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20 000 téraoctets sous la mer> ENGINEERING.com

L’océan, couramment utilisé pour stocker les sushis, pourrait bientôt abriter quelque chose de nouveau: des centres de données.

Les centres de données sous-marins sont les images les plus humides de Microsoft, et la société a récemment conclu la deuxième phase de son projet de recherche conceptuelle, Project Natick. Le 7 juin, après deux ans sous la surface, Microsoft a fouillé son centre de données expérimental sous-marin au large des îles Orcades écossaises. Les îles du Nord baptisées, autrefois un cylindre sous-marin intact, étaient incrustées de tiges et d’autres débris marins qui masquaient le logo Microsoft.

Pourquoi Microsoft veut-il mettre les centres de données dans l’océan?

Les îles du Nord sont déployées le 21 juin 2018 au Centre européen de l'énergie maritime dans le nord de l'Écosse. Il a été téléchargé deux ans plus tard, en juin 2020. (Source: Google Maps.)

Les îles du Nord sont déployées le 21 juin 2018 au Centre européen de l’énergie maritime dans le nord de l’Écosse. Il a été téléchargé deux ans plus tard, en juin 2020. (Source: Google Maps.)

Il y a trois raisons principales:

  1. Énergie. Jusqu’à 40% du centre de données de la Terre est utilisé pour refroidir l’électronique. En plaçant un centre de données sur le fond marin, vous pouvez profiter d’un refroidissement par eau plus efficace.

  2. Latence. La moitié des habitants de la planète vivent dans un rayon de 100 km de la côte. En plaçant des centres de données juste à côté du rivage, vous bénéficiez des retards sur les centres de données distants au milieu de nulle part.

  3. Évolutivité. Les centres de données terrestres doivent être conçus individuellement pour un emplacement spécifique. Avec un environnement marin uniforme, vous pouvez placer des modules de centre de données identiques partout où ils sont nécessaires.

Les origines du projet Natick

Sean James, un ancien marin de la marine américaine qui est devenu un employé de Microsoft, a d’abord présenté le concept de centre de données sous-marin 2013. L’équipe des projets spéciaux de Microsoft a été chargée d’évaluer l’idée et Project Natick est né (du nom de la ville de Natick, Massachusetts, sans raison particulière).

En 2015, Microsoft a réalisé la première phase du projet Natick, qui visait à démontrer la faisabilité des centres de données sous-marins. Le prototype était un navire nommé Leona Philpot (nommé d’après Bonjour personnage), qui a passé 105 jours sous l’océan Pacifique au large de San Luis Obispo, en Californie. Leona Philpot a réussi, prouvant que les centres de données peuvent effectivement fonctionner sous les vagues.

Leona Philpot a été déployée en août 2015 sur la côte californienne. (Image fournie par Microsoft.)

Leona Philpot a été déployée en août 2015 sur la côte californienne. (Image fournie par Microsoft.)

La deuxième phase du projet Natick visait à évaluer la logistique et l’économie de la commercialisation des centres de données sous-marins. Les îles du nord étaient un navire de taille normale et un centre de données entièrement fonctionnel, tandis que le plus petit Leona Philpot se composait principalement de fausses marchandises.

Après deux ans sous l’eau, le centre de données des îles du Nord semble avoir obtenu le même succès que son prédécesseur.

Comment fonctionne le centre de données sous-marin?

Le centre de données sous-marin est fondamentalement le même que son homologue à l’étranger, car le réservoir est rempli d’équipements informatiques et de stockage qui nous permettent de diffuser toutes les émissions sur Netflix. Les îles du Nord regroupent 864 serveurs et 27 600 téraoctets d’espace de stockage dans une cuve sous pression de 40 pieds de long (à peu près la taille d’un conteneur d’expédition standard).

Parce que Microsoft a plus d’expérience dans le développement de logiciels que les sous-marins, il a sollicité l’aide du groupe naval français pour concevoir et fabriquer le navire des îles du Nord.

Construction d'îles du nord dans le site Naval Group de la ville de Best en France. (Image fournie par Microsoft.)

Construction d’îles du nord dans le site Naval Group de la ville de Best en France. (Image fournie par Microsoft.)

Comme les autres centres de données, les centres de données sous-marins doivent contenir une infrastructure de refroidissement. La plupart des centres de données utilisent des ventilateurs pour faire circuler l’air froid à travers le serveur, puis des compresseurs pour refroidir cet air lorsqu’il devient trop chaud. Les compresseurs consomment beaucoup d’énergie et ces systèmes de réfrigération absorbent jusqu’à 40% de l’énergie totale du centre de données.

