CN109944734A - 水下自给式数据中心装置及其数据交换传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种水下自给式数据中心装置及其数据交换传输方法，其特征在于，装置部分包括：水密筒体、设置在水密筒体内部的数据中心、以及浮力摆发电装置；所述浮力摆发电装置通过连通管与水密筒体相连；所述数据中心与浮力摆发电装置连接；所述水密筒体和浮力摆发电装置的底部分别固定设置有锚固件。数据交换传输方法采用“环状”交换模式和“梯度修剪”传输，数据点两两对接，单向传输，节省带宽。本发明的数据中心装置充分利用海水进行发电自给和散热冷却，结构简单，节能高效，同时数据交换传输方法能较好解决带宽通信问题，显著提升数据交换传输效率。

Description

水下自给式数据中心装置及其数据交换传输方法

技术领域

本发明涉及数据中心领域，尤其涉及一种水下自给式数据中心装置及其数据交换传输方法。

背景技术

数据中心作为信息技术便要的基础设施，高度集成了各种电子信息设备，是电能消耗大户。目前数据中心主要安装在陆地，所采用的散热方式有：空气冷却和液体冷却。这两种传统冷却方式存在着能耗高、维护不便、易损坏、效率低、稳定性弱等问题，甚至可能对电子集成回路产生影响，损坏服务器内部硬件。

数据交换传输是大数据运行的核心，目前传统的数据交换方式为“一对多”的模式。一个中心节点对接多个数据点，中心节点将要处理的数据分配给各个数据点，数据点处理后传回中心节点。数据需要来回交换，占用带宽，还会出现“多个等一个”的情况，处理效率不高。另外采用的传统的宽带传输方式，在百兆位通信满载的情况下进行传输运算，耗能巨大，偶尔出现超载情况，数据传输不稳定，影响运行。

同时，由于深度学习在计算机视觉、自然语言处理和预测方面取得的巨大进步。在超大数据集（大于1T）上训练更深更大的模型是得到更好模型的方法。因此，大规模的分布式训练深度学习模型成为了不可避免的选择。大量的梯度和参数同步延长了通信带宽时间，导致了构建分布式系统的需要极其高端的带宽解决方案（如InfiniBand），这些解决方案往往成本高昂、投资巨大。为了提高训练速率，带宽和计算资源利用率是在大规模分布式系统上训练深度学习模型的主要挑战。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了在海底设置数据中心的具体解决方案，并具体采用以下技术方案：

一种水下自给式数据中心装置，其特征在于，包括：水密筒体、设置在水密筒体内部的数据中心、以及设置在水密筒体外部的浮力摆发电装置；所述浮力摆发电装置通过连通管与水密筒体相连；所述数据中心与浮力摆发电装置电气连接；所述水密筒体和浮力摆发电装置的底部分别固定设置有锚固件。

优选地，所述数据中心，通过数据中心支架固定在水密筒体内部；所述水密筒体内部充满氮气。

优选地，在所述浮力摆发电装置中：浮力摆驱动压缩发电机的液压缸的活塞；所述压缩发电机的液压缸连接单向阀；在所述压缩发电机中，单向阀、油箱和液压马达构成油路回路，所述油路回路中还设置有溢流阀和蓄能器；所述液压马达连接发电机。

优选地，所述浮力摆发电装置有多个，水密筒体有多组；每组水密筒体包括多个相互平行且通过连接钢板固接的水密筒体，每两个浮力摆对应连接一组水密筒体。

优选地，所述数据中心连接延伸至水密筒体外部的光纤。

优选地，所述连通管的材质与水密筒体的材质相同。

优选地，所述水密筒体和浮力摆发电装置通过锚固件锚固于水底；所述光纤在水密筒体之外的部分埋设在地下。

以及根据以上优选装置的数据交换传输方法，其特征在于：多个所述数据中心通过光纤构成环式连接，进行数据交换传输。

优选地，采用梯度修剪的数据交换传输方法。

优选地，所述梯度修剪的数据交换传输方法通过式（A）、式（B）和式（C）的算法进行数据输入：

式（A）

式（B）

式（C）

其中， 为当前学习得到的梯度； 为动量； 为在第t个迭代中习得的权重； 为在第t+1个迭代中习得的权重的近似值； 在第t个迭代中第i层神经网络习得的权重；η为学习率；为训练的总节点数；为学习训练梯度函数：；B为批处理的大小(batchsize)；为当前状态；sparse为稀疏化处理。

