オランダ、エームスハーフェンにある旧 Google データセンターGoogle は、大容量ドライブ、ラックの通路に配置されたコンピュータノード、内部および外部のネットワーク、環境制御 (主に冷却と加湿の制御)、運用ソフトウェア (特に負荷分散とフォールト トレランスに関するもの)を組み合わせた大規模なデータ センター施設を使用してサービスを提供しています。
Googleデータセンターに何台のサーバーがあるのかに関する公式データはありませんが、ガートナーは2016年7月のレポートで、当時のGoogleのサーバー台数は250万台と推定しています。この数字は、Googleが容量を拡大し、ハードウェアを更新しているため、変化しています。[ 1 ]
場所
Googleの各データセンターの大陸別の所在地は次のとおりです。[ 2 ] [ 3 ]
ハードウェア
オリジナルハードウェア
Google の最初の本番サーバー ラック(1998 年頃)Googleがスタンフォード大学に拠点を置いていた当時使用されていたオリジナルのハードウェア(1998年頃)には以下のものが含まれていた。[ 78 ]
- Sun Microsystems Ultra II(デュアル200MHzプロセッサ、256MBのRAM搭載 )。 これがオリジナルのBackrubシステムのメインマシンでした。
- Intelから寄贈された300MHzデュアルPentium IIサーバー2台には、512MBのRAMと9GB のハードドライブ10台が搭載されていました。メインの検索はこれらのサーバー上で実行されました。
- IBMから寄贈されたF50 IBM RS/6000には、4 つのプロセッサ、512 MB のメモリ、8 × 9 GB ハード ディスク ドライブが搭載されていました。
- 追加の2つのボックスには、それぞれ9GBハードドライブ3台と4GBハードディスクドライブ6台(Backrubのオリジナルストレージ)が収められていました。これらはSun Ultra IIに接続されていました。
- IBM から寄贈された 8 × 9 GB ハード ディスク ドライブを備えた SSD ディスク拡張ボックス。
- 10 × 9 GB SCSIハード ディスク ドライブが入った自家製ディスク ボックス。
Google クラスタ
2003年のGoogleのインフラストラクチャの状態は、ルイス・アンドレ・バローゾ、ジェフ・ディーン、ウルス・ヘルツレによる報告書で「信頼性の低いコモディティPCのクラスターから構築された信頼性の高いコンピューティングインフラストラクチャ」と表現されています。[ 79 ]
当時、1回の検索クエリは平均で約100MBのデータを読み込み、 CPUサイクルを消費していました。ピーク時には、Googleは1秒あたり約1,000件のクエリを処理していました。このピーク負荷に対応するため、Googleはコスト削減のため、高価なスーパーコンピュータハードウェアではなく、約15,000台の汎用PCで構成されたコンピューティングクラスタを構築しました。ハードウェアの信頼性の低さを補うため、フォールトトレラントソフトウェアを開発しました。 
クラスタの構造は5つの部分で構成されています。中央のGoogle Webサーバー(GWS)はパブリックインターネットに面しています。ユーザーからのリクエストを受信すると、Google Webサーバーはスペルチェッカー、広告サーバー、多数のインデックスサーバー、多数のドキュメントサーバーと通信します。4つの各部分はリクエストの一部に応答し、GWSはそれらの応答をまとめてユーザーに最終的なレスポンスを提供します。
生のドキュメントは約100TB、インデックスファイルは約10TBでした。インデックスファイルはシャーディングされており、各シャードはインデックスサーバーの「プール」によって提供されます。同様に、生のドキュメントもシャーディングされています。インデックスファイルへのクエリごとにドキュメントIDのリストが生成され、ドキュメントサーバーに送信されてタイトルとコンテキスト内キーワードのスニペットが取得されます。
