数据中心能耗之困
在数字经济时代，算力成为一种新的生产力，广泛融合到经济与社会的方方面面，为各行各业的数字化转型提供基础动力。作为算力的物理承载，数据中心成为数字经济的关键基础设施。受国家政策引导及社会需求驱动，我国数据中心规模快速增长。按照标准机架2.5kW统计，截止2021年年底，我国在用数据中心机架规模达到520万架，近五年年均复合增速超过30%。同时，数据中心行业成为重要的经济增长点。2021年，我国数据中心行业市场规达到1500亿元，年均复合增长约30%。
近年我国数据中心规模及增长率
（数据来源：工信部）
数据中心快速发展的同时，也面临着能耗、土地、水资源等多方面挑战。
01、数据中心具有高能耗特征
由于需要大量电力维持服务器、存储设备、冷却系统等基础设施运行，数据中心能耗较高。据测算，电力成本占数据中心运营总成本的60%-70%。2021年，全国数据中心能源消耗达2166亿干瓦时，较2020年增加44%，占全社会用电量的2.6%。因此，数据中心的节能减排成为我国实现双碳目标的重要任务。
02、土地资源成为数据中心发展瓶颈
在过去很长一段时间，为了满足不断增长的用户数据需求，数据中心主要是通过增加空间，扩大机架和服务器规模来提供更多算力，但是这也会导致数据中心运营成本的增加和数据中心场地空间的浪费。虽然国家通过东数西算等政策措施，引导部分数据中心向西部发展，但是为满足数据时延等技术要求，沿海发达地区又不得不维持相当规模的数据中心。当前，经济发达地区日益紧张的土地资源使得以扩大服务器规模来提升算力规模的数据中心建设模式面临挑战。
03、数据中心运行对水资源的需求高
数据中心的设备十分精密，通常采用的水冷却，必须使用淡水。据统计，一座数据中心每天消耗数以百万加仑(1加仑约合3.8升)的水，用来冷却因运转而发热的设备。如此大的体量，对于水资源相对匮乏的我国来说，在水资源利用率上是一项严重挑战。
脑洞大开向海底进军
为解决数据中心发展面临的能耗及资源挑战，业界持续进行探索。这其中，国际IT巨头微软大开脑洞，将服务器放在密封舱中，安置到海底，利用海水的流速、体量给服务器进行散热，取得了惊人的效果。
2013年微软的一名工程师提出了一个想法:能否将数据中心放到水下?这个看似疯狂的想法，引起了微软研究院特殊项目主管Norm Whitaker的关注。Norm随即组建团队研究这一想法的可行性，并于2014年底启动了“Natick“项目，开始探索海底数据中心。
2015年“Natick“项目在微软内部受到高层重视并被迅速推进。微软为一期试验研制了一个高3米、直径2米的圆柱形海底数据舱，用于放置服务器。为了提高服务器的稳定性，微软还将这个密封数据舱注入了加压氮气。同年8月，全球首个海底数据中心被运送到加州海域，开始了为期4个月的水下测试。测试结果显示，数据中心能够在海底环境平稳运行。
为了进一步改进海底数据中心，微软邀请法国Naval集团及海洋科技公司Green Marine参与设计部署与维护工作。2018年8月该计划进入第二期试验。微软在苏格兰北部海域布放了一个长12.2米、直径2.8米的数据舱。舱里装的是一个云计算单元，IT电量240KW，共12个机架、864个服务器。项目团队之所以选址于此，部分原因是这里的电网100%由风能、太阳能，以及其他实验性绿色能源进行电能供给。2020年9月第二期数据舱回收后，测试结果很成功，864个服务器只有8个出了故障。相比陆地同等规模的云计算单元，故障率仅为陆地的八分之一。
微软海底数据中心入水测试