本发明提供了一种可以广泛应用于数据中心基础设施建设以及数据交换传输的技术和方案，充分利用海水进行发电自给和散热冷却，结构简单，节能高效，同时数据交换传输方法能较好解决带宽通信问题，显著提升数据交换传输效率。与现有技术相比，本发明及其优选方案的有益效果是：1.充分利用与海水的热交换对数据中心进行自然冷却，取代传统风力冷却、普通液体冷却等方法，极大降低能耗，省去冷却装置维护费用。2.充分利用波浪与海流通过浮力摆发电，实现数据中心自给供电。3. 通过“环式”数据交换与“梯度修剪”数据传输模式，数据点两两对接，单向传输，节省带宽，可保证千兆网能有效完成通信，显著提升数据交换传输效率，节省能耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例装置主视示意图；

图2是本发明实施例装置俯视示意图；

图3是本发明实施例装置A-A剖面示意图；

图4是本发明实施例装置B-B剖面示意图；

图5是本发明实施例浮力摆发电装置结构示意图；

图6是现有的一对多数据交换模式示意图；

图7是本发明实施例采用的环式数据交换模式示意图；

图中：1-浮力摆；2-液压缸；3-活塞；4-电能转换装置外壳；5-电能转换装置；6-锚固件；7-光纤；8-水密筒体；9-腔体；10-数据中心； 11-连接钢板；12-数据中心支架；13-密封门；14-铰接支座；15-连通管；16-浮力摆发电装置；17-压缩发电机。

DC指的是Data Center即数据中心。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

如图1-图4所示，本实施例装置优选固定设置在海底50—200m、水温恒定、水位稳定和水质清澈的近岸处，包括：多个一组的水密筒体8，设置在一组水密筒体两侧的一对浮力摆发电装置16，设置在每一水密筒体8和浮力摆发电装置16的锚固件11，设置在水密筒体外部用于将多个水密筒体8连接固定为一组的连接钢板11，以及设置在水密筒体内部的数据中心10。浮力摆发电装置16与水密筒体8相连；连接钢板11焊接在水密筒体8外部，将其连接成一个整体；数据中心10通过连通管15与浮力摆发电装置16构成电气连接。浮力摆发电装置16主要包括电能转换装置外壳4外部的浮力摆1、液压缸2、活塞3，以及内部的电能转换装置5。

其中，水密筒体8的材质优先选用导热系数高、防水性好、强度高的板材，通过与海水进行热交换给数据中心散热冷却。数据中心通过数据中心支架12固定在水密筒体8内部。水密筒体8内部的腔体9充满氮气，以确保内部设备的耐腐蚀效果。

三个水密筒体8通过连接钢板11连成一个整体，底部通过锚固件6固定在海床上。水密筒体8底部设置预留孔，埋设光纤7，用于连接陆地传输中心以及其它数据中心。

如图5所示，在本实施例中，作为利用波浪和海流进行发电存储在蓄电池给数据中心供电的发电装置，浮力摆1与电能转换装置外壳4通过支座14铰接，用于驱动压缩发电机17的液压缸2的活塞3；压缩发电机17的液压缸2设置在水密筒体8外部，并通过油路管道连接设置在水密筒体8内部的单向阀；在压缩发电机17中，单向阀、油箱和液压马达构成油路回路，油路回路中还设置有溢流阀和蓄能器，液压马达连接发电机。

在本实施例中，为了保障供电效果，每两个浮力摆发电装置16对应连接一组三个水密筒体8中的数据中心。

在本实施例装置的具体设计过程中，根据数据中心的具体参数规格确定需要采用的计算机组大小，并依此设计相应的数据中心计算机架尺寸；根据所需的耗电量，计算需求的蓄电池容量、体积，设计发电装置的功率、数量、分布。最终以上总体情况合理确定水密筒体8的具体成组数量，如可以采用本实施例的三个水密筒体8为一组。

首先将三个水密筒体8通过连接钢板11相连，浮力摆发电装置16设置在水密筒体8两侧，将数据中心和数据中心支架12与浮力摆发电装置16连接、水密筒体8与数据中心和数据中心支架12连接，数据中心支架12连接后通过水密筒体8底部预留孔伸出壳外，确保连接处密封，并预留光纤7接头。在充满氮气的环境下关闭密封门13，将锚固件6与连接钢板11、电能转换装置外壳4相连，完成厂内组装。

然后选取合适海域投放地点，预先在水底埋设好光纤7、确定好锚固位置。将本实施例装置投放入水下后，将其预留光纤7接头相互连接，将锚固件6锚固至海床底部，完成水下安装。