使用されていたCPU世代は複数あり、シングルプロセッサの533MHz Intel-Celeronベースサーバーからデュアル1.4GHz Intel Pentium IIIまで多岐にわたりました。各サーバーには、 80GBのハードドライブが1台以上搭載されていました。インデックスサーバーのディスク容量はドキュメントサーバーよりも小さくなっています。各ラックには、両側に1台ずつ、合計2台のイーサネットスイッチが設置されていました。各ラックのサーバーは100Mbpsで相互接続されていました。各スイッチは、すべてのラックに接続された中央スイッチへの約250MB/秒のアップリンクを備えていました。
設計目標は次のとおりです。
- 信頼性の低い消費者向けハードウェアを使用し、フォールト トレラント ソフトウェアでそれを補います。
- 大規模なインデックス内の単一のドキュメント一致検索を、多数の小さなインデックスにわたるMapReduceに分割するなどして、並列処理を最大化します。
- クラスターは大規模な共有メモリ マシンであるため、インデックス データと計算をパーティション分割して通信を最小限に抑え、サーバー間で負荷を均等に分散します。
- すべてのソフトウェアを社内で開発することで、システム管理のオーバーヘッドを最小限に抑えます。
- 絶対的なパフォーマンスではなく、パフォーマンス/価格を最大化するハードウェアを選択してください。
- 高いレイテンシよりも高いスループットを持つハードウェアを選びましょう。これは、クエリが大規模な並列処理で処理され、依存するステップが極めて少なく、サーバー間の通信も最小限に抑えられるため、高いレイテンシは問題にならないためです。
大規模な並列処理により、ハードウェアをスケールアップするとスループットが直線的に増加します。つまり、コンピューティング クラスターを 2 倍にすると、1 秒あたりに処理可能なクエリの数も 2 倍になります。
クラスターは、2つの構成(1Uラック×40台、2面構成、または2Uラック×20台、2面構成)のサーバーラックで構成されています。消費電力はラックあたり10kW、密度は400W/ft^2で、月間消費電力は10MWh、月額費用は1,500ドルです 。
生産ハードウェア
2014年現在、GoogleはDebian Linuxの大幅にカスタマイズされたバージョンを使用しています。同社は2013年にRed Hatベースのシステムから段階的に移行しました。[ 80 ]
カスタマイズの目標は、絶対的なパフォーマンスではなく、1ドルあたりのパフォーマンスが最も高いCPU世代を購入することです。これをどのように測定するかは不明ですが、サーバー全体の運用コストが組み込まれる可能性が高く、CPUの消費電力が重要な要素となる可能性があります。[ 81 ] 2009~2010年時点のサーバーは、2つのプロセッサー(それぞれ複数のコア[ 82 ])、ダブルハイトDIMMを収容する8つのDIMMスロットに分散されたかなりの量のRAM、非標準のATXサイズの電源ユニットを介して接続された少なくとも2つのSATAハードディスクドライブを備えたカスタムメイドのオープントップシステムで構成されていました。[ 83 ]サーバーがオープントップだったのは、より多くのサーバーをラックに収めるためでした。CNETとジョン・ヘネシーの著書によると、各サーバーにはコストを削減し、電力効率を向上させるために、新しい12ボルトバッテリーが搭載されていました。[ 82 ] [ 84 ]
グーグルによると、同社の世界規模のデータセンターの運用電力は2010年までに500~681メガワットの範囲に及んだ。 [ 85 ] [ 86 ]これらのサーバーを合わせた処理能力は2008年には20~100ペタフロップスに達した可能性がある。 [ 87 ]
ネットワークトポロジ
Googleの全世界のプライベートネットワークの詳細は公表されていないが、Googleの出版物[ 88 ] [ 89 ]では、GoogleをLevel 3に次ぐ第3位のISPとしてランク付けした「Atlas Top 10」レポートに言及している。
このような大規模なネットワークを、可能な限り低コストで、できるだけ多くのISPに直接接続して運用するために、Googleは非常にオープンなピアリングポリシーを採用しています。[ 90 ]