微软通过实践证明，服务器在海底密闭惰性气体环境中工作，可靠性是陆地机房的8倍。现在企业级业务的可靠性要求越来越高，为了将可靠性提高一个量级，传统上最直接的办法就是增加一倍的投入，建立并行的双中心，以百分百的兄余换取可靠性。而海底数据中心不增加建设规模就能提高8倍可靠性，不得不让人赞叹微软的创意。
据悉，“Natick“项目三期已经开始。第三期规模更大，微软将12个数据舱整合在同一结构架上。整个系统的功率大约为2.8MW，相当于一个标准微软Azure云节点。微软提出，未来海底数据中心可以100%使用风能、太阳能、潮汐能等清洁能源，达到零碳排放，并且支持5年内免维护，实现“熄灯“式数据中心。
微软为什么会如此快速地推进这个看似疯狂的计划?简单来说有三点原因:绿色低碳、靠近用户以及更低故障。依靠低温洋流和巨大体量，海洋对于数据中心散热来说，无疑是一个浩瀚的天然冷库。这意味着可以大大降低数据中心的能耗。随着全球数字服务从通用云计算转向”云计算+边缘计算”，数据中心将部署在更加靠近客户的区域。全球的发达城市多为沿海城市。这些沿海城市聚集了全球超过半数的人口及网络需求。这些网络需求都依赖于数据中心的支撑。微软正在为数据中心探索更加可持续的运行方式。未来海底数据中心很少需要使用替换零件，而这一变化将直接减少制造业中的碳排放以及资源浪费。在一个恒温、恒湿、恒压的无氧环境中，海底数据中心仅需每五年维护一次，在此期间只需将个别出现故障的服务器隔离停用即可，大大降低数据中心的维护和管理成本。这对于微软乃至全球数字经济的转型都具有深远意义。
中国海底数据中心异军突起
微软的“Natick“项目受到业内广泛关注。而在国内，海兰信则是在海底数据中心领域最早吃螃蟹的海洋科技公司。在IDC领域，相较于阿里、腾讯等互联网巨头，知道海兰信的人并不多。不过凭借多项“国内首创”的成绩，海兰信是名副其实的专精特新"小巨人"，例如我国首台具有自主知识产权的船舶通信VDR设备，中国船级社CCS全球首例认证，乃至中国首个海底数据中心解决方案等。
凭借二十多年专注于海洋科技的研发，海兰信消化吸收国际先进技术，进军海底数据中心领域。2020年11月，海兰信在珠海完成了第一次小试样机测试，测试期间样机的密封、压力、冷却、电力、耐腐蚀等各项系统均运作正常，没有故障情形发生。
经过三个月的实际测试，单舱能耗PUE值仅为1.076。在测试海域温度远高于微软项目的情况下，达到了同等技术指标。PUE是衡量数据中心能耗的重要指标。传统数据中心的PUE大约为1.5。国家要求提高数据中心能效，新建的数据中心PUE不得高于1.3。海底数据中心的低能耗可见一斑。
由第三方环评机构给出的环评报告显示，我国海底数据中心仅仅对水流下方3米内产生小于0.2度的温升，对海洋环境友好，
2021年5-8月，海兰信联合海南电信在海南澄迈进行了第二次测试，将运营商IT业务引入大海。实验结果证明，海南数据舱内运行的IT服务器网络效能属于互联网数据中心最高级别，可以承载对延时性、互通量要求最高的业务。
海兰信海底数据中心示意图
海底数据中心评测报告
测试项目成功后，海兰信趁热打铁，在海南启动了国内首个海底数据中心示范项目。海南作为热带岛屿，其区域内数据中心发展长期存在能源短缺、淡水和土地有限、高温高湿气候环境台风高发的问题，同时未来自贸岛对数据中心的需求难于估量。在海南岛这类热带沿海地区，海底数据中心独特的价值特征将更加凸显。
海南海底数据中心项目计划分三期进行。第一期示范工程项目(2022)计划建设并布放海底数据中心5-6个舱，海底分电站1个，建设岸站基地1座(包含动力中心、运营中心、测试中心及科研配套园区等设施)，铺设光电复合海缆2条。预计投资规模6.5个亿;
