基建狂魔谷歌，如何把數(shù)據(jù)中心“武裝到牙齒”
原創(chuàng) 威化化 | 2021-03-12 09:08
【數(shù)據(jù)猿導讀】 谷歌在進行數(shù)據(jù)中心建設的過程中，從選址到定制方案，從確保安全到提高效率，都有著精密的謀篇布局
“技術爆炸不會戛然而止，基礎學科的完善和應用市場的壯大，將會維持倍增效應，二十一世紀所取得的進步，最終可以達到二十世紀的一千倍。”
美國發(fā)明家、未來學家雷·庫茲韋爾(Ray Kurzweil)在其著作《靈魂機器的時代》的核心觀點，正在數(shù)據(jù)中心領域應驗。
今年2月，市場調研機構Synergy Research的最新數(shù)據(jù)顯示，截止2020年底，全球20家主要云和互聯(lián)網(wǎng)服務公司運營的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心總數(shù)已增至597個，是2015年的兩倍。
圖片來自Synergy Research
“過去八個季度，共有111個新的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心開業(yè)，其中52個已在2020年投產(chǎn)，”SynergyResearchGroup首席分析師John Dinsdale在一份聲明中表示：“這證明了推動這些投資的數(shù)字服務業(yè)的持續(xù)強勁增長，特別是云計算、SaaS、電子商務、游戲和視頻服務。”
數(shù)據(jù)中心領域的“基建狂魔”都有誰？谷歌、微軟、亞馬遜必然榜上有名。事實上，隨著對數(shù)字服務的需求猛增，全球三大公有云服務商已經(jīng)有效地占領了超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心市場。
據(jù)SynergyResearchGroup的數(shù)據(jù)，亞馬遜、微軟和谷歌三家公司每年狂砸數(shù)十億美元，用來擴建其遍布全球的數(shù)據(jù)中心，以滿足對云服務的高需求。2020年新增的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中，亞馬遜和谷歌的數(shù)據(jù)中心占據(jù)了一半。
而在現(xiàn)存的超大規(guī)模運營商中，亞馬遜、微軟和谷歌總合計超過所有超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心數(shù)量的50%。
圖丨谷歌位于康瑟爾布拉夫斯的數(shù)據(jù)中心
三巨頭野心勃勃的擴建仍在繼續(xù)：以谷歌為例，2020年6月，挪威廣播電視公司（NRK）報道，谷歌在挪威城市希恩（Skien）中心以北購買了2000英畝的土地，計劃在那里建立一個迄今為止北歐最大的數(shù)據(jù)中心。
2020年9月，谷歌公布了2020智慧臺灣計劃，證實在云林購買土地建設臺灣第三座數(shù)據(jù)中心。10月，谷歌購買了倫敦北部的一塊土地，有可能容納其在英國的第一個數(shù)據(jù)中心。
瘋狂擴張的背后，離不開強大的基建能力。正如谷歌臺灣董事總經(jīng)理簡立峰說：“我自己覺得谷歌最獨特的地方、成功最大的原因，就是軟硬件的基礎建設。”
作為“基建三狂魔”之一，谷歌是如何進行數(shù)據(jù)中心建設的？在建設過程中，又有什么值得行業(yè)借鑒、學習的地方？事實上，從選址到定制方案，從確保安全到提高效率，谷歌都有著精密的謀篇布局。
精密的布局、硬件設施：武裝到牙齒
沒有人一出生就會走路?，F(xiàn)在談及谷歌數(shù)據(jù)中心內部結構，很多人的第一反應就是：錯綜復雜、眼花繚亂。然而1999年，也就是谷歌剛創(chuàng)辦一年多的時候，谷歌數(shù)據(jù)中心可以用“簡陋”來形容：
在圣塔克拉拉市的一家服務器托管公司，幾百臺沒有罩機殼的半成品服務器在“裸奔”，服務器高速運轉的同時，纜線也胡亂糾纏在一起，場面十分混亂。在當時，谷歌平均花3.5秒才能輸出一次搜索結果。
再往前，回到1998年初，Google的搜索引擎和網(wǎng)站是運行在如下設備的：
圖丨Google首個“數(shù)據(jù)中心”BackRub，位于斯坦福大學的宿舍樓
而如今，20多年過去了，谷歌數(shù)據(jù)中心通過一步步的硬件建設，逐漸把自己打造成了固若金湯的數(shù)據(jù)堡壘，不僅保證了據(jù)中心有條不紊的運行，也最大程度確保了數(shù)據(jù)中心的安全性。
谷歌都做了什么？