このサイトから、Google ネットワークには世界中の 67 か所のパブリック エクスチェンジ ポイントと 69 か所からアクセスできることがわかります。2012 年 5 月の時点で、Google は 882 Gbit/s のパブリック接続を保有していました (Google が大手 ISP と締結しているプライベート ピアリング契約は除く)。このパブリック ネットワークは、Google ユーザーにコンテンツを配信するだけでなく、インターネットをクロールして検索インデックスを作成するためにも使用されます。ネットワークのプライベート側は秘密ですが、Google の最近の開示情報[ 91 ]によると、同社はワイド エリア ネットワークにカスタム構築された高基数スイッチ ルーター(10ギガビット イーサネットポート× 128 個の容量) を使用しています。データセンターごとに少なくとも 2 台のルーター (冗長性のため) を実行していることから、Google ネットワークはテラビット/秒の範囲で拡張可能であると結論付けることができます (2 台のルーターがフル装備の場合、2 セクションの帯域幅は 1,280 Gbit/s になります)。
これらのカスタム スイッチ ルーターはDWDMデバイスに接続され、ダーク ファイバー経由でデータ センターとPoint of Presence (PoP)を相互接続します。
データセンターの観点から見ると、ネットワークはラック レベルから始まります。ここでは、19 インチ ラックがカスタム メイドされ、40 ~ 80 台のサーバー (両側に20 ~ 40 台の 1 Uサーバー、新しいサーバーは 2U ラックマウント システム) が搭載されています。 [ 92 ]各ラックにはイーサネット スイッチがあります。サーバーは、1 Gbit/sイーサネットリンクを介してトップ オブ ラック スイッチ (TOR) に接続されます。次に、TOR スイッチは、複数のギガビットまたは 10 ギガビット アップリンクを使用してギガビットクラスター スイッチに接続されます。 [ 93 ]クラスター スイッチ自体は相互接続され、データセンター相互接続ファブリックを形成します (従来のバタフライ レイアウトやフラット化されたバタフライ レイアウトではなく、トンボ デザインを使用する可能性が高い[ 94 ] )。
運用面では、クライアントコンピュータがGoogleに接続しようとすると、複数のDNSサーバーがラウンドロビンwww.google.com方式によって複数のIPアドレスに解決されます。さらに、これは第一段階の負荷分散として機能し、クライアントを異なるGoogleクラスタに誘導します。Googleクラスタには数千台のサーバーがあり、クライアントがサーバーに接続すると、クエリを最も負荷の少ないウェブサーバーに送信するために追加の負荷分散が行われます。これにより、Googleは最大規模かつ最も複雑なコンテンツ配信ネットワークの一つとなっています。[ 95 ]
Googleは世界中に多数のデータセンターを保有しています。少なくとも12の重要なGoogleデータセンターが米国にあります。最大のデータセンターは、オレゴン州ダレス、ジョージア州アトランタ、バージニア州レストン、ノースカロライナ州レノア、サウスカロライナ州モンクスコーナーにあります。[ 96 ]ヨーロッパでは、最大のデータセンターはオランダのエームスハーフェンとフローニンゲン、ベルギーのモンスにあります。[ 96 ] Googleのオセアニアデータセンターはオーストラリアのシドニーにあります。[ 97 ]
データセンターネットワークトポロジ
フォールトトレランスをサポートし、データセンターの規模を拡大し、低基数スイッチに対応するために、Googleは過去にさまざまな修正されたClosトポロジを採用してきました。 [ 98 ]
プロジェクト02
オレゴン州ダレスにある Google データセンターグーグル最大のデータセンターの一つは、オレゴン州ザ・ダレスの町にあり、コロンビア川沿い、ポートランドから約80マイル(129 km)の距離にある。「プロジェクト02」というコードネームで呼ばれるこの複合施設は2006年に建設され、アメリカンフットボール場2つ分ほどの広さで、4階建ての冷却塔を備えている。 [ 99 ] [ 100 ]この場所は、安価な水力発電を利用し、ドットコムバブルの名残であるこの地域の大量の余剰光ファイバーケーブルを活用するために選ばれた。敷地の設計図は2008年に公開された。[ 101 ]
