Trung Quốc đưa trung tâm dữ liệu dưới biển chạy bằng điện gió vào hoạt động ngoài khơi Thượng Hải

Mô hình điện toán mới trên biển

Trung Quốc đã đưa vào hoạt động giai đoạn đầu của một trung tâm dữ liệu đặt dưới đáy biển gần Thượng Hải, được thiết kế để kết hợp điện gió ngoài khơi với khả năng làm mát của đại dương. Được HiCloud xây dựng, dự án khởi đầu bằng một cơ sở trình diễn công suất 2,3 megawatt, dự kiến mở rộng lên 24 megawatt. Cơ sở nằm ngoài khơi Khu vực Đặc biệt Lingang; phần lớn điện năng được cung cấp bởi các tua-bin gió ngoài khơi gần đó, còn nhiệt được tản đi bằng cách tuần hoàn nước biển quanh các khoang máy chủ kín. Vốn đầu tư xây dựng khoảng 1,6 tỷ nhân dân tệ (tương đương khoảng 226 triệu USD), và đơn vị vận hành đặt mục tiêu hệ số hiệu quả sử dụng điện (PUE) không quá 1,15, đưa cơ sở này vào nhóm những trung tâm hiệu quả nhất cùng loại.

Cách tiếp cận này đảo ngược một hạn chế tồn tại lâu nay trong thiết kế trung tâm dữ liệu. Các khu trung tâm truyền thống dùng máy làm lạnh và tháp giải nhiệt, những hệ thống có thể tiêu thụ 40 đến 50% ngân sách điện của cơ sở. Bằng cách tận dụng môi trường ổn định, mát mẻ dưới đáy biển, công trình dưới nước này hướng tới giảm năng lượng làm mát xuống dưới 10% tổng mức tiêu thụ. Các nhà thiết kế ước tính tổng nhu cầu điện sẽ giảm khoảng 22,8% so với một cơ sở trên đất liền tương đương. Địa điểm này cũng giảm hơn 90% diện tích đất sử dụng và không cần nước ngọt để làm mát, qua đó giải quyết hai hạn chế đặc biệt cấp bách tại các thành phố ven biển đông đúc như Thượng Hải.

Dự án kế thừa nhiều năm thử nghiệm ở Trung Quốc. Ngoài khơi đảo Hải Nam, HiCloud đã triển khai một cơ sở thương mại dưới biển ở độ sâu khoảng 35 mét (114 feet), sử dụng các khoang chịu áp lực, mỗi khoang chứa 400 đến 500 máy chủ. Các khoang được nối với nhau và kết nối với đất liền bằng cáp ngầm dưới biển. Những mô-đun này được xem là bước đệm hướng tới một cụm lớn hơn, thuộc chương trình quốc gia “Đông số, Tây toán” nhằm mở rộng năng lực và phân bổ lại hoạt động điện toán trên khắp cả nước.

Hệ thống hoạt động ở đâu và như thế nào

Cơ sở tại Thượng Hải nằm ngoài khơi, gần Khu vực Đặc biệt Lingang thuộc Khu Thương mại Tự do Thí điểm Trung Quốc (Thượng Hải). Các tuyến cáp quang truyền dữ liệu đến và đi từ những mô-đun chìm dưới nước, được neo xuống đáy biển để hạn chế dịch chuyển khi có bão. Cáp điện kết nối cơ sở với một trang trại điện gió ngoài khơi, cung cấp hơn 95% lượng điện. Giai đoạn đầu vận hành sẽ tập trung vào cụm máy nhỏ gọn có thể chứa 198 tủ máy chủ, với khả năng mở rộng khi bổ sung thêm khoang trong giai đoạn tiếp theo.

