肖恩•詹姆斯（Sean James）在微软的数据中心从事技术工作，当他向公司提出将服务器群组完全放到水下时，他的同事有点半信半疑。但对于之前在美国海军潜艇服役过的詹姆斯来说，将整个数据中心淹没在海浪之下意义非凡。●他认为，这种策略不仅能降低冷却机器所需的成本（对许多数据中心运营商来说这是一笔巨大的开销），还能降低建设成本，而且可以更方便地使用可再生能源运行这些设施，甚至提高数据中心的性能。
詹姆斯与微软的另一位工程师托德•罗林斯（ToddRawlings）一起，在微软内部发放了一份白皮书，宣传这一概念。白皮书解释了在水下构建数据中心会如何帮助微软及其他云提供商在环境可承受的条件下管理不断增长的数据中心。
在很多大公司，这样奇怪的想法恐怕早就不了了之了。但微软的研究人员历来喜欢通过创新来迎战公司所面临的重要挑战，即使所需的工作远远超出微软的核心专长。关键点在于聚集公司内外的专业人员，组建工程队伍。
我们4个人组成了这样一个核心团队，负责测试詹姆斯的远大想法。2014年8月，我们很快启动了该计划，称之为内蒂克（Natick）项目。这样称呼并没有特别原因，只是因为我们的研究团队喜欢以马萨诸塞州的城市给项目命名。仅仅12个月后，我们就构建了一个位于太平洋底的数据中心原型。
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内蒂克项目不乏种种需要克服的障碍。首先，当然是保持数据中心大型钢容器内部的干燥；其次是找出利用周围海水冷却内部服务器的最佳方法；最后还有一个问题是，如何处理会不可避免地粘在水下容器上的藤壶及其他海洋附着生物——如果有人将船只在水中放置一段时间，一定会很熟悉这种现象。粘性甲壳类生物将是一大挑战，因为这类生物可能干扰服务器与周围海水之间的热传递。最初，这些问题使我们颇为沮丧，但我们逐一解决，采用的办法通常是那些历经检验的海洋工业解决方案。
但是，何苦自找麻烦？确实，使用海水冷却计算机可以降低空调成本，还可以在其他方面改进操作，但是把数据中心放入水中也明显会增加一些成本，并带来不便。试图把数以千计的计算机放在海底真的有意义吗？我们认为有意义，原因如下。
举例来说，它可以为像我们这样的公司随时随地提供快速扩容的能力。企业规划人员无须因未来可能需要扩容就早早地建设这些设施。对于这样一个每年需要花费数十亿美元来构建不断增长的数据中心的行业，快速扩容可以极大地节约成本。
相比于陆地，在水下可更快地建造数据中心，原因很容易理解。如今，每个数据中心的建设都是独特的。设备或许相同，但每个地方的建筑规范、税收、气候、劳动力、电力供应和网络连接都不同。这些变量影响着建设的时长。我们还注意到它们对设备性能的影响，相同的设备在不同的地点，可靠性水平也不尽相同。
正如我们所见，内蒂克项目现场有很多大钢瓶“吊舱”，每个吊舱可能包含几千台服务器。它们一起组成了水下数据中心，距离海岸几公里，位于海平面以下50～200米之间的位置。吊舱可以悬浮在海床上方的某一深度，通过电缆系泊到海底；也可以直接被搁置在海底。
一旦数据中心吊舱部署完毕，它将保持原地不动，直到需要淘汰其内部的服务器群组；或者直到市场条件发生改变，我们决定将其转移到其他地方。这是一个真正的“熄灯”环境，意味着系统管理员将进行远程管理，在整个吊舱运行生命周期内，没人进行零件修复或更换。
现在，想象一下，将即时制造应用于这个概念。吊舱可以在工厂中建造，装备好服务器，准备运往世界各地。与陆地上的情况不同，海洋的环境非常单一，无论身处哪里，环境都是一样的。因此，不需要定制吊舱，当任何地方出现计算容量不足时，我们都可以快速安装吊舱，通过逐渐增加水下安装的规模来满足容量增长的需求。内蒂克项目的目标是，有能力在世界任何地方的沿海地点建立和运行数据中心，而安装期缩短至（从决定部署时刻起的）90天以内。