スマ製紙工場
2009年2月、ストーラ・エンソはフィンランドのハミナにあるスンマ製紙工場をグーグルに4000万ユーロで売却したと発表した。 [ 102 ] [ 103 ]グーグルはデータセンターを建設するためにこの場所に2億ユーロを投資し、2012年にはさらに1億5000万ユーロの投資を発表した。[ 104 ] [ 105 ]グーグルがこの場所を選んだのは、再生可能エネルギー源の利用可能性と近さのためである。[ 106 ]
フローティングデータセンター
2013年、報道機関はカリフォルニア州(トレジャーアイランドのビルディング3)とメイン州の沿岸にGoogleの浮体式データセンターが存在することを明らかにしました。この開発プロジェクトは厳重な秘密裏に進められていました。データセンターは長さ250フィート、幅72フィート、深さ16フィートです。海中データセンター冷却技術の特許は、2009年にGoogleによって取得されました[ 107 ] [ 108 ](2008年には波力発電の船舶型データセンターの特許も取得しました[ 109 ] [ 110 ])。その後まもなく、Googleは、秘密裏に建設された2つの巨大なインフラは「インタラクティブな学習センターであり、人々が新しい技術について学ぶことができる空間」であると宣言しました[ 111 ] 。
グーグルは2013年後半にはしけでの作業を中止し、2014年にはしけの売却を開始した。[ 112 ] [ 113 ]
ソフトウェア
Googleがサーバーで使用しているソフトウェアスタックのほとんどは社内で開発されたものである。[ 114 ] 2006年の著名な元Google社員によると、C++、Java、Python、(最近では)Goが他のプログラミング言語よりも好まれているという。[ 115 ]たとえば、GmailのバックエンドはJavaで書かれており、Google検索のバックエンドはC++で書かれている。[ 116 ] GoogleはPythonが当初から重要な役割を果たしており、システムが成長し進化するにつれてその役割を担い続けていることを認めている。[ 117 ]
Googleのインフラストラクチャを実行するソフトウェアには以下が含まれます。[ 118 ]
Googleは、ほとんどのデータを保存するために使用するいくつかの抽象化を開発しました。[ 126 ]
ソフトウェア開発の実践
ほとんどの操作は読み取り専用です。更新が必要な場合、クエリは他のサーバーにリダイレクトされ、一貫性の問題を簡素化します。クエリはサブクエリに分割され、これらのサブクエリは異なるサーバーに並列に送信されるため、レイテンシが短縮されます。[ 92 ]
避けられないハードウェア障害の影響を軽減するため、ソフトウェアはフォールトトレラント設計を採用しています。そのため、システムがダウンした場合でも、データは他のサーバー上で利用可能であり、信頼性が向上します。
検索インフラストラクチャ
オレゴン州ダレスにある Google データセンター索引
ほとんどの検索エンジンと同様に、Googleは転置インデックスと呼ばれるデータ構造を構築することで文書のインデックスを作成します。このインデックスは、検索語句に基づいて文書のリストを取得します。サーバーに保存されている文書の数が多いため、インデックスは非常に大きくなります。[ 95 ]
インデックスはドキュメントIDによってシャードと呼ばれる複数の断片に分割され、各シャードは複数のサーバーに複製されます。当初、インデックスは従来の情報検索(IR)システムと同様に、ハードディスクドライブから提供されていました。Googleは、増加するクエリ量に対応するため、各シャードのレプリカ数を増やし、サーバー数も増やしました。間もなく、インデックス全体のコピーをメインメモリに保存するのに十分なサーバー数があることに気づき(ただし、レプリケーションは低レベル、あるいは全く行われない)、2001年初頭にGoogleはインメモリ・インデックス・システムに移行しました。この移行により、検索システムの「多くの設計パラメータが根本的に変更」され、スループットが大幅に向上し、クエリのレイテンシが大幅に減少しました。[ 131 ]
