I fjor var første gang menneskeheten distribuerte et konvensjonelt datasenter i verdensrommet. HPE Spaceborne Computer-2 – et sett med HPE Edgeline Converged EL4000 Edge og HPE ProLiant-maskiner, hver med en Nvidia T4 GPU for å støtte AI-arbeidsbelastninger – ble sendt til den internasjonale romstasjonen i februar 2021.
Dette er den første hylleserveren som er distribuert i verdensrommet for å kjøre faktiske produksjonsarbeidsbelastninger.
“Den er ikke herdet,” sa Mark Fernandez, hovedetterforsker for Spaceborne Computer-2 ved Hewlett Packard Enterprise. “Målet er å unngå tid og kostnader for å herde en datamaskin, slik at du kan bruke den nyeste teknologien.”
På tide med en maskinvareoppdatering
Andre steder i verdensrommet – på Mars-landere, i satellitter, i romstasjonskontrollsystemer – er de fleste datamaskinene flere tiår gamle.
“De herdede prosessorene som er tilgjengelige i dag er rundt 1995, 1996,” sa Fernandez til Data Center Knowledge. Ikke bare er de trege, men det er vanskelig å finne utviklere som kan skrive programvare for disse maskinene, sa han.
I tillegg er alle dagens applikasjoner designet for å kjøre på moderne datamaskiner.
Selve ISS kjører på Intel 80286SX-prosessorer som dateres tilbake til slutten av 1980-tallet. Det er også mer enn hundre bærbare datamaskiner på ISS, samt nettbrett og andre enheter. De brukes som eksterne terminaler for å styre og kontrollere multiplekser demultiplekser datamaskiner, så vel som for e-post, Internett og rekreasjon.
Nøkkelsystemer kjører på herdet maskinvare som er beskyttet mot stråling. Det betyr at de bruker enten redundante kretser eller isolerende underlag i stedet for de vanlige halvlederskivene på brikker.
Å utvikle en slik datamaskin tar årevis, det samme gjør testing. Oppdrag planlegges også år i forveien. Når en slik datamaskin kommer til verdensrommet, er den sørgelig utdatert.
“Vi ønsker å ta pizzabokser av datasenterkvalitet opp til verdensrommet,” sa Fernandez. For å løse problemet med å beskytte datamaskinene mot stråling, bestemte HPE seg for å prøve å bruke programvare.
Det første forsøket på å sette en server i verdensrommet, Spaceborne Computer-1, ble lansert i 2017 og tilbrakte nesten to år på romstasjonen, selv om oppdraget bare var planlagt å vare i ett år.
Det oppdraget hadde tre mål, ifølge Fernandez.
“For det første, kan du ta en datamaskin rett fra fabrikkgulvet, pakke den sammen for å passe på en rakett og få den til en romstasjon,” sa han. “For det andre, kan du trene astronauter til å installere den og få den til å fungere. Og for det tredje, når den først fungerer, vil den gi deg de riktige svarene, og hvor lenge?”
Spaceborne Computer-1 satt i et skap på ISS. Skapene er designet for å monteres inne i en romstasjon. Inne i skapet satte HPE et standard 19-tommers stativ, sa Fernandez. “Så vi trengte ikke å modifisere serverne i det hele tatt.”
Det første oppdraget hadde to servere som kjørte en pakke med internasjonalt anerkjente benchmarks, 24 timer i døgnet, syv dager i uken, 365 dager i året.
“Vi måtte bevise at det fungerte,” sa Fernandez. “Vi ønsket å stresse CPU’en, stresse minnet, stresse diskene. Med benchmarks vet du hva resultatene skal være, så når jobben er ferdig, kan du se om du fikk det riktige svaret. Vi gjorde 50 000 benchmarks og ikke en gang fikk vi en feil.”
De samme referansene ble kjørt på jorden på et identisk system.
Serverne fungerte fortsatt da NASA stengte dem og brakte dem tilbake til jorden.
“De ville ta en titt på dem,” sa han.
Space liker ikke SSD-er
Det rombaserte systemet hadde 20 solid state-diskstasjoner, hvorav ni hadde sviktet i løpet av oppdraget. Med de jordbaserte tvillingene hadde bare én stasjon feilet.
“Vi hadde også fem ganger antallet korrigerbare feil i verdensrommet enn på jorden,” sa Fernandez. “Men de var korrigerbare og korrigerte seg selv. Så vi er gode der. Hovedbekymringen var solid state-diskene. Det var der vi ga mest oppmerksomhet i Spaceborne 2.”
Denne gangen ønsket NASA også et system som skulle vare i minst tre år – hvor lang tid det ville ta å reise til Mars og tilbake. Så HPE doblet maskinvaren; nå er det fire servere totalt, to i hvert skap.
Spaceborne Computer-2 inkluderer det hyllevare HPE Edgeline Converged EL4000 Edge System, en robust server designet for å yte i tøffere miljøer med høyere sjokk, vibrasjoner og temperaturnivåer. Den er sammenkoblet med industristandarden HPE ProLiant DL360.
