Почему создание орбитальных центров обработки данных сложнее, чем считают в Кремниевой долине

«Космические вычисления, последний рубеж, уже здесь», — заявил генеральный директор Nvidia Дженсен Хуанг на конференции Nvidia GTC в марте.

Действительно, идея центров обработки данных на орбите перешла из области научной фантастики в серьезную категорию инвестиций. Компания SpaceX Илона Маска приобрела xAI (также принадлежащую Маску) и планирует создать группировку космических центров обработки данных. Google, не желая отставать, объявил о проекте Suncatcher в партнерстве с Planet, планируя запустить два спутника, оснащенных чипами Google Tensor Processing Unit (TPU) для искусственного интеллекта, к началу 2027 года. Стартап Starcloud уже подал в Федеральную комиссию связи предложение о создании группировки из 88 000 спутников для орбитальных центров обработки данных. Как следует из заявки Starcloud, все эти компании предлагают создать флотилии из тысяч спутников, каждый из которых будет содержать стойку или несколько стоек с графическими процессорами для ИИ, соединенных друг с другом оптическими каналами связи в свободном пространстве и обменивающихся данными с Землей по микроволновым каналам связи, либо напрямую, либо через другие спутники.

Сторонники превозносят многочисленные чудеса космических вычислений: обилие солнечной энергии, бесплатное охлаждение и отсутствие земных возмущений, таких как землетрясения, наводнения и протесты. Но трезвый взгляд на физику космических вычислений рисует гораздо более сложную картину.

Пожалуй, самое большое заблуждение — это отсутствие естественного охлаждения. Космос холодный, но в нём нет атмосферы. Это означает, что лучшие механизмы отвода тепла — теплопроводность и конвекция — недоступны. Единственный вариант — излучение. Чтобы предотвратить перегрев чипа в космосе, требуется большая и дорогостоящая поверхность для рассеивания энергии и её последующего излучения.

Солнечная энергия доступна в изобилии, но её сбор с помощью исправных солнечных панелей, обеспечивающих идеальное выравнивание относительно Солнца, — сложная задача, требующая обширных систем управления ориентацией. Кроме того, ионизирующее излучение в космосе от космических лучей и других источников представляет собой уникальную проблему, приводя к деградации солнечных панелей, радиационных охладителей и самих микросхем. Поскольку регулярное техническое обслуживание в космосе затруднено, при запуске необходимо предусмотреть резервирование, а при оценке затрат следует учитывать снижение эффективности с течением времени.

В компании ABI Research, где я работаю аналитиком в аэрокосмической отрасли, мы провели приблизительное сравнение общей стоимости владения центром обработки данных на Земле и центром в космосе. Результаты показали, что стоимость запуска и эксплуатации графического процессора в космосе в течение года как минимум на порядок выше, чем аналогичная задача в наземном центре обработки данных. Наша модель была простой, предполагая запуск серверной стойки Nvidia H100 с солнечной панелью и радиатором необходимого размера на космическом аппарате, подобном пилотному запуску Starcloud. Мы предположили, что Starship компании SpaceX использовался при крайне оптимистичной стоимости запуска за килограмм в 44 доллара США и стоимости наземной энергии в 0,20 доллара за киловатт-час. Это простой приблизительный расчет, но он указывает на реальные факты.

С нашей точки зрения, стоимость доставки и защиты полезной нагрузки от космического воздействия делает экономически нецелесообразным создание универсальных космических центров обработки данных сегодня, несмотря на то, что строители центров обработки данных во многих регионах борются за электроэнергию. Однако существуют нишевые приложения, где гораздо более высокие затраты на вычисления в космосе могут быть оправданы. Примерами являются предварительная обработка данных со спутников наблюдения Земли, обнаружение и отслеживание гиперзвуковых ракет в реальном времени, а также активное предотвращение столкновений на все более переполненной низкой околоземной орбите. Даже для этих задач, однако, борьба с фундаментальными законами физики останется сложной и технологически сложной задачей.