第一，為了確保數(shù)據(jù)中心的安全，谷歌設置了重重關卡，嚴陣以待。為了確保數(shù)據(jù)中心的物理結構絕對安全，每個數(shù)據(jù)中心都有六層物理安全保護。而谷歌引以為豪的是分層安全模型，通過獨家定制的電子訪問卡、警報器、圍欄架設、金屬探測器、生物識別技術等防御設施，武裝到牙齒，最大程度把不安全因素隔絕在門外。
分層安全模型的亮點在于，越靠近核心機密，安全措施系數(shù)就越高。在谷歌數(shù)據(jù)中心，只有一條安全通道通往數(shù)據(jù)中心核心，通過安全徽章和生物識別技術實現(xiàn)多重訪問控制，只有特定職位的員工才有權進入。據(jù)報道，只有不到1%的谷歌員工曾進入過這里。
圖丨谷歌數(shù)據(jù)中心技術人員在工作
除了這些“明哨”外，谷歌數(shù)據(jù)中心還配備了“暗哨”。比如，數(shù)據(jù)中心配備了內外監(jiān)視器，24小時不間斷監(jiān)視數(shù)據(jù)中心動向；地板上也安裝了激光束入侵探測器，內外監(jiān)視器，全天候檢測追蹤入侵行為。
第二，谷歌數(shù)據(jù)中心把“創(chuàng)新”落在了實處，為了數(shù)據(jù)中心日后的升級，谷歌數(shù)據(jù)中心在設計時會為技術更迭留有空間。
比如，即使是谷歌早期建設的數(shù)據(jù)中心，也能適應如今機器學習和AI場景下的TPU系統(tǒng)、芯片級水冷技術等新技術。同時，谷歌的現(xiàn)場硬件運維制冷系統(tǒng)也不斷升級，大約每18個月就對制冷系統(tǒng)進行一次更新。
圖丨谷歌位于芬蘭哈米納的數(shù)據(jù)中心
第三，除了保證安全性和創(chuàng)新性外，谷歌在基建上還是一個細節(jié)控，不起眼的細節(jié)背后大有設計深意——谷歌網(wǎng)站曾請攝影師為其在芬蘭、美國、比利時等地的八座數(shù)據(jù)中心拍了一組名叫“where the internet lives”的照片，其中透露出的細節(jié)充分展現(xiàn)了谷歌數(shù)據(jù)中心的高度復雜性和數(shù)智時代的工業(yè)美學。
比如在南卡羅來納伯克利縣的數(shù)據(jù)中心，每個磁盤都具有獨一無二的條形碼，目的是為了谷歌的機器人系統(tǒng)可以找到正確的磁盤。
圖丨谷歌位于南卡羅來納伯克利縣數(shù)據(jù)中心的磁盤
再比如谷歌數(shù)據(jù)中心內部有很多五顏六色的管道，不僅僅是為了美觀——數(shù)千英尺的管道線被標記上鮮明的顏色，是為了分辨出不同管道的不同功用。比如俄勒岡數(shù)據(jù)中心，藍色管道提供冷水，紅色管道將溫水送回進行冷卻。
圖丨谷歌數(shù)據(jù)中心用來輸送水的管道
而在工業(yè)美學上，錯綜復雜的管道布局也有數(shù)智時代的壯闊時代，正如陳陳相因詩中所寫：
“無限的島嶼長出數(shù)以百計的岸，溫柔的鏡像在冷水里，輕易定義了永恒。”
而同樣于細節(jié)中見壯闊的，也有康瑟爾布拉夫斯的數(shù)據(jù)中心，巨大的鋼梁起到了分配壓力的支撐作用。
圖丨谷歌位于康瑟爾布拉夫斯的數(shù)據(jù)中心
事實上，在谷歌數(shù)據(jù)中心，除了這些通用配置外，在不同國家、地區(qū)的數(shù)據(jù)中心，谷歌在設計上都會因地制宜，定制特定的基建配置——把當?shù)乜衫玫馁Y源開發(fā)到最大化。
精細選址，因地制宜：定制的冷卻方式，獨家的硬核基建
谷歌針對不同數(shù)據(jù)中心因地制宜的布局，早在選址上就開始了。
谷歌在選址上綜合考慮了多個維度，如園區(qū)的可擴展性；資源、能源水平；是否靠近用戶；面對災難的反應能力等等。以谷歌在比利時數(shù)據(jù)中心的選址為例，谷歌看中了當?shù)鼐薮蟮目捎每臻g，可支持日后數(shù)據(jù)中心擴容。同時，當?shù)赜懈哔|量的光纖和可再生能源。
圖丨谷歌位于比利時的數(shù)據(jù)中心選址
而根據(jù)不同數(shù)據(jù)中心的特性，谷歌會為其定制特制的發(fā)展方案——比如谷歌在冷卻方式上的考量就是一個好例子?？傮w上，相對于耗電量大、模式沉重的機器制冷，谷歌更傾向于自然冷卻法和海水冷卻法，但在具體落地時，針對不同的數(shù)據(jù)中心，谷歌會采取不同的冷卻方式。
比如谷歌在比利時圣吉斯蘭的數(shù)據(jù)中心，因為其毗鄰工業(yè)運河，且比利時屬于溫和的海洋性氣候，溫度適合數(shù)據(jù)中心進行自然冷卻——據(jù)谷歌統(tǒng)計，圣吉斯蘭平均每年只有7天氣溫不符合免費冷卻系統(tǒng)的要求。所以，谷歌采用了水側自然冷的冷卻方式。
