肖恩?詹姆斯（Sean James）在微軟的數據中心從事技術工作，當他向公司提出將服務器群組完全放到水下時，他的同事有點半信半疑。但對于之前在美國海軍潛艇服役過的詹姆斯來說，將整個數據中心淹沒在海浪之下意義非凡。●他認為，這種策略不僅能降低冷卻機器所需的成本（對許多數據中心運營商來說這是一筆巨大的開銷），還能降低建設成本，而且可以更方便地使用可再生能源運行這些設施，甚至提高數據中心的性能。 

詹姆斯與微軟的另一位工程師托德?羅林斯（ToddRawlings）一起，在微軟內部發放了一份白皮書，宣傳這一概念。白皮書解釋了在水下構建數據中心會如何幫助微軟及其他云提供商在環境可承受的條件下管理不斷增長的數據中心。

在很多大公司，這樣奇怪的想法恐怕早就不了了之了。但微軟的研究人員歷來喜歡通過創新來迎戰公司所面臨的重要挑戰，即使所需的工作遠遠超出微軟的核心專長。關鍵點在于聚集公司內外的專業人員，組建工程隊伍。

我們4個人組成了這樣一個核心團隊，負責測試詹姆斯的遠大想法。2014年8月，我們很快啟動了該計劃，稱之為內蒂克（Natick）項目。這樣稱呼并沒有特別原因，只是因為我們的研究團隊喜歡以馬薩諸塞州的城市給項目命名。僅僅12個月后，我們就構建了一個位于太平洋底的數據中心原型。 

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內蒂克項目不乏種種需要克服的障礙。首先，當然是保持數據中心大型鋼容器內部的干燥；其次是找出利用周圍海水冷卻內部服務器的最佳方法；最后還有一個問題是，如何處理會不可避免地粘在水下容器上的藤壺及其他海洋附著生物——如果有人將船只在水中放置一段時間，一定會很熟悉這種現象。粘性甲殼類生物將是一大挑戰，因為這類生物可能干擾服務器與周圍海水之間的熱傳遞。最初，這些問題使我們頗為沮喪，但我們逐一解決，采用的辦法通常是那些歷經檢驗的海洋工業解決方案。

但是，何苦自找麻煩？確實，使用海水冷卻計算機可以降低空調成本，還可以在其他方面改進操作，但是把數據中心放入水中也明顯會增加一些成本，并帶來不便。試圖把數以千計的計算機放在海底真的有意義嗎？我們認為有意義，原因如下。

舉例來說，它可以為像我們這樣的公司隨時隨地提供快速擴容的能力。企業規劃人員無須因未來可能需要擴容就早早地建設這些設施。對于這樣一個每年需要花費數十億美元來構建不斷增長的數據中心的行業，快速擴容可以極大地節約成本。

相比于陸地，在水下可更快地建造數據中心，原因很容易理解。如今，每個數據中心的建設都是獨特的。設備或許相同，但每個地方的建筑規范、稅收、氣候、勞動力、電力供應和網絡連接都不同。這些變量影響著建設的時長。我們還注意到它們對設備性能的影響，相同的設備在不同的地點，可靠性水平也不盡相同。

正如我們所見，內蒂克項目現場有很多大鋼瓶“吊艙”，每個吊艙可能包含幾千臺服務器。它們一起組成了水下數據中心，距離海岸幾公里，位于海平面以下50～200米之間的位置。吊艙可以懸浮在海床上方的某一深度，通過電纜系泊到海底；也可以直接被擱置在海底。

一旦數據中心吊艙部署完畢，它將保持原地不動，直到需要淘汰其內部的服務器群組；或者直到市場條件發生改變，我們決定將其轉移到其他地方。這是一個真正的“熄燈”環境，意味著系統管理員將進行遠程管理，在整個吊艙運行生命周期內，沒人進行零件修復或更換。

現在，想象一下，將即時制造應用于這個概念。吊艙可以在工廠中建造，裝備好服務器，準備運往世界各地。與陸地上的情況不同，海洋的環境非常單一，無論身處哪里，環境都是一樣的。因此，不需要定制吊艙，當任何地方出現計算容量不足時，我們都可以快速安裝吊艙，通過逐漸增加水下安裝的規模來滿足容量增長的需求。內蒂克項目的目標是，有能力在世界任何地方的沿海地點建立和運行數據中心，而安裝期縮短至（從決定部署時刻起的）90天以內。

