Есть веские причины отправить 19-дюймовые стойки на орбиту и даже дальше

В прошлом году человечество впервые развернуло в космосе обычный центр обработки данных. В феврале 2021 года на Международной космической станции (МКС) была установлена система HPE Spaceborne Computer-2. На борт были доставлены машины двух моделей HPE Edgeline Converged EL4000 Edge и HPE ProLiant, оснащенные графическими процессорами Nvidia T4 для решения задач искусственного интеллекта. Это был первый готовый сервер, используемый в космосе для реальных рабочих нагрузок. “Цель миссии состояла в том, чтобы избежать затрат времени и средств на создание усиленной защиты компьютеров”, – здесь и далее говорит Марк Фернандес (Mark Fernandez), главный разработчик программы в Hewlett Packard Enterprise в интервью порталу Data Center Knowledge.

Время для аппаратного обновления

Большинству компьютеров в космосе, что стоят на марсианских спускаемых аппаратах, спутниках и системах управления космическими станциями уже десятки лет. Специальные, так скажем “закаленные” процессоры для космоса, что доступны сегодня, были выпущены примерно в 1995–1996 годах. Эти процессоры не только медленные, но к ним еще и трудно найти разработчиков, которые могут писать программное обеспечение.

Сама МКС работает на процессорах Intel 80286SX, выпущенных в конце 1980-х годов. Также на ней находится более сотни ноутбуков, планшетов и других устройств, использующихся в качестве удаленных терминалов для управления компьютерами, мультиплексорами, для отправки почты, выхода в интернет и отдыха.

Ключевые системы работают на надежном оборудовании, защищенном от радиации. Это означает, что они используют либо резервные схемы, либо изолирующие подложки вместо обычных полупроводниковых пластин на чипах. Разработка такого компьютера занимает годы, равно как и тестирование. Миссии тоже планируются на годы вперед и к тому времени, когда компьютер попадает в космос, он уже безнадежно устаревает.

Поэтому требовалось доставить в космос оборудование для ЦОДов примерно, как коробки для пиццы. И чтобы решить проблему защиты компьютеров от радиации HP решила попробовать использовать программное обеспечение.

Первая отправка сервера в космос – Spaceborne Computer-1 была осуществлена в 2017 году – он провел на станции почти два года (615 дней), несмотря на то, что первоначально работа была запланирована только на год.

У этой миссии была задача ответить на три вопроса:

1. Можете ли вы взять компьютер прямо с завода и доставить его на космическую станцию?

2. Можете ли вы обучить астронавтов установить его на борту и заставить работать?

3. Как только он включится, будет ли он корректно работать, а если да, то как долго?

В первой миссии было два сервера. Внутри специальной ниши (шкафа) на МКС исследователи разместили стандартную 19-дюймовую стойку, поэтому серверы вообще не пришлось модифицировать.

Необходимо было доказать, что всё это работает, для чего разработчики загрузили процессор, память и диски набором эталонных тестов – 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году. Применяя стандартные тесты вы всегда знаете, какими должны быть результаты, поэтому, когда работа будет завершена, вы сможете увидеть, получили ли вы правильный ответ или нет. Всего было проведено 50 000 тестов и ни разу не было ошибки.

Те же тесты проводились на Земле в идентичной системе.

Необходимо заметить, что серверы были в исправном состоянии, когда НАСА отключило их и вернуло на Землю.

Видео-рассказ Марка Фернандеса о первой и второй миссии.

Космос не любит SSD

В космической системе было 20 твердотельных накопителей, девять из которых вышли из строя в ходе первой миссии. У наземных близнецов отказал только один. И именно им было уделено больше всего внимания в Spaceborne-2.

На этот раз НАСА также хотела, чтобы система проработала не менее 3 лет – столько времени потребуется, чтобы добраться до Марса и обратно. Так что HP удвоила аппаратное обеспечение – теперь было 4 сервера, по 2 в каждом шкафу.

Spaceborne Computer-2 включает готовую конвергентную систему HPE Edgeline Converged EL4000 Edge, защищенный сервер, предназначенный для работы в более суровых условиях с более высокими уровнями ударов, вибрации и температуры. Он работает в паре со стандартным промышленным сервером HPE ProLiant DL360. Ранее серверы не выполняли интенсивные тесты, поэтому компьютеры не так сильно нагружались. На этот раз они выполняли реальные рабочие нагрузки.

Edgeline 4000 включает в себя графический процессор, поэтому его можно использовать для решения задач с применением искусственного интеллекта, машинного обучения, а также для обработки изображений. По словам исследователей на середину декабря 2021 года ни один из дисков в новой системе не вышел из строя.

Приложения

Это хоть и небольшой, но первый центр обработки данных граничных вычислений, который теперь работает в космосе.

Одной из его задач является анализ ДНК. Раньше астронавты проверяли свою ДНК раз в месяц, затем данные отправлялись для обработки на Землю. Сейчас обработка происходит на МКС, а на Землю отправляются только результаты, что уменьшает объем передаваемых данных в 20 000 раз.

Когда появилась возможность обрабатывать данные за 13 минут, а передавать результаты за 2 секунды, то следить за здоровьем космонавтов можно ежедневно, а не ежемесячно.

На МКС исследователи также анализируют ДНК грызунов и растений.