在正式运行前，远程遥控启动浮力摆发电装置16，在陆地中心通过光纤7接收到压缩发电机17开始发电的信号后，可将待处理信息通过传入数据中心，开始正式运行。

为了维持水下传输信号的稳定，本发明摒弃了如图5所示传统的“一对多”数据交换模式，采用如图6所示的“环式” 数据交换模式。传统的“一对多”数据交换通过一个中心节点对接多个数据点，中心节点将要处理的数据分配给各个数据点，数据点处理后传回中心节点。这种形式的数据具有来回交换，占用带宽，还会出现“多个等一个”的情况，处理效率不高。“环式”数据交换模式不存在中心节点，数据点两两对接，一个完成任务后传递给另一个，数据传输单向，节省带宽，同时大大提升了处理效率。如图6所示，在本实施例中，多个数据中心通过光纤10构成环式连接，进行数据交换传输。

更进一步地，本实施例采用“梯度修剪”的数据传输方法。传统的宽带传输方式，在百兆位通信满载的情况下进行传输数据，耗能巨大，偶尔出现超载情况，影响运行。“梯度修剪”方法即采用算法进行数据输入，经算法处理过的数据占用带宽少，实现断续传输，并且承载信息不失真。能够保证千兆位的有效通信，即使在满载运行的情况下，带宽也能做到断续传输，留出足够的可利用空间，确保效率的同时减少能耗。

梯度修剪的数据交换传输方法通过以下式（A）、式（B）和式（C）的算法进行数据输入：

式（A）

式（B）

式（C）

其中， 为当前学习得到的梯度； 为动量； 为在第t个迭代中习得的权重； 为在第t+1个迭代中习得的权重的近似值； 在第t个迭代中第i层神经网络习得的权重；η为学习率；为训练的总节点数；为学习训练梯度函数：；B为批处理的大小(batchsize)；为当前状态；sparse为稀疏化处理。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的水下自给式数据中心装置及其数据交换传输方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种水下自给式数据中心装置，其特征在于，包括：水密筒体、设置在水密筒体内部的数据中心、以及设置在水密筒体外部的浮力摆发电装置；所述浮力摆发电装置通过连通管与水密筒体相连；所述数据中心与浮力摆发电装置电气连接；所述水密筒体和浮力摆发电装置的底部分别固定设置有锚固件。

2.根据权利要求1所述的水下自给式数据中心装置，其特征在于：所述数据中心，通过数据中心支架固定在水密筒体内部；所述水密筒体内部充满氮气。

3.根据权利要求1所述的水下自给式数据中心装置，其特征在于：在所述浮力摆发电装置中：浮力摆驱动压缩发电机的液压缸的活塞；所述压缩发电机的液压缸连接单向阀；在所述压缩发电机中，单向阀、油箱和液压马达构成油路回路，所述油路回路中还设置有溢流阀和蓄能器；所述液压马达连接发电机。

4.根据权利要求1所述的水下自给式数据中心装置，其特征在于：所述浮力摆发电装置有多个，水密筒体有多组；每组水密筒体包括多个相互平行且通过连接钢板固接的水密筒体，每两个浮力摆对应连接一组水密筒体。

5.根据权利要求1-4其中任一所述的水下自给式数据中心装置，其特征在于：所述数据中心连接延伸至水密筒体外部的光纤。

6.根据权利要求4所述的水下自给式数据中心装置，其特征在于：所述连通管的材质与水密筒体的材质相同。

7.根据权利要求5所述的水下自给式数据中心装置，其特征在于：所述水密筒体和浮力摆发电装置通过锚固件锚固于水底；所述光纤在水密筒体之外的部分埋设在地下。

8.根据权利要求7所述的水下自给式数据中心装置的数据交换传输方法，其特征在于：多个所述数据中心通过光纤构成环式连接，进行数据交换传输。

9.根据权利要求9所述的水下自给式数据中心装置的数据交换传输方法，其特征在于：采用梯度修剪的数据交换传输方法。

10.根据权利要求10所述的水下自给式数据中心装置的数据交换传输方法，其特征在于：所述梯度修剪的数据交换传输方法通过式（A）、式（B）和式（C）的算法进行数据输入：

式（A）

式（B）

式（C）

其中，为当前学习得到的梯度；为动量；为在第t个迭代中习得的权重；为在第t+1个迭代中习得的权重的近似值；在第t个迭代中第i层神经网络习得的权重；η为学习率；为训练的总节点数；为学习训练梯度函数：；B为批处理的大小(batchsize)；为当前状态；sparse为稀疏化处理。