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大部分新数据中心建造在电价便宜、气候凉爽、地价不高以及不打扰附近居民的地方。这种方法的问题是，数据中心常常远离人口中心，因此限制了服务器响应请求的速度。
对在线互动体验来说，这样的延迟可能会产生问题。我们都希望网页加载迅速，《我的世界》或《光晕》等视频游戏反应利落。未来几年，会有越来越多互动丰富的应用程序，包括由微软HoloLens及其他混合虚拟现实技术所实现的应用。因此，人们真正希望的是服务器尽可能靠近它所服务的人群，而这种情况目前还很少见。
世界上几乎一半的人口居住在距离海洋100公里以内的区域，这或许是一个令人惊讶的事实。因此，将数据中心设置在靠近沿海城市的海岸附近，会比当今的做法更接近用户。
如果这个理由还不够，那么请考虑节约下来的冷却成本。
以往，这类设施靠机械冷却（如同家用空调）。设备通常可以将温度保持在18～27摄氏度，但是用于冷却的电量有时几乎和计算机本身使用的电量一样多。
最近，很多数据中心运营商转向自由空气冷却，也就是不使用机械方式来冷却，而是单纯地使用户外空气。这样做更经济，冷却所需的开销只有原先的10%到30%，但是这种做法意味着计算机容易受外部空气温度的影响，因为有些地方相当热。通常这也意味着不得不将数据中心置于高纬度地区，远离人口中心。
此外，这些设施需要消耗大量的水，因为它们要先通过蒸发来略微降低空气的温度，然后空气才吹向服务器。对于干旱多发地区来说，这是个难题，例如美国加利福尼亚。在有些地区，人口的不断增长耗尽了当地含水层，许多发展中国家都面临类似的情况。即使水资源丰富，空气中的水蒸气也会使电子设备更易被腐蚀。
内蒂克架构绕过了上述这些问题。数据中心吊舱内的标准计算机机架与热交换器连接，热交换器将气体热量传递给某种液体（可能是普通的水）。随后液体被泵送到吊舱外部的热交换器，外部的热交换器又将热量传递到海洋。经冷却的流动液体随后又被送入内部热交换器以重复该循环。
当然，周围的海水温度越低，这个方案就越行之有效。即便在夏季或热带地区，要想得到低温的海水，也只需要将吊舱放在足够深的地方。举例来说，在佛罗里达东海岸200米深的地方，水温全年保持在15摄氏度以下。
2015年8月开始，我们对内蒂克吊舱原型进行测试。我们将其命名为“LeonaPhilpot”（根据Xbox游戏角色命名）。吊舱被浸入加利福尼亚州圣路易斯奥比斯波附近太平洋下仅11米深的地方，水温在14～18摄氏度之间。
长达105天的实验证明，将计算机放置水中，至少能维持与机械冷却方法相当的温度，而其所需能量比自由空气冷却法要低得多——只有后者的3%。这种能量消耗值低于我们已知的任何生产或实验数据中心的结果。
由于不需要现场工作人员，所以数据中心无需电灯、空气、停车场以及针对紧急情况的红色按钮，数据中心吊舱中也没有氧气。（工作人员在舒适的微软办公室控制内蒂克吊舱原型。）此外，这里也没有水蒸气和灰尘。这为电子产品提供了很好的环境，最大限度地减少了散热和连接器腐蚀的问题。
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微软致力于保护环境。例如，在满足电力需求方面，公司尽可能多地使用可再生能源。在某种程度上做不到的时候，公司会购买碳补偿。与这一理念一致，我们试图将未来的水下数据中心部署在近海可再生能源附近——可以是海上风电厂，或者是利用潮汐、海浪、洋流发电。
上述能源在海洋中极其丰富，这意味着我们可以将人群聚集地、水下节能设备的安置处，以及大量绿色能源的获取地结合在一起。就像当今的数据中心有时会是陆上可再生能源农场的主力租户一样，未来的海洋能源农场也可能如此。
另一个要考虑的因素是，有时获得以传统方式生成的电力并不容易，尤其是在发展中国家。例如，撒哈拉以南非洲地区有70%的人口无法接入电网。所以，如果想建立一个数据中心，使云服务更接近这些地区的人群，就可能还要为它提供电力。