Проблема охлаждения в космосе

Охлаждение — это то, где физика отделяет науку от фантастики. Уравнение, определяющее радиационное охлаждение, единственный доступный в космосе тип охлаждения, известно как закон Стефана-Больцмана. Он гласит, что количество излучаемой энергии пропорционально площади радиатора, умноженной на его температуру в четвертой степени. Для архитектора космических систем последствия этого закона крайне суровы. На орбите единственная переменная, которую мы можем контролировать, — это площадь. Это ограничение создает геометрический штраф, или «физический налог», для охлаждения в космосе: чем больше энергии необходимо отвести, тем большую площадь радиатора нужно взять с собой с Земли.

Единственный доступный в космосе метод охлаждения — радиационное, а необходимая площадь радиатора определяется с помощью закона Стефана-Больцмана. Для одного чипа, потребляющего 700 Вт, такого как популярный графический процессор Nvidia H100, площадь, необходимая для поддержания температуры 20 °C, составляет чуть менее 3 квадратных метров, а при рабочей температуре 85 °C она уменьшается до 1 квадратного метра. Однако, поскольку поверхность радиатора подвергается воздействию ионизирующего излучения, его излучательная способность уменьшается, и после 5 лет в космосе необходимая площадь увеличивается примерно на 40 процентов.

Чтобы понять, насколько велика эта базовая площадь на практике, я использовал закон Стефана-Больцмана для моделирования площади теплоотвода, необходимой для поддержания постоянной температуры 60 °C для одного чипа, потребляющего 700 Вт мощности — такого как графический процессор H100, являющийся надежным инструментом для ИИ, — обычно считающегося оптимальным для долговечности и стабильности графического процессора. Я также предположил, что радиатор идеально обращен к глубокому космосу, где фоновая температура составляет всего 3 кельвина. Согласно этим расчетам, одному чипу потребуется 1,4 квадратных метра поверхности радиатора.

Для наглядности представьте, что в стандартную стойку для ИИ можно установить примерно 32 графических процессора (четыре серверные платы H100). Вместе с процессорами, памятью и сетевым оборудованием эта стойка будет потреблять около 40 киловатт электроэнергии. В одной стойке находится 2,5 терабайта памяти — этого достаточно для обслуживания более 20 000 одновременных пользователей или запуска 16 экземпляров Llama 3, модели ИИ с открытым исходным кодом. Но для охлаждения такой тепловой нагрузки в вакууме одной стойке потребуется радиатор площадью 80 квадратных метров, примерно размером с площадку для пиклбола. Для дата-центра общей мощностью 100 мегаватт потребуется как минимум 2500 таких радиаторов.

И это наилучший сценарий. Дополнительные проблемы скрыты в самой среде низкой околоземной орбиты. В космосе радиаторы и их покрытия подвергаются воздействию химически агрессивной смеси ультрафиолетового излучения и атомарного кислорода, что совершенно противоположно условиям чистой комнаты. За типичный 5-летний срок службы спутника на низкой околоземной орбите эти элементы ухудшают свойства поверхности радиатора и снижают его способность отводить тепло.

Включение этого фактора деградации в модель показывает, что по мере износа радиатора от «нового» состояния до «исчерпавшего ресурса» физические принципы требуют дополнительных затрат. Для поддержания той же рабочей температуры в 60 °C для графических процессоров требуемая площадь поверхности увеличивается примерно с 1,4 квадратных метра на чип до почти 2,0 квадратных метров. Другими словами, физические затраты возрастают на 40 процентов. Следовательно, необходимо запустить как минимум на 40 процентов больше радиатора, выдержать большее атмосферное сопротивление и пожертвовать ценным стартовым объемом только для того, чтобы пережить деградацию термопокрытия. Это увеличение значительно повышает стоимость запуска и еще больше ухудшает экономику космического центра обработки данных.