De nombreux centres de données plus récents utilisent une technique alternative appelée refroidissement à air libre. Au lieu de condenser le même air chaud encore et encore, le free cooling fournit de l’air extérieur pour refroidir le serveur, ce qui permet d’économiser les besoins énergétiques du compresseur et de réduire les coûts de refroidissement à seulement 10 à 30%.

En revanche, les îles du nord ont maintenu l’électronique avec un système froid d’échangeurs de chaleur du même type que l’on trouve sur les sous-marins. Les échangeurs de chaleur internes ont transféré la chaleur entre le serveur et le réfrigérant liquide, qui a ensuite été pompée dans les échangeurs de chaleur depuis l’extérieur du navire et transférée vers l’océan. Plus l’océan est froid, meilleure est la solution. À une profondeur de 36 mètres (118 pieds) dans les îles du nord, la température de l’océan est constamment inférieure à 15 ° C.

Leona Philpot, qui a utilisé la même méthode d’échangeur de chaleur, a atteint une consommation d’énergie de seulement 3% – la valeur la plus basse de tous les centres de données connus de l’équipe Natick. Microsoft n’a pas révélé les coûts de refroidissement des îles du nord, mais il est prudent de supposer une valeur tout aussi faible.

Pour qu’un système d’échangeur de chaleur sous-marin fonctionne correctement, il doit être protégé de ce qu’on appelle le bio-encrassement, un processus naturel de la vie marine qui nécessite un domaine éminent sur tout ce qui reste dans l’océan pendant plus d’une heure. Si les surfaces de l’échangeur de chaleur étaient envahies par la vie marine, le système deviendrait moins efficace.

Stéphane Gouret du Naval Group élève un oursin qui s'est installé dans les îles du nord. (Image fournie par Microsoft.)

Stéphane Gouret du Naval Group élève un oursin qui s’est installé dans les îles du nord. (Image fournie par Microsoft.)

Microsoft a testé l’utilisation de revêtements antisalissure et de dissuasifs actifs tels que le son et la lumière pour empêcher le bio-encrassement sur les surfaces des échangeurs de chaleur. Ces techniques se sont avérées efficaces sur les prototypes Natick, mais l’équipe continue de rechercher la prévention de l’encrassement biologique.

En plus des échangeurs de chaleur, Microsoft est heureux de fournir une maison pour la vie marine – en fait, l’équipe de Natick a déposé une demande de brevet pour l’utilisation de centres de données sous-marins comme récifs artificiels.

Le projet Natick transformera-t-il la mer en bain à remous?

La plupart de l’énergie pompée dans l’équipement informatique du centre de données est venteuse. Vous craignez donc peut-être que les centres de données sous-marins comme les îles du Nord entraînent une hausse des températures des océans. Et il le sera, de la même manière qu’une goutte de tabasco dans l’océan le rendra plus épicé.

«L’eau à quelques mètres en aval du navire de Natick deviendra plus chaude de quelques milliers de degrés au maximum», a expliqué l’équipe de Natick dans un article de 2017. Les courants océaniques dissipent rapidement toute chaleur provenant du navire de Natick, affirme l’équipe.

Ok, mais une dernière question demeure: combien de centres de données sous-marins faudrait-il mettre dans l’océan pour le chauffer à ébullition?

Les îles du nord consomment 240 kW d’énergie, alors prenons cela comme puissance thermique pour plus de simplicité. En fait, prenons beaucoup de choses pour simplifier et prétendons que l’océan est une masse d’eau uniforme d’une masse de 1,36 x 1021 kg, température de 3,52 ° C, capacité thermique spécifique de 3993 J / kg ° C et point d’ébullition de 406,05 ° C (sous haute pression – en moyenne 367 atm – d’où la température d’ébullition élevée).

Nous incluons maintenant ces nombres dans l’équation thermodynamique classique:

Où l’énergie Q est nécessaire pour changer la température T d’une valeur à une autre, étant donné la masse m et la capacité thermique spécifique c. Dans notre cas:

L’énergie sort à 2,2 x 1027 J ou 6,1 x 1011 TWh.

Pour mettre cela en perspective, l’année dernière, la planète entière a brûlé environ 1,6 x 105 TWh. Si nous continuions ainsi, il nous faudrait 3,8 millions d’années avant de rassembler suffisamment d’énergie pour faire le travail.

Mais supposons que nous ayons de l’énergie à notre disposition. Un centre de données des îles du Nord peut chauffer l’océan à une vitesse de 240 kW, soit 0,0021 TWh d’énergie thermique par an. Compte tenu de ce laps de temps, nous devrions 290 billions d’îles du nord travailler ensemble pour faire bouillir les océans. Et une tonne de spaghettis pour que ça rapporte.

