La construcción de Data Center es una tarea especializada, y los constructores han desarrollado formas particulares de manejarla. Pero, ¿qué haría usted si de repente tuviera que construir un Data Center bajo el agua?
Es una pregunta seria. Algunas pruebas realizadas en EE.UU. y China han demostrado que los recipientes a presión en el fondo del mar podrían prestar servicios de Data Centers, así como proporcionar beneficios en términos de fiabilidad y eficiencia. El despliegue comercial ha comenzado y los ingenieros están trabajando en las cuestiones prácticas.
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El lanzamiento de Natick de Microsoft
Todo comenzó con el Proyecto Natick. Un proyecto de Microsoft que prestó algunas cargas de trabajo de Azure desde un cilindro de 2,4 metros, a 9 metros bajo el agua en la costa del Pacífico de Estados Unidos en 2015. Microsoft siguió en 2018 con 12 racks de servidores en un contenedor de 12 m de largo, que funcionó durante dos años en 117 pies de agua en las Islas Orcadas de Escocia.
La fase 2, el experimento escocés se centró en "investigar si el concepto era práctico desde el punto de vista logístico, medioambiental y económico", por lo que dio varios pasos que se acercaron a un modelo de construcción comercial real.
Microsoft subcontrató el proceso de construcción a Naval Group, una empresa francesa de ingeniería naval con 400 años de antigüedad y experiencia en submarinos navales y energía nuclear civil.
El equipo de Microsoft presentó a Naval Group las especificaciones generales del Data Center submarino y dejó que la empresa se encargara del diseño y la fabricación de la nave desplegada en Escocia. Esto incluyó la creación de interfaces con otros sistemas, como su cable umbilical, y la entrega del sistema propiamente dicho.
"A primera vista, pensamos que hay una gran brecha entre los centros de datos y los submarinos, pero en realidad tienen muchas sinergias", comentó el que fuera CTO de Naval, Eric Papin.
Los submarinos son básicamente grandes recipientes a presión que tienen que proteger sistemas complejos, manteniendo las condiciones eléctricas y térmicas adecuadas.
El Grupo Naval utilizó un proceso de intercambio de calor ya utilizado para la refrigeración de submarinos. Conduce el agua de mar a través de los radiadores situados en la parte trasera de cada uno de los 12 bastidores de servidores y los devuelve al océano.
El tamaño de la fase 2 de Natick se eligió para facilitar su implantación comercial. Al igual que muchos Data Centers terrestres, la nave de Natick se diseñó para tener unas dimensiones similares a las de los contenedores de transporte utilizados en barcos, trenes y camiones.
El Data Center se cerró con pernos y se probó en Francia. Después se cargó en un camión articulado de 18 ruedas y se condujo a las islas Orcadas, incluyendo múltiples cruces en ferry. En Escocia, se fijó a la base triangular rellena de lastre que lo mantendría en el fondo del mar.
A continuación, una barcaza de pórtico recogió el Data Center y lo remolcó mar adentro hasta el lugar de despliegue final.
Según Microsoft, el experimento fue un éxito. En particular, descubrió que sus servidores de Natick fallaban ocho veces menos que los de tierra, porque estaban inmersos en una atmósfera de nitrógeno y no eran molestados por ningún ingeniero.
¿Qué pasó con la fase 3 de Natick?
Tras el éxito de la fase 2 de Natick, los observadores esperaban que Microsoft pasara directamente a un despliegue más comercializado. De hecho, la empresa patentó rápidamente la idea de un gigantesco "arrecife" de contenedores que contenían servidores, y las cosas parecían interesantes.
Ha aparecido una imagen del "Azure Natick Gen 3.12", que sugiere un cambio de capacidad. El diseño muestra una estructura de acero de 300 metros de largo que alberga 12 cilindros de Data Center similares a los de la fase 2. Se ha sugerido una cifra de 5 MW para la estructura total -y eso está en línea con una densidad de potencia bastante baja para los 144 racks que podría albergar-.
Si eso no fuera suficientemente ambicioso, Microsoft ha sugerido que podría agrupar varios módulos de 5 MW para crear zonas de disponibilidad de Azure bajo el agua.
Como cabría esperar de un proyecto que pasa de las pruebas al desarrollo, hay nuevos aspectos prácticos en el diseño. Cada bastidor tiene dos largos tanques de lastre que pueden llenarse de aire, por lo que la unidad puede flotar hasta su posición sin necesidad de buques de apoyo.