Giải thích các chỉ số hiệu quả

Đơn vị vận hành trung tâm dữ liệu theo dõi một tỷ lệ gọi là hệ số hiệu quả sử dụng điện, hay PUE. Chỉ số này lấy tổng lượng điện cơ sở tiêu thụ chia cho lượng điện cấp cho thiết bị điện toán. PUE lý thuyết bằng 1,0 đồng nghĩa mọi watt điện đều dành cho máy chủ, không tiêu tốn cho làm mát hay các hoạt động phụ trợ. Chính sách quốc gia của Trung Quốc yêu cầu các trung tâm dữ liệu mới đạt PUE dưới 1,25 vào cuối năm 2025. Cơ sở dưới nước được thiết kế để không vượt quá 1,15. Mức này tương đương với những trung tâm trên đất liền tốt nhất, sử dụng công nghệ làm mát và quản lý năng lượng tiên tiến, đồng thời thấp hơn đáng kể so với nhiều cơ sở cũ vẫn có PUE trên 1,4.

Làm mát và mức tiêu thụ năng lượng

Nước biển có nhiệt dung cao và nhiệt độ ổn định, nhờ đó trở thành môi trường tản nhiệt hiệu quả. Trong thiết kế tại Lingang, nước biển chảy qua các bộ trao đổi nhiệt gắn với khoang máy chủ, hấp thụ nhiệt rồi phân tán vào tầng nước xung quanh. Phương pháp này loại bỏ nhu cầu sử dụng quạt lớn, máy làm lạnh và hệ thống làm mát bay hơi như trên đất liền. Do các khoang được cách kín với không khí và duy trì nhiệt độ ổn định, thiết bị điện tử cũng tránh được bụi, biến động độ ẩm và rung động do con người và máy móc gây ra. Những điều kiện này có thể kéo dài tuổi thọ phần cứng và giảm tỷ lệ hỏng hóc, tương tự kết quả được các công ty khác ghi nhận trong những thử nghiệm dưới nước trước đây.

Vì sao Trung Quốc triển khai vào thời điểm này

Nhu cầu điện toán từ trí tuệ nhân tạo, video, thương mại điện tử và công nghiệp kết nối đang tăng nhanh. Việc huấn luyện và vận hành các mô hình AI hiện đại đòi hỏi những cụm bộ xử lý đồ họa và bộ xử lý tensor mật độ cao, tiêu thụ nhiều điện và tỏa lượng nhiệt lớn. Trong khi đó, các chính quyền đô thị phải đối mặt với những giới hạn ngày càng chặt về đất đai, nước và khí thải. Đặt trung tâm dữ liệu ngoài khơi giúp giải quyết từng hạn chế này. Các nhà phát triển cho biết biển Hoa Đông có nguồn gió dồi dào, với thời gian khai thác hằng năm hơn 3.000 giờ, còn đáy biển tạo ra điều kiện nhiệt ổn định tự nhiên để làm mát.

Kế hoạch của Thượng Hải đặt mục tiêu thúc đẩy mạnh năng lực điện toán thông minh và sản lượng ngành vào giữa thập kỷ này, với mục tiêu đạt 200 exaFLOPS năng lực tính toán và xây dựng ngành công nghiệp đám mây thông minh trị giá hàng trăm tỷ nhân dân tệ vào năm 2027. Phát triển năng lực gần nơi phát sinh dữ liệu, đồng thời sử dụng năng lượng tái tạo tại chỗ, giúp giảm tổn thất truyền tải và độ trễ đối với người dùng ven biển. Cơ sở này cũng bổ trợ chiến lược quốc gia, theo đó một phần khối lượng công việc được chuyển tới các khu trung tâm quy mô lớn ở miền tây đất nước. Trung tâm dưới nước giảm gần như về không diện tích đất sử dụng và nhu cầu nước ngọt, qua đó giảm áp lực lên môi trường địa phương so với một khu trung tâm lớn mới trên đất liền.

Các nhà phát triển cũng hướng tới mở rộng quy mô. HiCloud cùng các đối tác, trong đó có Tập đoàn Shenergy, chi nhánh Thượng Hải của China Telecom, INESA và CCCC Third Harbor Engineering, đã ký thỏa thuận theo đuổi một cụm lớn hơn nhiều, với tham vọng xây dựng năng lực dưới nước 500 megawatt chạy bằng điện gió ngoài khơi. Mục tiêu này sẽ đưa ý tưởng từ giai đoạn trình diễn thành một phương án phổ biến để mở rộng năng lực điện toán quốc gia.