Кремниевые вызовы в космосе

Решение проблемы перегрева — лишь часть задачи. Другая существенная проблема на низкой околоземной орбите — ионизирующее излучение, которое влияет на само вычислительное оборудование. В современных спутниках обычно используются радиационно-стойкие процессоры, которые очень надежны, но и гораздо дороже, и их производительность значительно ниже по сравнению с коммерчески доступными процессорами.

Стандартный радиационно-стойкий чип не обладает достаточной вычислительной мощностью для запуска современных больших языковых моделей (LLM). В результате операторам спутников, стремящимся запустить центр обработки данных, приходится идти на рискованный компромисс: использовать оборудование, предназначенное для наземного применения. Для достижения необходимой плотности вычислительных ресурсов орбитальные центры обработки данных должны использовать те же процессоры Nvidia H100 или Google TPU, что и наземные серверные фермы. Проблема в том, что эти чипы являются «мягкими» мишенями в космосе. Высокоэнергетические частицы могут переворачивать биты в памяти или вызывать «защелкивания» в логике, выводя из строя схему.

Один из возможных вариантов — экранировать компьютеры от радиации толстыми поглощающими панелями. Однако такая защита значительно увеличит и без того большой вес спутников. Другой вариант — компенсировать радиационное повреждение за счет резервирования. Действительно, разработчики периферийных вычислений движутся в сторону программно-определяемой отказоустойчивости, где вместо одного идеально защищенного компьютера операторы используют кластер несовершенных коммерческих компьютеров, общая стоимость которых может составлять от одной десятой до одной сотой части стоимости радиозащищенной модели.

Этот избыточный подход используется во многих космических аппаратах, включая Artemis II, который недавно доставил астронавтов вокруг Луны, а также в бортовых компьютерах SpaceX и периферийных серверах Hewlett Packard Enterprise для Международной космической станции. Запуская три (или более) экземпляра одного и того же вычисления на трех разных узлах и сравнивая результаты, система может обнаружить неисправный процессор. Если узел выходит из строя, «оркестратор» перезагружает его, в то время как остальные продолжают выполнение миссии. Хотя это обеспечивает отказоустойчивость, это также означает, что некоторая часть вычислительных мощностей выделяется на резервирование, что еще больше увеличивает затраты.

Энергетическая проблема в космосе

Одним из часто упоминаемых преимуществ космических центров обработки данных является, казалось бы, неограниченный запас бесплатной, чистой энергии Солнца. Солнечная энергия на орбите действительно в изобилии – 1361 ватт на квадратный метр. Конечно, получение этой бесплатной энергии становится возможным только благодаря очень дорогостоящему запуску на орбиту больших солнечных панелей. Кроме того, эти солнечные панели со временем деградируют из-за воздействия радиации, обычно теряя от 1 до 3 процентов эффективности в год.

Предположим, солнечная батарея собирает 1 МВт энергии для работы кластера искусственного интеллекта. Законы физики требуют, чтобы спутник в конечном итоге излучал 1 МВт избыточного тепла. Поскольку площадь, необходимая для выработки солнечной энергии (около 400 Вт/м²) и для отвода тепла (около 450 Вт/м²), практически одинакова, каждый квадратный метр выработки энергии теперь требует примерно еще одного квадратного метра охлаждения. Радиатор должен быть структурно эквивалентным, а не просто пассивным покрытием на поверхности, используемой для чего-то другого.

Как недавно отметил Илон Маск в Давосе, наиболее эффективным является тот радиатор, который никогда не видит Солнца. Ориентируя космический аппарат так, чтобы солнечные панели были обращены к Солнцу, а радиаторы — к глубокому вакууму космоса, эффективность резко возрастает для обоих элементов. Но есть один нюанс: поддержание этого идеального трехстороннего выравнивания — панели к Солнцу, радиатор к пустоте, антенны к Земле — требует сложных систем управления ориентацией с высоким крутящим моментом. Таким образом, такая конфигурация означает большую полезную нагрузку и большую вычислительную мощность. Кроме того, эти системы управления представляют собой сложные компоненты со множеством режимов отказа, что не является оптимальным в ситуации, когда техническое обслуживание затруднено.