第二期为规模化开发项目(2023-2024)，将完成合计50个舱及岸站整体的建设，预计投资规模达到28个亿;
第三期为商业化推广开发项目(2025-);将完成合计100个舱的建设，海底数据中心产业链形成，预计投资规模达到56个亿。
海底数据中心示范项目产业化应用稳步推进。该项目一期客户包括海南电信、商汤科技、光环新网和ATLAS(新加坡)公司，分别代表电信运营商、人工智能、第三方数据中心运营商.WEB3.0等不同应用场景。二期计划引入更多头部互联网和超算客户。长期来看，海南自贸岛封关后，海南将迎来大量的离岸数据中心需求。海底数据中心将助力海南自贸岛和"智慧海南"建设。未来海底数据中心有望不断拓展，向珠三角、长三角、福建、山东等沿海发达地区延伸，为“东数西算"提供补充，逐步建立起以海底数据中心为核心的综合性海洋新技术产业园。
不止于绿色低碳
依靠海水自然冷源及密封舱内恒温、恒湿、恒压等特点，海底数据中心在省电、省地、省水、低时延、高算力、高安全、高可靠、快速部署等方面拥有一系列优势，符合数据中心绿色低碳的发展趋势，符合超算、人工智能等对高算力的需求，符合“熄灯"式数据中心的技术取向，将有力促进数字经济及海洋经济的创新发展。
海底数据中心将为国家绿色低碳发展做出海洋领域新贡献。单舱PUE低至1.076，能耗较传统数据中心低30%，对比中等规模的典型数据中心(25000kw)每年可减少碳排放超过6万吨。配套岸站占地极少，可节约大量土地资源;没有冷却塔，较典型规模数据中心年省水60万立产米。此外，利用海底数据中心与海上风电场、潮汐能电厂等距离近的优势，辅助储能技术，推动
海底数据中心与清洁能源联合开发，可逐步实现“碳中和”的最终目标。海底数据中心可促进海洋经济的立体创新。在布放海底数据中心的海域，还可以发展海上新能源、海洋观测、海洋旅游等，形成大型海上产业体系数字化孪生，共同构筑海上物联网。例如，海底数据中心与海上风电场在选址考察、施工安装、基础设施、项目运营等多方面具有通用性，甚至海上风电机的支柱本身就可以作为海底数据中心的舱室。如果能够联合开发，将大大降低两者的综合成本，实现一举多得。
海底数据中心将为沿海地区居民提供更好的数字经济服务。全球人口的一半生活在距离海洋200公里以内区域，沿海部署海底数据中心，在地理距离上更靠近用户，时延更低。海底数据中心的服务器可靠性高，适合成为内容分发网络中的节点，丰富节点性质，适宜超算中心的高算力分布式节点需求，有利于保证整个网络的高效率、稳定性和完整性。
多产业协同助力海洋强国
海底数据中心将为“一带一路”发展提供重要支撑。东南亚国家如新加坡常年天气炎热且潮湿，对传统的冷却系统高度依赖导致能耗严重，且国土面积狭小，已经无法支撑数据中心的未来发展。沿着一带一路海域投资建设海底数据中心，将不仅有利于助力亚太区数字经济转型、推进全球信息数据高速互联，还可为国家“一带一路“倡议实施提供高水平方案支撑
写在最后
海底数据中心符合我国双碳发展目标和新型数据中心发展战略。国家发改委、工信部等部门先后出台了《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求 推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》、《十四五工业绿色发展规划》等政策，鼓励探索利用河湖、海洋等优势资源建设全时自然冷数据中心，充分发挥气候水文和地形地貌等自然条件天然优势，因地制宜促进数据中心节能降耗。海南、广东、山东等地的海洋经济发展十四五规划，也不同程度提出要促进海底数据中心研发及建设。这些政策为海底数据中心发展指明了方向。
韩国科学技术院设计的海底实验室及数据中心