Tác động đến môi trường và sinh vật biển

Mọi dự án xả nhiệt ra đại dương đều cần kiểm soát luồng nước ấm. Nước ấm chứa ít oxy hòa tan hơn và có thể gây căng thẳng cho sinh vật biển, đặc biệt vào mùa hè và các đợt nắng nóng trên biển. Các nhà phát triển cho biết thử nghiệm trong những đợt triển khai thí điểm trước đây cho thấy nhiệt độ vùng nước lân cận tăng chưa đến một độ C, nhưng cần giám sát liên tục khi công suất mở rộng. Thiết kế bộ khuếch tán, điều khiển lưu lượng thông minh để giảm công suất vào những thời điểm nhạy cảm, cùng việc lựa chọn địa điểm tránh xa các sinh cảnh dễ tổn thương đều có thể giúp giảm tác động.

Ngoài nhiệt, các kỹ sư cũng phải tính đến tiếng ồn, trường điện từ quanh cáp điện và cáp dữ liệu, cũng như nguy cơ hoạt động xây dựng hoặc bảo trì làm xáo trộn hệ sinh thái đáy biển. Các biện pháp chống sinh vật bám vào bề mặt khoang cần tránh lớp phủ độc hại, còn giải pháp chống ăn mòn phải được thiết kế để không làm ô nhiễm vùng nước xung quanh. Cơ quan quản lý có thể sẽ yêu cầu đánh giá tác động môi trường chi tiết, khảo sát hiện trạng ban đầu và báo cáo công khai liên tục về nhiệt độ nước, tiếng ồn và sinh vật biển quanh cơ sở. Nếu được triển khai dưới sự giám sát nghiêm ngặt, lợi ích tiết kiệm điện và nước từ phương pháp làm mát bằng đại dương có thể được cân bằng với việc bảo vệ môi trường địa phương.

An ninh, khả năng chống chịu và bảo trì

Đưa máy chủ xuống đáy biển làm phát sinh một mô hình rủi ro mới. Cáp và khoang có thể gặp nguy hiểm do neo tàu, ngư cụ kéo đáy, bão hoặc hành vi phá hoại có chủ đích. Đơn vị vận hành có thể giảm thiểu một số rủi ro bằng cách thiết lập khu vực hạn chế, chôn cáp dưới đáy biển hoặc gia cố bảo vệ cáp, giám sát bằng sonar và triển khai cảnh báo phát hiện hoạt động bất thường quanh địa điểm. Các nhà nghiên cứu cũng cảnh báo rằng trong những trường hợp hiếm gặp, nhiễu âm thanh có thể ảnh hưởng đến thiết bị nhạy cảm, khiến việc giám sát âm thanh và che chắn chắc chắn trở nên quan trọng trong khâu thiết kế và vận hành.

Môi trường đại dương cũng có thể cải thiện độ tin cậy. Các khoang được bịt kín, không có bụi và duy trì nhiệt độ, độ ẩm ổn định. Điều đó giúp giảm ăn mòn và ứng suất cơ học; những thử nghiệm trước đây ở các nước khác ghi nhận tỷ lệ hỏng phần cứng thấp hơn nhiều so với các trung tâm trên đất liền thông thường. Điều kiện ổn định giúp thiết bị phân phối điện, lưu trữ và kết nối hoạt động trong giới hạn dung sai chặt chẽ, yếu tố thiết yếu đối với các cụm huấn luyện AI cần mạng hiệu năng cao.