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大部分新數據中心建造在電價便宜、氣候涼爽、地價不高以及不打擾附近居民的地方。這種方法的問題是，數據中心常常遠離人口中心，因此限制了服務器響應請求的速度。

對在線互動體驗來說，這樣的延遲可能會產生問題。我們都希望網頁加載迅速，《我的世界》或《光暈》等視頻游戲反應利落。未來幾年，會有越來越多互動豐富的應用程序，包括由微軟HoloLens及其他混合虛擬現實技術所實現的應用。因此，人們真正希望的是服務器盡可能靠近它所服務的人群，而這種情況目前還很少見。

世界上幾乎一半的人口居住在距離海洋100公里以內的區域，這或許是一個令人驚訝的事實。因此，將數據中心設置在靠近沿海城市的海岸附近，會比當今的做法更接近用戶。

如果這個理由還不夠，那么請考慮節約下來的冷卻成本。

以往，這類設施靠機械冷卻（如同家用空調）。設備通常可以將溫度保持在18～27攝氏度，但是用于冷卻的電量有時幾乎和計算機本身使用的電量一樣多。

最近，很多數據中心運營商轉向自由空氣冷卻，也就是不使用機械方式來冷卻，而是單純地使用戶外空氣。這樣做更經濟，冷卻所需的開銷只有原先的10%到30%，但是這種做法意味著計算機容易受外部空氣溫度的影響，因為有些地方相當熱。通常這也意味著不得不將數據中心置于高緯度地區，遠離人口中心。

此外，這些設施需要消耗大量的水，因為它們要先通過蒸發來略微降低空氣的溫度，然后空氣才吹向服務器。對于干旱多發地區來說，這是個難題，例如美國加利福尼亞。在有些地區，人口的不斷增長耗盡了當地含水層，許多發展中國家都面臨類似的情況。即使水資源豐富，空氣中的水蒸氣也會使電子設備更易被腐蝕。

內蒂克架構繞過了上述這些問題。數據中心吊艙內的標準計算機機架與熱交換器連接，熱交換器將氣體熱量傳遞給某種液體（可能是普通的水）。隨后液體被泵送到吊艙外部的熱交換器，外部的熱交換器又將熱量傳遞到海洋。經冷卻的流動液體隨后又被送入內部熱交換器以重復該循環。

當然，周圍的海水溫度越低，這個方案就越行之有效。即便在夏季或熱帶地區，要想得到低溫的海水，也只需要將吊艙放在足夠深的地方。舉例來說，在佛羅里達東海岸200米深的地方，水溫全年保持在15攝氏度以下。

2015年8月開始，我們對內蒂克吊艙原型進行測試。我們將其命名為“LeonaPhilpot”（根據Xbox游戲角色命名）。吊艙被浸入加利福尼亞州圣路易斯奧比斯波附近太平洋下僅11米深的地方，水溫在14～18攝氏度之間。

長達105天的實驗證明，將計算機放置水中，至少能維持與機械冷卻方法相當的溫度，而其所需能量比自由空氣冷卻法要低得多——只有后者的3%。這種能量消耗值低于我們已知的任何生產或實驗數據中心的結果。

由于不需要現場工作人員，所以數據中心無需電燈、空氣、停車場以及針對緊急情況的紅色按鈕，數據中心吊艙中也沒有氧氣。（工作人員在舒適的微軟辦公室控制內蒂克吊艙原型。）此外，這里也沒有水蒸氣和灰塵。這為電子產品提供了很好的環境，最大限度地減少了散熱和連接器腐蝕的問題。

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微軟致力于保護環境。例如，在滿足電力需求方面，公司盡可能多地使用可再生能源。在某種程度上做不到的時候，公司會購買碳補償。與這一理念一致，我們試圖將未來的水下數據中心部署在近海可再生能源附近——可以是海上風電廠，或者是利用潮汐、海浪、洋流發電。

上述能源在海洋中極其豐富，這意味著我們可以將人群聚集地、水下節能設備的安置處，以及大量綠色能源的獲取地結合在一起。就像當今的數據中心有時會是陸上可再生能源農場的主力租戶一樣，未來的海洋能源農場也可能如此。

另一個要考慮的因素是，有時獲得以傳統方式生成的電力并不容易，尤其是在發展中國家。例如，撒哈拉以南非洲地區有70%的人口無法接入電網。所以，如果想建立一個數據中心，使云服務更接近這些地區的人群，就可能還要為它提供電力。