Una vez en el lugar, los tanques pueden llenarse de agua para hundirlo hasta el fondo marino.
A pesar de estos detalles, Microsoft ha dicho muy poco sobre una tercera generación de Natick, y declinó la invitación de DCD a dar más detalles.
Construction Supplement
Building the future of data centers
Pero a los estudiantes de Ingeniería de Sistemas de la Universidad de Maryland se les pidió que analizaran el probable ciclo de vida de un Data Center submarino, desde su necesidad, pasando por las operaciones, hasta su retirada.
Uno de los ensayos resultantes, publicado en Medium, decía: "Un ciclo de despliegue del centro de datos de Natick durará hasta cinco años, que es la vida útil prevista de los ordenadores contenidos en los servidores de aguas profundas. Después de cada ciclo de despliegue de cinco años, el Data Center se recuperaría, se recargaría con nuevos ordenadores y se volvería a desplegar. La vida útil prevista de un centro de datos de Natick es de al menos 20 años. Después de eso, el centro de datos está diseñado para ser recuperado, reciclado y redistribuido".
Aunque Microsoft se mantiene al margen de cualquier plan para comercializar sus ideas sobre Data Centers submarinos, incluyó algunas ideas de Natick en el Low Carbon Pledge, una promesa de dar libre acceso a una serie de patentes diseñadas para hacer los Data Centers más sostenibles.
Hacia China
Mientras tanto, el siguiente paso en la carrera de los Data Centers subacuáticos vino de China. Una empresa llamada Beijing Highlander puso en marcha un buque de pruebas de cuatro racks en el puerto de Guangdong a principios de 2021, y a finales de ese año ejecutó datos en directo de China Telecom en los servidores.
Ese mismo año, Highlander siguió rápidamente con una prueba más grande en el puerto de libre comercio de Hainan, y anunció que el primer Data Center submarino comercial del mundo se construiría con 100 de sus cabinas de datos, conectadas en red en el fondo del mar, conectadas a tierra por cables de energía y datos, y alimentadas con electricidad de baja emisión de carbono procedente de la central nuclear de Hainan.
Las regiones costeras de China están adoptando la idea de los Data Centers submarinos. El concepto está incluido en los planes económicos quinquenales de varias autoridades regionales chinas, incluidas las provincias de Hainan y Shandong, así como las ciudades costeras de Xiamen y Shenzhen.
En Hainan se firmaron contratos para entregar el Data Center en enero de 2022. Al igual que Microsoft, Highlander contrató a un socio de ingeniería marítima con más experiencia para que se encargara de la construcción del eventual Data Center.
Como su nombre indica, Offshore Oil Engineering Co (COOEC) es una empresa marítima con un historial en la industria petrolera. Anunció su asociación con Highlander en un comunicado que deja claro que ve el proyecto del Data Center como parte de un cambio de la industria petrolera a una estrategia de bajas emisiones de carbono.
COOEC afirma que el proyecto del Data Center de Hainan le permitirá "ampliar sus productos tradicionales de ingeniería de petróleo y gas en alta mar a nuevos negocios en alta mar". Además, afirma que está dispuesta a entrar en industrias de ingeniería marina ecológica, como la energía eólica marina.
La empresa afirma que está trabajando en cabinas de datos en su planta de fabricación de Tianjin Lingang, que se desplegarán en aguas de 20 metros de profundidad frente a la costa del puerto de libre comercio de Hainan.
Según el anuncio, las cabinas pesarán 1.300 toneladas (el equivalente a unos 1.000 coches) y estarán conectadas a tierra a través de un tanque "placenta" de 3,6 metros de diámetro. COOEC afirma que esto la convertirá en la mayor cabina de datos submarina del mundo -aunque por lo que sabemos en la DCD, con la retirada de la fase 2 de Natick, será más o menos la única cabina de datos submarina, además del buque de pruebas Highlander, más pequeño-.
Están surgiendo detalles sobre los esfuerzos que COOEC y Highlander están realizando para ofrecer una solución de ingeniería al problema de los Data Centers submarinos, que pueden construirse en volumen.
COOEC afirma que las cabinas serán "equipos marinos innovadores", y tendrán que estar construidas para soportar la presión del mar. El sistema también tendrá que resistir la corrosión.
La cabina albergará sofisticados componentes electrónicos y necesitará un gran número de aberturas para el paso de tuberías y cables. Todas ellas necesitarán juntas de alta presión que no se corroan.