Tout est dans l’environnement

Vous n’avez pas à vous soucier des centres de données sous-marins qui transforment les océans en bain à remous, et l’équipe de Natick est convaincue que tout effet de chauffage local sera négligeable. Cependant, cela ne signifie pas que nous devons arrêter l’enquête.

«Les protocoles de planification de l’espace marin et les permis de travail devraient continuer à être accompagnés de toute évaluation d’impact sur l’environnement», prévient le biologiste marin Dr. Gordon Watson.

Malgré ces inquiétudes potentielles, Microsoft positionne Project Natick comme une solution verte (ou devrait-elle être bleue?). En plus d’utiliser moins d’énergie qu’un centre de données traditionnel, les îles du Nord étaient également alimentées à 100% par des énergies renouvelables provenant de sources éoliennes, solaires, marémotrices et houlomotrices. Microsoft prévoit que les futurs centres de données sous-marins pourraient être situés à côté de parcs éoliens terrestres ou d’autres sources d’énergie renouvelables locales.

Ocean est-il vraiment un bon endroit pour un centre de données?

L’océan est peut-être le meilleur endroit pour un centre de données. Bien que Microsoft analyse toujours les données dans les îles du nord, il y a de nombreux avantages à approfondir les données:

C’est spacieux. La terre est chère, surtout à proximité des grandes colonies. Les fonds marins près de la côte offrent un espace presque illimité pour les centres de données qui peuvent rester à proximité des grandes villes.

C’est sur. Les centres de données traditionnels ne sont pas faciles à pénétrer, mais vous savez dans quoi il est encore plus difficile de pénétrer? Centre de données au fond de l’océan. Avec ses 36 mètres de profondeur, les îles du Nord sont à la portée des plongeurs avec un équipement normal (c’est pourquoi cette profondeur a été choisie – juste au cas où quelqu’un aurait besoin d’y atterrir). Le déploiement commercial serait encore plus profond.

Il est fiable. Les îles du nord étaient un centre de données éclairé, ce est à dire. Ils ne sont pas conçus pour que quiconque puisse y pénétrer. L’environnement sombre du récipient était constitué d’azote sec sous une pression de 1 atm. Sans oxygène corrosif et sans techniciens interférant avec les composants, les équipements informatiques des îles du nord ont connu un taux de défaillance de seulement 1/8 d’une réplique à terre. L’équipe Natick étudie toujours les raisons du faible taux d’échec, mais la température de fonctionnement plus froide dans les îles du nord pourrait également avoir été un facteur contributif.

Les serveurs à bord des îles du Nord étaient huit fois plus fiables que le même équipement à terre. (Image fournie par Microsoft.)

Les serveurs à bord des îles du Nord étaient huit fois plus fiables que le même équipement à terre. (Image fournie par Microsoft.)

Quelle est la prochaine étape pour les centres de données sous-marins?

Microsoft n’a révélé aucun détail sur la troisième phase de Natick. Nous ne savons pas si le projet se poursuivra ou s’il est mort dans l’eau. Mais s’il n’y a pas de revers sérieux dans lesquels Microsoft s’est engagé, Project Natick semble être une réussite continue.

«S’il y avait une phase suivante, ce serait un pilote», a expliqué Ben Cutler, chef de projet de Natick, dans un épisode de 2018 du podcast Microsoft Research. «Et maintenant, nous parlons de construire quelque chose à plus grande échelle. Alors peut-être que c’est plus un navire. Il peut y avoir une technologie de mise en œuvre différente de celle que nous avons utilisée cette fois, pour atteindre une plus grande efficacité. Ce sont les choses auxquelles nous commençons à penser, mais en ce moment, nous avons cette grande chose dans l’eau [Northern Isles] et nous commençons à apprendre. « 

Le navire commercial de Natick ressemblerait probablement aux îles du nord, qui sont conçues pour un transport et un déploiement faciles (selon Microsoft, moins de 90 jours entre l’usine et l’exploitation). Les îles du Nord ont été conçues pour cinq ans de fonctionnement sans entretien, après quoi le navire commercial serait retiré et installé avec de nouveaux serveurs avant de couler à nouveau. Après plusieurs répétitions, le navire serait recyclé et le fond marin revenait à son état naturel.

Pour l’instant, nous nageons toujours dans la partie peu profonde des centres de données sous-marins. Mais à mesure que l’utilisation des centres de données augmente, il n’y a peut-être pas de meilleur endroit où aller.

Pour en savoir plus sur la manière dont Microsoft expérimente les centres de données, lisez les avantages et les inconvénients des piles à hydrogène en tant que générateurs de secours.