具體如何實現(xiàn)？谷歌通過在工業(yè)運河附近建設水處理工廠和冷卻塔，從運河中抽水，用以給數(shù)據(jù)中心制冷，從而完全實現(xiàn)用自然水制冷，擺脫了冷水機組的限制。
圖丨位于比利時數(shù)據(jù)中心的冷卻塔
而因地制宜的制冷方式，不僅擺脫了沉重的傳統(tǒng)制冷模式，且為比利時圣吉斯蘭當?shù)氐乃辞鍧嵶龀隽素暙I，可以說一箭雙雕：運河的水質較差，谷歌專門設立了水處理工廠用以凈化水源，然后再用于制冷。
再比如，谷歌在芬蘭哈米納的數(shù)據(jù)中心采用了海水冷卻的方式，這是因為，谷歌位于哈米納的數(shù)據(jù)中心前身是一座造紙廠，本身就帶有水下通道。谷歌收購此地后，利用其自帶的水下通道，將海水運輸至數(shù)據(jù)中心，并混合熱水進行調溫，以達到適合數(shù)據(jù)中心冷卻的溫度。
圖丨谷歌在芬蘭哈米納的數(shù)據(jù)中心
神奇之處在于，這種冷卻方式并不會對當?shù)丨h(huán)境造成污染：在把用過的海水送回海中之前，谷歌數(shù)據(jù)中心會用更多的海水來冷卻它。正如谷歌數(shù)據(jù)中心的運營副總裁Joe Kava所說：“當我們將水排出到海灣的時候，它的溫度和灣內海水溫度會很相似，這就將對環(huán)境的影響降低到最小。”
層層獨家定制的運行方式、武裝到牙齒的硬核基建，最終結果導向非常明確：節(jié)能，高效。
高效、節(jié)能、人工智能加持：憑低PUE，高能效躋身世界一流
谷歌對節(jié)能、高效的追求與日俱增。首先，谷歌是世界最大的可再生能源購買企業(yè)。自2007年起，谷歌就開始通過購買高碳補償項目（植樹造林，垃圾場甲烷氣等項目），實現(xiàn)了碳中和的目標。這一成果保持了10余年。
去年2月，谷歌數(shù)據(jù)中心的一個工程師小組開發(fā)了一個新的碳智能計算平臺，將許多計算任務的時間轉移到低碳能源（比如風能和太陽能）最充足的時候——這有助于減少電網(wǎng)的碳足跡，讓谷歌更接近24x7無碳能源。
圖丨谷歌數(shù)據(jù)中心的碳智能計算平臺
因此，一個谷歌數(shù)據(jù)中心的能源效率幾乎是一個普通數(shù)據(jù)中心的兩倍。不止如此，與六年前相比，同樣的電力可以為谷歌提供大約七倍的計算能力。
如今，谷歌的人工智能推薦系統(tǒng)已經(jīng)持續(xù)提供了平均約30%的節(jié)能。2019年，谷歌全球數(shù)據(jù)中心的平均年用電量效率創(chuàng)下了1.10的歷史新低，而行業(yè)平均水平為1.67——這意味著谷歌數(shù)據(jù)中心每單位IT設備能源使用的開銷能源減少了約六倍。
除了節(jié)省能源、充分利用可再生資源，谷歌實現(xiàn)高效、節(jié)能的另一個手段，就是人工智能的加持。2016年，谷歌宣布，人工智能讓谷歌數(shù)據(jù)中心制冷PUE改善了40%。
具體如何實現(xiàn)？事實上，谷歌的人工智能通過數(shù)據(jù)中心內的幾千個傳感器去收集溫度、電量、耗電率、設定值等各種數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)做人工智能分析，用分析的結果反哺數(shù)據(jù)中心，用以調整數(shù)據(jù)中心的模式和控制閥值，最終實現(xiàn)降本增效。
因此，近幾年，谷歌的PUE曲線呈勻速下降趨勢：這意味著谷歌在節(jié)能路上越來越輕車熟路。
圖丨谷歌的PUE曲線
而在未來，谷歌也繼續(xù)在節(jié)能、降本增效路上深耕。正如谷歌首席執(zhí)行官 Pinchai所說：“我們將做一些事情，例如將風能和太陽能結合在一起，并增加對電池存儲的使用。我們正在研究應用AI來預測電力需求并優(yōu)化系統(tǒng)的方法，這將有可能在2025年創(chuàng)造12000個工作崗位。”
谷歌的努力間接促進了行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展?！犊茖W》雜志上的一篇論文表示，研究發(fā)現(xiàn)，盡管全球數(shù)據(jù)中心完成的計算量在2010年至2018年間增長了約550%，但數(shù)據(jù)中心消耗的能源量在同一時期只增長了6%。即使對云計算的需求急劇上升，全球數(shù)據(jù)中心的能源消耗卻大體保持平穩(wěn)。
這也應了管理學大師彼得·德魯克的一句話：對于一些公司而言，戰(zhàn)略規(guī)劃往往不是技術，也不單純只是為了利益，有時更像是出自一種責任。
來源：數(shù)據(jù)猿
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