Еще одна большая область исследований – телекоммуникации. Сюда входят работы по тестированию и моделированию связи поколения 5G и выше, межспутниковой связи, различных протоколов и алгоритмов безопасности и шифрования, а также новых протоколов для спутников при отправке данных в прямом смысле вниз (download) на Землю.

Обработка изображений – еще один часто используемый вариант применения космических центров обработки данных. Камеры на орбите собирают огромное количество изображений с Земли, но есть предел тому, сколько их можно скачать.

На многих изображениях видны только облака или морская гладь. Но людей интересует то, что меняется, например, какие объекты и дороги в Хьюстоне затоплены после урагана? Эту информацию нужно довести до служб быстрого реагирования и как можно быстрее. 

Другие примеры: сколько машин на стоянке магазина? Сколько строительной техники на участке? Сколько контейнеровозов в порту? И хотя этот вариант использования все еще находится на стадии проверки концепции, но он может быть востребован.

Спутники и путь к коммерциализации

Установка центра обработки данных на спутнике сопряжено с иными проблемами, чем его размещение на МКС. Внутренняя среда МКС безопасна для человека. Уровни температуры регулируются, есть воздух, и человеческие руки рядом, чтобы починить все, что нужно. Но, к примеру уже сейчас потребность в воздухе для охлаждения серверов устранена. Spaceborne 1 и Spaceborne 2 имели водяное охлаждение и им было разрешено подключаться к контуру водяного охлаждения космической станции.

Однако, с тем, чтобы разместить ЦОДы на спутниках HP работает с партнером OrbitsEdge.

“Наш план состоит в том, чтобы построить коробку, которая обеспечивала бы радиационную защиту и управление температурой, и чтобы всё, что мы помещаем в эту коробку, могло летать и работать”, – здесь и далее сообщает Рик Уорд (Rick Ward), основатель и технический директор OrbitsEdge.

Спутниковая система OrbitsEdge имеет форму зонтика с солнечными панелями наверху, которые генерируют энергию с одной стороны и и обеспечивают тень для компьютера под ним – с другой. В самом низу спутника располагаются радиаторы, которые направляют лишнее тепло прямо в космос. Другими словами, питание и охлаждение бесплатны.

Ожидается, что первый демонстрационный спутник будет запущен до конца 2022 года. И в конечном итоге, разработчики рассчитывают увидеть серверы не только на спутниках Земли, МКС и новых коммерческих космических станциях, но и на космической станции Lunar Gateway, на самой Луне, а также на Марсе и его орбите.

По мере снижения стоимости запуска для выполнения космических задач могут быть отправлены группы спутников специального назначения, предназначенные только для обработки данных. В какой-то момент станет возможным значительно увеличить вычислительную мощность, доступную в космосе либо из-за резкого снижения стоимости запуска, либо из-за космического производства компьютерного оборудования. В этот момент космические центры обработки данных смогут начать обрабатывать рабочие нагрузки для наземных клиентов.

Наземные центры обработки данных имеют высокие затраты на электроэнергию и используют дорогую недвижимость. В космосе между солнцем и солнечными панелями нет облаков, а охлаждение бесплатное. Современные дата-центры имеют относительно низкие первоначальные затраты, стоимость здания и оборудования, но имеют постоянные эксплуатационные расходы. В космосе всё наоборот – у вас высокие первоначальные затраты, но ваши текущие расходы значительно ниже.

Космические центры обработки данных могут предложить и другие преимущества. Квантовые вычисления, например, требуют чрезвычайно низких температур. В космосе можно достичь экстремально низких температур, просто держа компьютер в тени. И в космосе также нет вибрации. Космическое производство позволяет создавать новые виды литографии, совершенные кристаллы и иметь другие преимущества по сравнению с наземными объектами.

По словам Марка Фернандеса, размещение центров обработки данных в космосе имеет смысл для бизнеса.

Еще одна компания, которая планирует начать ранние испытания платформы космического центра обработки данных – это NTT, которая работает в партнерстве с японской SKY Perfect JSAT Holdings.

Компания планирует запустить несколько спутников с вычислительными возможностями и возможностями хранения данных, которые будут образовывать единый ЦОД по оптическим каналам связи. Ожидается, что первые спутники, составляющие эту сеть, будут запущены к 2025 году. Компания полагает, что в следующем году появится больше конкурентов с этой же концепцией.

В прошлом году Европейское космическое агентство запустило PhiSat-1 – первый спутник с искусственным интеллектом на борту. В PhiSat-1 используется чип Intel Movidius Myriad 2, который не предназначен специально для космических полетов.

Профессор университета штата Северная Дакота Джереми Штрауб (Jeremy Straub), являющийся экспертом в области космических вычислений говорит: “Предстоит еще много работы, которую необходимо проделать, прежде чем мы увидим полномасштабную индустрию космических центров обработки данных. Мы увидим серверную комнату для поддержки деятельности станции, однако это не будет центр обработки данных для обслуживания других клиентов, и он не будет такого размера, как вы обычно себе представляете ЦОД. Вместе с тем нам нужно больше инфраструктуры в космосе».

Публикация подготовлена компанией ITSOFT. Размещение и аренда серверов и стоек в двух ЦОДах в Москве; colocation GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов. Лицензии связи, SSL-сертификаты. Администрирование серверов и поддержка сайтов.