通常，電力在10萬伏或更高的電壓下輸送，但最終服務器使用的是與我們常用的個人電腦相同的低電壓。將電網電力降低到服務器可以使用的電壓通常需要3個單獨的設備，還需要備用發電機和電池組，以防電網電力故障。

沿著近海能源安放水下數據中心有助于簡化工程師的工作。首先，以接近服務器的電壓生成電力，可以減少一定的電壓轉換量。其次，因為獨立風力或船用渦輪機都能給計算機供電，我們自然而然就有了后備方案。這樣可以大大減少電損耗和資金成本（以及復雜性），因為無需常規數據中心架構所涉及的備用設施（用于防止局部電網故障）。這種方式的另一個優勢是，它對陸上的唯一真正影響就是需要一兩條用于傳輸數據的光纜。

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闡述想法時，我們被問到的第一個問題都是：如何保持電子產品干燥？事實上，保持干燥并不難。很久以前，甚至早在計算機出現之前的很長時間，海洋工業就能夠保持海洋中設備的干燥，而海洋工業通常面臨的環境遠比我們所做或計劃要做的事情更有挑戰性。

第二個問題（早期我們也在尋找答案的一個問題）是如何最有效地冷卻計算機。我們探索了一系列奇異的方式，包括使用特殊的介電液體和相變材料，以及特殊的熱傳輸介質，諸如高壓氦氣和超臨界二氧化碳。雖然這些方式各有好處，但也帶來了一些棘手的問題。

盡管我們在不斷研究如何采用特殊材料進行冷卻，但近期并非迫切需要這些材料。內蒂克的淡水管道和散熱器式熱交換器提供了非常經濟、高效的冷卻機制，正適合為標準服務器降溫。

更為重要的一個問題我們也預見到了，那就是水下數據中心會吸引海洋生物，形成人造礁石。海洋生物的這種聚居過程被稱為生物污損。這一過程從單細胞生物開始，其后是以這些單細胞生物為食的稍大的生物，以此類推，一直向食物鏈上層延伸。

部署內蒂克原型后24小時內，螃蟹和魚就開始在容器周圍聚集。我們很高興為這些生物創造了一個家，所以我們主要的設計是考慮如何在不妨礙吊艙保持其計算機冷卻能力的情況下，維持這個生物棲息地。

尤其是，我們知道外部熱交換器上的生物淤積會妨礙其表面熱量的擴散。因此我們探討了各種防污材料和涂層的使用——甚至包括聲音和紫外線等震懾生物的手段——希望生物難以在上附著。雖然可以使用物理方式清潔熱交換器，但依靠這種干預措施是不明智的，因為我們的目標是盡可能簡化操作。

幸運的是，盡管是在一個極具挑戰的地帶（位于淺海，靠近海岸，那是海洋生命最豐富的地方），但內蒂克吊艙上的熱交換器在其第一次部署期間保持得比較干凈。不過生物污損仍然是一個需要積極研究的領域，我們會側重于不傷害海洋環境的解決辦法。 

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到目前為止，在測試部署期間，我們最擔心的是設備宕機。畢竟我們無法派技術員到某個服務器機架換掉壞掉的硬驅動或網卡，對硬件故障的響應必須遠程或自主進行。即便在微軟現在的數據中心，我們和其他人也一直在努力提高設備在沒有人為干預的情況下探測和解決故障的能力。而同樣的經驗和技術，也將被應用到未來的內蒂克吊艙。

那么安全性如何呢？如果數據中心在水下，數據是否安全，是否可以通過網絡或物理方式被竊取？絕對安全。內蒂克站點提供了與微軟陸地數據中心相同的加密級別和其他安全保證。水下數據中心沒有人，傳感器會敏銳地感知內蒂克吊艙周圍的環境，包括任何意想不到的訪客。

你可能想知道，來自水中數據中心的熱量是否會破壞當地的海洋環境。答案是不太可能。內蒂克吊艙產生的熱量會迅速與冷水混合并被潮流帶走。距離內蒂克吊艙下部幾米處的水溫最多增加千分之幾攝氏度。

所以對環境的影響將是微乎其微的。這點很重要，因為未來必然會建造更多的數據中心。如果我們的方法有效，并最終被大量采用，可能人們也不會看到那些數據中心，因為它們在水下工作。

作者：Ben Cutler, Spencer Fowers, Jeffrey Kramer,Eric Peterson