"Desde la investigación de esquemas, el diseño de ingeniería, la construcción hasta las pruebas, hay retos técnicos muy grandes", dice COOEC.
En un pequeño detalle adicional, COOEC dice que las tuberías de circulación externa serán reciclables.
COOEC se encargará del diseño de los recipientes, la adquisición de materiales, la fabricación y las pruebas. También gestionará el transporte terrestre de los módulos y los buques para llevarlos a su eventual entorno de trabajo.
Highlander afirma que el sistema no consumirá agua y utilizará menos energía.
A pesar de la cantidad de acero que requieren las cabinas, las dos empresas afirman que las instalaciones submarinas tendrán un coste de construcción menor que las terrestres y (obviamente) ahorrarán en el uso de la tierra.
Al igual que Microsoft, Highlander alabó la fiabilidad de los servidores submarinos. En concreto, "se trata de un nuevo tipo de ingeniería marina que ahorra energía y recursos de forma eficaz e integra tecnología, big data, bajas emisiones de carbono y ecología, y tiene una gran importancia para promover el desarrollo ecológico de la industria de datos", afirman COOEC y Highlander en su comunicado de prensa.
¡Profundicemos!
Si bien Highlander es pionera en el despliegue real de Data Centers submarinos, una empresa estadounidense rival promete establecer un récord de profundidad -al menos en principio- con un concepto anunciado a principios de 2022.
Microsoft y Highlander no han hablado de ir más allá de los 120 metros de profundidad, pero Subsea Cloud, con sede en Texas, afirma que irá mucho más profundo, hasta los 3.000 metros.
Subsea afirma que quiere llevar sus módulos de Data Centers subacuáticos (UDCP) refrigerados por líquido a esas profundidades por razones de seguridad, para que estén a salvo de las interferencias de buzos y sumergibles, que no pueden alcanzar esas profundidades.
"No se puede acceder (a estas cápsulas) con buzos", dijo el director general Maxie Reynolds. "Vas a necesitar un equipo muy disruptivo. No se puede hacer con un submarino, no llegan a la profundidad suficiente. Así que vas a necesitar un vehículo operado a distancia (ROV) y esos son muy rastreables. Se encarga de gran parte del aspecto físico de la seguridad".
Reynolds tiene experiencia en ingeniería marina y pruebas de penetración de seguridad, y afirma que sus socios de ingeniería, relacionados con la empresa de tecnología offshore Energy Subsea, han probado las cápsulas a presión para demostrar que pueden funcionar a 3.000 m de profundidad.
Aquí hay una gran advertencia: Subsea no ha compartido mucho sobre sus cápsulas o cómo fueron probadas. A pesar de ello, se trata de una propuesta que ofrece interesantes retos a cualquiera que se dedique a este campo, y sugiere que esta idea emergente aún podría cambiar de manera radical.
En lugar de pesados recipientes a presión, Reynolds afirma que Subsea está trabajando en cápsulas sencillas y ligeras que contendrán unos 800 servidores cada una, y que tienen un "diseño mucho más sencillo y probado" que el de Microsoft o Highlander.
Aunque los pods están diseñados para funcionar a muy alta presión, dice que "no utilizan recipientes a presión (una ventaja competitiva para nosotros)".
A nivel del mar, cada centímetro cuadrado de una superficie está sometido a una fuerza de 14,6 libras. Esto es la presión atmosférica. Bajo el mar, la presión aumenta rápidamente a razón de una atmósfera cada 10 m. Por tanto, a 3.000 m, una carcasa diseñada para mantener esa presión tendría que soportar 300 atmósferas de exceso.
"Tanto Highlander como Microsoft han optado por utilizar recipientes a presión. Este diseño es importante porque cuanto más se adentran los Data Centers en los océanos, más presión sufren", dice Reynolds. "Para soportar la presión que soportan, deben hacer más gruesas las paredes de los Data Centers. Esto afecta a muchos elementos de la logística en tierra y al despliegue submarino".
Si no se intenta recrear las condiciones en tierra, se puede dejar que la presión se iguale dentro del buque, y ya no sería necesario tener una estructura tan resistente.
Subsea ha compartido una foto de su sistema: un contenedor amarillo cuadrado que parece robusto, pero que claramente no es un recipiente a presión. Las aberturas visibles en la caja están presumiblemente diseñadas para permitir que la presión se iguale. La electrónica debe poder funcionar a una presión elevada, probablemente sumergida en algún tipo de aceite.