Công tác bảo trì sẽ thay đổi. Kỹ sư không thể bước vào một phòng máy dưới nước để thay linh kiện. Hệ thống phải có thiết kế mô-đun. Nếu một tủ máy chủ hoặc bộ nguồn hỏng, đơn vị vận hành sẽ thay cả khoang hoặc đưa một mô-đun kín lên mặt nước để thay thế trong đợt bảo trì đã lên kế hoạch. Sinh vật biển bám, ăn mòn và tình trạng của các vòng đệm sẽ quyết định lịch kiểm tra. Thiết kế để thu hồi và triển khai lại nhanh chóng, với các giao diện rõ ràng và linh kiện tiêu chuẩn hóa, sẽ quyết định liệu đây chỉ là một ý tưởng tinh tế hay có thể trở thành dịch vụ thực tiễn, bền bỉ.

Chi phí và quy mô

Chi phí đầu tư ban đầu cao. Công trình trị giá hàng trăm triệu USD bao gồm các khoang dưới biển, công tác xây dựng trên biển, thiết bị điện và làm mát chuyên dụng, cùng việc tích hợp với một trang trại điện gió ngoài khơi. Tuy vậy, chi phí vận hành có thể hấp dẫn nếu PUE duy trì gần mức 1,15 và cơ sở lấy điện trực tiếp từ các tua-bin tại chỗ. Điện là khoản chi lớn nhất của một trung tâm dữ liệu hiện đại. PUE thấp hơn đồng nghĩa có nhiều điện hơn dành cho điện toán thay vì các hoạt động phụ trợ. Tại những thành phố khan hiếm đất và nước, chi phí tránh được cho bất động sản, tháp giải nhiệt và quyền sử dụng nước cũng đáng kể.

Các hoạt động ngoài khơi kéo theo chi phí riêng. Thời tiết xấu gây chậm trễ, làm tăng chi phí và bất định. Bảo hiểm, tàu thuyền và đội ngũ chuyên môn cũng đẩy giá thành lên cao. Một số chi phí có thể giảm khi tích lũy kinh nghiệm và tiêu chuẩn hóa. Chuỗi cung ứng điện gió ngoài khơi của Trung Quốc đã phát triển hoàn thiện, có thể giúp giảm giá thành và rút ngắn tiến độ. Nếu cơ sở Lingang chứng minh được độ tin cậy và dễ bảo trì, hiệu quả kinh tế của việc xây thêm công suất sẽ được cải thiện. Hợp tác với các nhà khai thác mạng và công ty năng lượng lớn cũng giúp lấp đầy tủ máy chủ bằng khách hàng trả phí, đồng thời gắn kết dự án với công tác quy hoạch lưới điện.

So sánh với các thử nghiệm trước đây

Trung tâm dữ liệu dưới nước không phải ý tưởng mới. Một thập kỷ trước, Dự án Natick của Microsoft thử nghiệm một khoang thép kín ngoài khơi bờ biển Thái Bình Dương, sau đó triển khai một thiết bị dài 12 mét với 864 máy chủ ngoài khơi quần đảo Orkney. Công ty cho biết tỷ lệ hỏng phần cứng rất thấp, có thể nhờ môi trường ổn định và phần bên trong được bơm khí nitơ. Microsoft kết thúc chương trình nghiên cứu vào năm 2024 và cho biết sẽ không thương mại hóa ý tưởng này. Nỗ lực tại Thượng Hải đi theo hướng khác: dự án gắn với một trang trại điện gió ngoài khơi, đặt mục tiêu PUE thấp hơn và là một phần trong kế hoạch rộng lớn hơn của thành phố và quốc gia nhằm mở rộng năng lực điện toán.

Các công ty và quốc gia khác cũng đang nghiên cứu thiết kế làm mát bằng đại dương hoặc đặt dưới nước. Một số công ty khởi nghiệp đề xuất các mô-đun nhỏ dưới biển gần bờ, còn các nhóm nghiên cứu tại Hàn Quốc, Nhật Bản và Singapore đã tìm hiểu phương án làm mát bằng nước biển và lựa chọn địa điểm. Trên đất liền, các đơn vị vận hành tiếp tục nâng cao hiệu quả bằng công nghệ làm mát bằng chất lỏng ở nhiệt độ cao, tái sử dụng nhiệt cho mạng lưới năng lượng khu vực và kiến trúc chip mới giúp giảm mức tiêu thụ điện. Mô hình dựa vào đại dương cần chứng minh lợi ích của mình vượt trội so với những phương án trên đất liền tốt nhất khi tính đến mọi chi phí và rủi ro.