通常，电力在10万伏或更高的电压下输送，但最终服务器使用的是与我们常用的个人电脑相同的低电压。将电网电力降低到服务器可以使用的电压通常需要3个单独的设备，还需要备用发电机和电池组，以防电网电力故障。
沿着近海能源安放水下数据中心有助于简化工程师的工作。首先，以接近服务器的电压生成电力，可以减少一定的电压转换量。其次，因为独立风力或船用涡轮机都能给计算机供电，我们自然而然就有了后备方案。这样可以大大减少电损耗和资金成本（以及复杂性），因为无需常规数据中心架构所涉及的备用设施（用于防止局部电网故障）。这种方式的另一个优势是，它对陆上的唯一真正影响就是需要一两条用于传输数据的光缆。
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阐述想法时，我们被问到的第一个问题都是：如何保持电子产品干燥？事实上，保持干燥并不难。很久以前，甚至早在计算机出现之前的很长时间，海洋工业就能够保持海洋中设备的干燥，而海洋工业通常面临的环境远比我们所做或计划要做的事情更有挑战性。
第二个问题（早期我们也在寻找答案的一个问题）是如何最有效地冷却计算机。我们探索了一系列奇异的方式，包括使用特殊的介电液体和相变材料，以及特殊的热传输介质，诸如高压氦气和超临界二氧化碳。虽然这些方式各有好处，但也带来了一些棘手的问题。
尽管我们在不断研究如何采用特殊材料进行冷却，但近期并非迫切需要这些材料。内蒂克的淡水管道和散热器式热交换器提供了非常经济、高效的冷却机制，正适合为标准服务器降温。
更为重要的一个问题我们也预见到了，那就是水下数据中心会吸引海洋生物，形成人造礁石。海洋生物的这种聚居过程被称为生物污损。这一过程从单细胞生物开始，其后是以这些单细胞生物为食的稍大的生物，以此类推，一直向食物链上层延伸。
部署内蒂克原型后24小时内，螃蟹和鱼就开始在容器周围聚集。我们很高兴为这些生物创造了一个家，所以我们主要的设计是考虑如何在不妨碍吊舱保持其计算机冷却能力的情况下，维持这个生物栖息地。
尤其是，我们知道外部热交换器上的生物淤积会妨碍其表面热量的扩散。因此我们探讨了各种防污材料和涂层的使用——甚至包括声音和紫外线等震慑生物的手段——希望生物难以在上附着。虽然可以使用物理方式清洁热交换器，但依靠这种干预措施是不明智的，因为我们的目标是尽可能简化操作。
幸运的是，尽管是在一个极具挑战的地带（位于浅海，靠近海岸，那是海洋生命最丰富的地方），但内蒂克吊舱上的热交换器在其第一次部署期间保持得比较干净。不过生物污损仍然是一个需要积极研究的领域，我们会侧重于不伤害海洋环境的解决办法。
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到目前为止，在测试部署期间，我们最担心的是设备宕机。毕竟我们无法派技术员到某个服务器机架换掉坏掉的硬驱动或网卡，对硬件故障的响应必须远程或自主进行。即便在微软现在的数据中心，我们和其他人也一直在努力提高设备在没有人为干预的情况下探测和解决故障的能力。而同样的经验和技术，也将被应用到未来的内蒂克吊舱。
那么安全性如何呢？如果数据中心在水下，数据是否安全，是否可以通过网络或物理方式被窃取？绝对安全。内蒂克站点提供了与微软陆地数据中心相同的加密级别和其他安全保证。水下数据中心没有人，传感器会敏锐地感知内蒂克吊舱周围的环境，包括任何意想不到的访客。
你可能想知道，来自水中数据中心的热量是否会破坏当地的海洋环境。答案是不太可能。内蒂克吊舱产生的热量会迅速与冷水混合并被潮流带走。距离内蒂克吊舱下部几米处的水温最多增加千分之几摄氏度。
所以对环境的影响将是微乎其微的。这点很重要，因为未来必然会建造更多的数据中心。如果我们的方法有效，并最终被大量采用，可能人们也不会看到那些数据中心，因为它们在水下工作。
作者：Ben Cutler, Spencer Fowers, Jeffrey Kramer,Eric Peterson
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