"Como ingenieros submarinos, hemos diseñado el nuestro para que sea versátil, pero manteniendo la integridad de su diseño. Las cápsulas del Data Center funcionarán independientemente de la profundidad. El diseño garantiza que, a cualquier profundidad, la presión en el interior de la carcasa es igual a la presión en el exterior: no hacemos cambios para adaptarnos a diferentes profundidades porque no tenemos que hacerlo".
En resumen, dice: "Diseñamos la solución basándonos en principios de ingeniería submarina, no en principios de ingeniería submarina (en términos generales)".
Avances en la construcción
Tras señalar que la construcción modular ya se utiliza en los Data Centers en contenedores terrestres, Reynolds predice que las instalaciones submarinas podrían dar un salto a nuevos niveles de prefabricación: "Este tipo de construcción no se ve frenada por problemas de fabricación heredados y la industria, así como las empresas a las que apoya, necesitan escalar rápidamente".
También señala que los procesos de construcción modular están bien establecidos en el extranjero: "Históricamente, la construcción modular ha sido la norma en el ámbito submarino. Las cosas deben fabricarse por secciones y colocarse por secciones".
Algunas de las otras partes de la construcción también son más fáciles, porque el fondo marino carece de edificios y otras infraestructuras instaladas, explica a DCD.
"Si pensamos en las complejidades del tendido de cables a los Data Centers en tierra, es un proceso que requiere muchos recursos y es caro (puede costar millones por milla). Se enfrenta a muchos retos burocráticos y logísticos", dice. "Un cable desplegado bajo el mar es cuestión de semanas y en realidad cuesta menos. El tendido de un cable submarino puede costar tan sólo 50.000 dólares por milla. Es contraintuitivo".
Si los Data Centers submarinos llegan a producirse a gran escala, eso reducirá los costes, dice: "Casi todo es más barato a gran escala".
Mientras que Natick tuvo que enviar un módulo de Francia a Escocia, y luego fletar un barco para remolcarlo al mar, los futuros despliegues planificarían viajes más cortos, y se desplegarían en mayor número.
"Será más eficiente desplegar en grandes cantidades simplemente porque para conectarse a la infraestructura existente se necesita un barco, que tiene una tarifa diaria", dice Reynolds. "Se quiere colocar todo lo que se pueda de una sola vez. Un buque puede transportar normalmente 80 unidades. Es más económico utilizarlo a su máxima capacidad".
Aunque las cápsulas de Subsea están diseñadas para el despliegue en aguas profundas, funcionarán igual de bien en aguas poco profundas, aunque es posible que haya que enterrarlas por seguridad, dice Reynolds: "Las especificaciones de cada cápsula no cambiarán para nosotros, ni en aguas profundas ni en aguas poco profundas. La ingeniería de la instalación sí cambiará".
Por ejemplo, en aguas profundas, las cápsulas tendrán que ser maniobradas en su lugar utilizando una herramienta de empuje, mientras que eso no será necesario en aguas poco profundas.
Con grandes concentraciones de cápsulas submarinas, será posible ubicar una embarcación de mantenimiento cerca. Las cápsulas pequeñas y ligeras pueden sacarse a la superficie rápidamente para trabajar en ellas.
"Si nos desplegamos en una gran agrupación, digamos más de 20 pods, habrá un buque de mantenimiento cercano que reaccionará ante grandes fallos o perturbaciones", dice. "Desconectar, recuperar, reemplazar los servidores, volver a desplegar, nos llevará unas seis u ocho horas".
Pero la mayoría de los Data Centers submarinos tienen hardware de repuesto, de modo que las operaciones pueden redistribuirse sin tener que llevar el módulo a la superficie: "Tenemos redundancia en todos los módulos. Supongo que cualquier otra empresa del sector ofrecerá algo similar y también verán las ventajas de las distintas clases de monitorización".
A veces se afirma que el mar se rige por normas diferentes, generalmente destinadas a controlar la pesca y la extracción de minerales. Los operadores de Data Centers pueden esperar librarse de las tediosas normas de zonificación creadas para los edificios terrestres, pero pueden seguir teniendo dolores de cabeza en materia de planificación.
"En Estados Unidos y Asia, los permisos de planificación no serán necesariamente más fáciles, por desgracia", advierte Reynolds. "El sistema de regulación de los permisos submarinos está poco desarrollado en relación con las necesidades futuras, pero se pondrá al día a medida que el sector cambie".