Ключевые приложения для вычислительных систем в космосе

Учитывая все эти сложности, связанные с развертыванием массивных излучателей для спутников в агрессивной космической среде, зачем вообще строить центры обработки данных в космосе?

Хотя обучение или вывод данных на основе моделей LLM в космосе сегодня кажется нерентабельным, существуют и другие, весьма перспективные применения вычислений в космосе. Вот два из них: решение проблемы узкого места в передаче данных со спутников наблюдения Земли и обеспечение маневров предотвращения столкновений на все более переполненной низкой околоземной орбите.

Новейшие спутники наблюдения Земли, оснащенные гиперспектральными и радиолокационными датчиками с синтезированной апертурой, используются для целого ряда важных разведывательных миссий, таких как сбор информации на поле боя, отслеживание глобального теневого флота судов, перевозящих контрабанду, и оценка землетрясений или повреждений инфраструктуры с точностью до миллиметра. Эти системы могут генерировать сотни терабайт необработанных данных в день, которые необходимо передавать на Землю. Однако радиочастотные «каналы», используемые для передачи данных, перегружены, а наземная инфраструктура не может справиться с огромным объемом необработанных данных.

Еще одно неотложное и критически важное применение вычислительных систем в космосе — защита орбитальной среды. На орбите находится более 17 000 спутников, подавляющее большинство из которых расположены на низкой околоземной орбите, поэтому предотвращение столкновений между ними имеет решающее значение. Как отметил астрофизик НАСА Дональд Кесслер еще в 1978 году, одно-единственное столкновение в космосе может вызвать каскадный эффект, сделавший всю низкую околоземную орбиту непригодной для использования.

СВЯЗАННЫЕ ТЕМЫ: Достигли ли мы критической точки в отношении космического мусора?

Согласно недавнему годовому отчету SpaceX, группировка спутников Starlink в среднем выполняет маневр предотвращения столкновений каждые 2 минуты. Каждый маневр уже основан на бортовых системах искусственного интеллекта, но большая часть обработки данных по-прежнему выполняется на Земле.

По мере того, как низкая околоземная орбита становится все более заселенной, система предотвращения столкновений должна будет отказаться от традиционной модели наземного цикла. В эпоху мегасозвездий в космосе цикл OODA (наблюдение, ориентация, принятие решения, действие) должен происходить на борту, что сократит время анализа с минут до миллисекунд.

Проблема в том, что бортовые компьютеры, стандартные для спутников, не рассчитаны на такой уровень обработки данных. Сложные вероятностные модели, необходимые для маневрирования, в настоящее время не могут быть реализованы бортовыми компьютерами совместно с их навигационными системами. Очевидно, необходимы более мощные компьютеры.

Это истинное экономическое обоснование переноса вычислительных мощностей в космос: перенос туда процесса генерации информации. Разместив высокопроизводительные вычислительные системы рядом с датчиками, мы сможем обрабатывать терабайты данных на орбите и передавать только релевантные данные в режиме реального времени, а также выполнять вычисления, необходимые для предотвращения столкновений спутников, в режиме реального времени.

Будущее вычислительной техники в космосе

Итак, если предположить, что в обозримом будущем на низкой околоземной орбите неизбежны какие-либо вычислительные процессы, как же будет решаться проблема тепловыделения? В настоящее время в отрасли экспериментируют с двумя основными классами решений для преодоления действия закона Стефана-Больцмана.

Один из оригинальных вариантов — использование радиаторов, созданных по принципу оригами, подобных тем, что применялись в телескопе Джеймса Уэбба. Компании разрабатывают гибкие композитные радиаторы с высокой теплопроводностью, которые складываются в плотный куб для запуска и разворачиваются на орбите в огромные, но легкие тепловые крылья.