2010年6月、Googleは検索インデックスを継続的にクロール・更新できる次世代のインデックス作成・配信システム「Caffeine」を発表しました。これまでGoogleは、一連のMapReduceジョブを用いて検索インデックスを一括更新していました。インデックスは複数のレイヤーに分割されており、レイヤーによっては更新速度が異なり、メインレイヤーは最大2週間更新されないこともありました。Caffeineでは、インデックス全体が継続的に増分更新されます。その後、Googleは「Percolator」[ 132 ]と呼ばれる分散データ処理システムを発表しました。これがCaffeineインデックスシステムの基盤と言われています。[ 124 ] [ 133 ]
サーバーの種類
Googleのサーバーインフラストラクチャはいくつかの種類に分かれており、それぞれ異なる目的に割り当てられています。[ 92 ] [ 95 ] [ 134 ] [ 135 ] [ 136 ]
- ウェブサーバーは、ユーザーから送信されたクエリの実行を調整し、その結果をHTMLページにフォーマットします。実行は、インデックスサーバーへのクエリの送信、結果のマージ、順位の計算、各ヒットの概要の取得(ドキュメントサーバーを使用)、スペルチェックサーバーへの候補の問い合わせ、そして最後に広告サーバーからの広告リストの取得で構成されます。
- データ収集サーバーは、ウェブのスパイダー処理に常時使用されます。GoogleのウェブクローラーはGoogleBotと呼ばれ、インデックスとドキュメントデータベースを更新し、Googleのアルゴリズムを適用してページのランキングを決定します。
- 各インデックスサーバーには、インデックスシャードのセットが含まれています。これらのシャードは、特定のドキュメントID(「docid」)に対応するドキュメントにクエリワードが含まれるように、ドキュメントIDのリストを返します。これらのサーバーは必要なディスク容量は少ないですが、CPU負荷は最も高くなります。
- ドキュメントサーバーは文書を保存します。各文書は数十台のドキュメントサーバーに保存されます。検索を実行すると、ドキュメントサーバーは検索語に基づいて文書の要約を返します。また、要求に応じて文書全体を取得することもできます。これらのサーバーはより多くのディスク容量を必要とします。
- 広告サーバーは、AdWordsやAdSenseなどのサービスによって提供される広告を管理します。
- スペル サーバーはクエリのスペルに関する提案を行います。
また、「カナリアリクエスト」と呼ばれるものもあり、これはリクエストをまず1つまたは2つのリーフサーバーに送信し、応答時間が適切かどうかを確認します。適切でない場合、リクエストは失敗します。これによりセキュリティが確保されます。[ 137 ]
安全
2013年10月、ワシントンポスト紙は、米国国家安全保障局がMUSCULARというプログラムの一環として、Googleのデータセンター間の通信を傍受したと報じた。[ 138 ] [ 139 ]この盗聴が可能になったのは、当時Googleが自社ネットワーク内でやり取りされるデータを暗号化していなかったためである。[ 140 ]これは、Googleが2013年にデータセンター間で送信されるデータを暗号化し始めたことで修正された。 [ 141 ]
環境への影響
オクラホマ州メイズ郡ミッドアメリカ工業団地の Google データセンター2012年にGoogleが最も効率よく稼働したデータセンターのいくつかは、電気で動く空調を必要とせず、新鮮な空気のみで冷却し、35℃(95°F)で稼働した。[ 142 ]
2016年12月、Googleは2017年以降、データセンターとオフィスのエネルギー使用量の100%に相当する再生可能エネルギーを購入すると発表しました。このコミットメントにより、Googleは「世界最大の再生可能エネルギー購入企業となり、風力と太陽光発電で合計2.6ギガワット(2,600メガワット)の電力を購入する」ことになります。[ 143 ] [ 144 ] [ 145 ]
2025年、グーグルはアイオワ州にある600MWのデュアン・アーノルド原子力発電所を2029年までに再稼働させるために資金を支払うことに同意した。[ 146 ]
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