центры

Эксплуатация дата-центров, расположенных на глубине десятков и сотен метров под землей в заброшенных известняковых шахтах, бункерах или военных базах позволяет добиваться снижения эксплуатационных расходов и выбросов двуокиси углерода, одновременно повышая физическую безопасность критически важной инфраструктуры.

В частности, подземные ЦОД легче охлаждать ввиду более низкой температуры под поверхностью. Они также лучше защищены от наземных угроз вроде экстремальных погодных условий или природных катаклизмов (штормы и торнадо).

В теории того же можно добиться над землей, но всегда есть несколько неизвестных. Во-первых, сложно предвидеть наихудший сценарий. Во-вторых, можно сделать бетонный короб, способный выдержать мощнейшее торнадо, но как только в коробе появятся двери, он станет гораздо менее надежным.

8. ЦОД на водородном топливе

Водородная энергия долгое время считалась жизнеспособной альтернативой ископаемому топливу, несмотря на потенциальные недостатки. Сегодня водородное топливо рассматривается как способ радикального сокращения выбросов парниковых газов, связанных с эксплуатацией ЦОД.

Американское агентство НАСА использует водород для исследования космоса с 40-х годов прошлого века. Водородные топливные элементы поставляли большую часть электроэнергии для почти каждого пилотируемого космического полета с середины 60-х.

Но на Земле успехи скромнее. Особенно в контексте использовании водорода в качестве замены нефти в двигателях внутреннего сгорания — отчасти из-за более высокой воспламеняемости водорода, вызывающей преждевременное зажигание в традиционных двигателях. Даже когда был достигнут определенный успех, выяснилось, что сжигание водорода вместе с обычным воздухом производит много парниковых газов.

Сегодня ставка делается на сочетание технологии топливных элементов и водорода. Системы топливных элементов, работающие на водороде, спирте или метане, оказываются такими же надежными, как и любые другие распространенные системы генерации электроэнергии. А отсутствие каких-либо движущихся частей может существенно снизить расходы на техническое обслуживание из-за износа. Один небольшой недостаток заключается в том, что напрямую генерируется постоянный ток. В ЦОД большинство компонентов инфраструктуры работает на переменном токе. Проблему решает инвертор.

Газовая турбина — еще один способ использования водорода для выработки электроэнергии. КПД ниже, чем у топливных элементов. Но относительную эффективность газотурбинного генератора повышает тот факт, что он вырабатывает переменный ток, что устраняет необходимость в инверторной системе.

Несмотря на определенный прогресс, водороду предстоит пройти долгий путь, прежде чем стать основой (резервного) электропитания ЦОД будущего. Но его потенциал в контексте значительного сокращения выбросов парниковых газов сложно отрицать.

9. Дата-центры в космосе и на Луне

Некоторые считают, что вместо того, чтобы строить ЦОД на Земле (на суше, а также выше или ниже уровня моря), их следует размещать в космосе, где солнечной энергии предостаточно, а низкие температуры можно сочетать с инновационными подходами к рассеиванию тепла. Идея космических дата-центров не нова, но благодаря развитию коммерческой космонавтики (пример SpaceX показателен) она становится все менее фантастической. Причем концепцией интересуются даже госструктуры.

Для изучения потенциала космических центров обработки данных Еврокомиссия в 2022 году заключила контракт с производителем летательных аппаратов Thales Alenia Space на руководство исследованием ASCEND (Advanced Space Cloud for European Net Zero Emissions and Data Independence). В 2024 году компания Thales опубликовала результаты: ее специалисты назвали размещение нескольких ЦОД в космосе реализуемой задачей. Но чтобы существенно снизить их негативное воздействие на окружающую среду, понадобится более экологичная ракета.

Современные ракеты не особенно экологичны. Поэтому эко-преимущества размещения ЦОД в космосе при их использовании будут нивелированы. По мнению инженеров Thales Alenia Space, нужна ракета, которая производит в 10 раз меньше выбросов, чем современные аналоги. Это не невозможно, но потребуется время. Другими важными факторами являются защита оборудования от космической радиации и обеспечение возможности передачи данных между ЦОД и Землей на достаточно высоких скоростях.

Компания Thales сейчас составляет дорожную карту для дальнейшей проработки проекта. Цель — обеспечить финансирование для развертывания 13 «базовых блоков» космического ЦОД в 2036 году. В совокупности они будут иметь мощность 10 мегаватт. Это на порядок меньше чем в случае многих наземных дата-центров, но космический ЦОД потребует в 5 раз больше солнечных батарей, чем Международная космическая станция. Конечная цель — развернуть ЦОД мощностью около 1 гигаватта к 2050 году.