Другой вариант — использование жидкокапельных радиаторов. Эта концепция предполагает полное удаление жесткой конструкции радиатора и вместо этого распыление потока охлаждающего масла непосредственно в вакуум космического пространства. Жидкость циркулирует по открытому контуру, подвергаясь воздействию почти абсолютного нуля в пустоте, максимизируя площадь излучающей поверхности, прежде чем быть собранной коллектором и закачанной обратно в корабль. Это звучит как научная фантастика, но по мере роста тепловых нагрузок до мегаватт жидкокапельное охлаждение может стать единственным способом обойти ограничения по массе в этой экспоненциальной реальности.

Варианты будущей конструкции радиатора

Наша приблизительная модель расчета общей стоимости владения использует оптимистичные версии текущих показателей, таких как стоимость запуска, стоимость микросхемы и энергопотребление. Критик мог бы отметить, что будущие технологии улучшатся как в плане эффективности, так и в плане специализированных конструкций и стоимости.

Конечно, технологии, безусловно, будут совершенствоваться. Но решающим фактором является не только стоимость запуска; важна также вычислительная мощность на единицу массы и экономика производства электроэнергии. Радиаторы и солнечные батареи могут потреблять от 65 до 70 процентов общей массы спутника, а фотоэлектрические элементы космического класса стоят на порядки дороже, чем их наземные аналоги.

Крис Филпот

Даже при снижении стоимости запуска, массовая и финансовая нагрузка, связанная с выработкой электроэнергии и тепловым регулированием, останется фундаментальной проблемой.

Современные солнечные панели космического класса используют германиевые подложки, поставки которых сосредоточены в Китае. Нарастить доступность этих подложек будет крайне сложно. Переход к радиационно-стойким перовскитным солнечным панелям или аналогичной альтернативе мог бы значительно изменить экономику, но до этого момента ещё пять лет или больше. Технология станет дешевле, но узкие места в области энергопотребления и теплоснабжения останутся.

Осознание тепловых особенностей охлаждения в космосе заставляет нас изменить подход к эксплуатации спутников. Мы отходим от эпохи «запустил и забыл» к эпохе «автономной логистики». Как показала наша тепловая модель, суровые условия космоса неуклонно воздействуют на оборудование. Ультрафиолетовое излучение разрушает тепловые покрытия; космические лучи разрушают кремний. В традиционной модели спутника, когда радиатор выходит из строя или память перестает работать, спутник превращается в космический мусор. Для многомиллионного центра обработки данных такая модель утилизации потенциально губительна.

Для обеспечения экономической целесообразности орбитальных вычислений необходима ремонтопригодная инфраструктура и многоразовые ракеты для их запуска. Для орбитального применения потребуются автоматизированные сервисные аппараты, способные заменять изношенные радиаторные панели и модернизировать вышедшие из строя серверы. Таким образом, будущее орбитальных центров обработки данных зависит от инноваций, которые появятся в развивающейся космической экономике.

Есть веские основания полагать, что потребность в космических вычислениях — это не столько ажиотаж, сколько фактор, способствующий развитию новой космической экономики. Достаточно взглянуть на недавние заявки SpaceX в регулирующие органы, предлагающие создание группировки из до миллиона спутников на низкой околоземной орбите. В таком масштабе передача всех необработанных данных на Землю физически невозможна; сама сеть должна стать центром обработки данных.

Однако победителей в этом секторе определят системные архитекторы, которые наиболее умело учтут термодинамические факторы, и компании с достаточной вертикальной интеграцией, способные взять на себя огромные затраты на эксплуатацию центров обработки данных на орбите. В конечном счете, «физический налог» универсален. Будь то управление отводом тепла в вакууме низкой околоземной орбиты или управление плотностью мощности на гипермасштабном объекте в Северной Вирджинии, ограничением никогда не является кремний. Оно заключается в термодинамике.