Những diễn biến cần theo dõi

Giai đoạn trình diễn gần Thượng Hải sẽ cung cấp dữ liệu thực tế về PUE, độ tin cậy và quy trình bảo trì trên biển. Các cuộc kiểm toán độc lập về cân bằng năng lượng và hiệu quả môi trường sẽ rất quan trọng để củng cố niềm tin của công chúng. Việc theo dõi biến động nhiệt độ nước quanh các điểm xả, đo mức độ tiếng ồn và báo cáo quan sát về sinh vật biển có thể cho thấy liệu triển khai trên quy mô lớn có tương thích với hệ sinh thái địa phương hay không. Cơ quan quản lý có thể đưa những yêu cầu công khai này vào giấy phép và các lần gia hạn.

Hai cột mốc sẽ định hình câu chuyện trong ngắn hạn. Thứ nhất là nâng công suất từ 2,3 megawatt lên 24 megawatt như kế hoạch, qua đó kiểm chứng khả năng mở rộng suôn sẻ của việc lắp đặt và bảo trì. Thứ hai là tiến độ hướng tới mục tiêu 500 megawatt mà nhà phát triển và các đối tác công bố. Mục tiêu đó đòi hỏi phạm vi triển khai rộng hơn, nhiều tua-bin hơn và kết nối lưới điện mạnh hơn. Dự án cũng cần thiết kế khoang tiêu chuẩn, quy trình bảo trì rõ ràng và chuỗi cung ứng có khả năng cung cấp mô-đun nhanh chóng. Nếu mô hình hoạt động hiệu quả tại Thượng Hải, những khu vực ven biển tương tự, có nguồn gió ngoài khơi dồi dào và hạn chế về đất đai, có thể sẽ nhân rộng mô hình này.

Điểm chính

• HiCloud đã đưa vào hoạt động một trung tâm dữ liệu dưới đáy biển ngoài khơi Thượng Hải, khởi đầu bằng cơ sở trình diễn công suất 2,3 megawatt, dự kiến mở rộng lên 24 megawatt.
• Hơn 95% điện năng của cơ sở đến từ điện gió ngoài khơi, còn nước biển được dùng để làm mát.
• Đơn vị vận hành đặt mục tiêu PUE không quá 1,15, thấp hơn hướng dẫn quốc gia của Trung Quốc, yêu cầu các trung tâm dữ liệu mới đạt dưới 1,25 vào cuối năm 2025.
• Các nhà thiết kế ước tính tổng mức tiêu thụ điện thấp hơn khoảng 22,8% so với một cơ sở trên đất liền tương đương, đồng thời năng lượng làm mát giảm xuống dưới 10% tổng mức tiêu thụ.
• Dự án có chi phí khoảng 226 triệu USD; cụm máy ban đầu có thể chứa 198 tủ máy chủ trong các khoang chịu áp lực.
• Những thử nghiệm trước đây tại Trung Quốc ở Hải Nam đặt các khoang ở độ sâu khoảng 35 mét, mỗi khoang chứa 400 đến 500 máy chủ và kết nối với bờ bằng cáp ngầm dưới biển.
• Lợi ích gồm giảm hơn 90% diện tích đất sử dụng và không cần nước ngọt để làm mát.
• HiCloud và các đối tác đã công bố tham vọng xây dựng cụm trung tâm dữ liệu dưới nước công suất 500 megawatt chạy bằng điện gió ngoài khơi.
• Công tác giám sát môi trường sẽ tập trung vào nhiệt lượng xả ra, tiếng ồn và tác động của cáp đối với sinh vật biển, đặc biệt trong những thời kỳ nóng.
• Các thử nghiệm dưới nước trước đây ở nước ngoài ghi nhận tỷ lệ hỏng phần cứng thấp, nhưng hoạt động trên biển quy mô lớn vẫn đối mặt với thách thức về bảo trì, an ninh và chi phí.