“Edgeline 4000 inkluderer en GPU slik at vi kan gjøre AI, maskinlæring og bildebehandling,” sa Fernandez.
Fra midten av desember har ingen av stasjonene i det nye systemet sviktet, sa han. Serverne kjører imidlertid ikke de intense benchmarkene de kjørte før, så datamaskinene stresses ikke så mye. Denne gangen kjører Spaceborne 2 faktiske produksjonsarbeidsmengder.
Eksisterende applikasjoner
Det kan være lite, men det første edge datasenteret er nå operativt i verdensrommet.
En av jobbene den gjør er DNA-analyse. Tidligere ville astronauter få DNA-testet en gang i måneden, og dataene sendt ned til jorden for behandling.
Nå foregår behandlingen på ISS, og bare resultatene sendes ned til jorden. Det reduserer mengden data som må overføres med 20 000 ganger, sa Fernandez.
“Nå er forskerne her på jorden i ferd med å tenke på ting som ikke en gang var tenkelige før,” sa han. “Når jeg kan behandle dataene på 13 minutter og laste ned resultatene på to sekunder, kan jeg overvåke astronautens helse daglig i stedet for månedlig.”
Forskere kan også analysere DNAet til gnagere og planter på ISS, sa han.
“Et annet stort område er kommunikasjonsforskning. Dette inkluderer arbeid knyttet til 5G og utover kommunikasjonstesting og simuleringer, satellitt-til-satellitt-kommunikasjon, forskjellige kommunikasjonsprotokoller, forskjellige sikkerhetsalgoritmer, forskjellige krypteringsalgoritmer, og også nye protokoller for satellitter for å sende data ned. til jorden.”
Bildebehandling er en annen toppbrukssak for rombaserte datasentre, sa Fernandez. Kameraer i bane samler enorme antall bilder fra jorden, men det er en grense for hvor mye som kan lastes ned.
Mye av bildene er av skyer, eller tomme hav. Det folk faktisk er interessert i er hva som endrer seg i bildene, sa Fernandez. “Hvor er det oversvømmet i Houston etter orkanen? Er denne veien fortsatt farbar etter flommen? Du ønsker å få informasjon til de første innsatspersonene så snart som mulig.”
De åpenbare brukstilfellene innebærer enkel telling. Hvor mange biler er det på butikkens parkeringsplass? Hvor mye anleggsutstyr er fortsatt på stedet? Hvor mange containerskip ligger i havn?
Denne spesielle brukssaken er fortsatt i proof-of-concept-stadiet, sa Fernandez, der mottakerne bruker Spaceborne-datamaskinen til å gjøre behandlingen parallelt med deres eksisterende systemer. “Jeg vil vite, fikk jeg det riktige svaret, og hvor mye tidligere fikk jeg det til deg enn du fikk det på vanlig måte?”
Det er da lyspærene slukker, sa han, og kundene innser at de trenger denne typen prosessering på sin neste satellitt.
Å sette et datasenter på en satellitt har selvfølgelig et annet sett med utfordringer enn å plassere det i ISS. ISS indre miljø er menneskevennlig. Temperaturnivåene er regulert, og det er luft, og menneskelige hender er rundt for å fikse alt som må fikses.
Behovet for luft for å kjøle ned serverne er allerede løst. Både Spaceborne 1 og Spaceborne 2 ble vannkjølt, sa Fernandez.
“Vi har lov til å tappe inn i vannkjølesløyfen på romstasjonen,” sa han.
Veien til kommersialisering
For å få alt til å skje, jobber HPE med en partner, OrbitsEdge.
“Vår plan er å bygge en boks som gjør strålingsskjerming og termisk styring, slik at alt vi legger i den boksen kan fly og fungere,” sa Rick Ward, grunnlegger og CTO hos OrbitsEdge.
OrbitsEdge-satellittsystemet er omtrent formet som en paraply med solcellepaneler på toppen for å samle energi og gi skygge til datamaskinen under. Så helt nederst er det radiatorer som sender overskuddsvarme direkte ut i rommet.
Strøm og kjøling er med andre ord gratis.
Ward gikk ikke i detalj om nøyaktig hvordan kjølesystemet fungerer. “Det er ikke vann, men noe annet som fungerer som et integrert kjølesystem og strålingsskjold,” sa han til Data Center Knowledge. — Men jeg kan ikke si noe utover det.
Den første demonstrasjonssatellitten forventes å bli lansert før slutten av 2022.
Etter hvert, sa Ward, forventer han å se servere ikke bare i satellitter og ISS og de nye kommersielle romstasjonene, men på romstasjonen Lunar Gateway og på selve månen, og også på Mars, og i bane rundt Mars.
Den tidligste brukssaken vil være avbildningssatellitter, sa han. “Det er vår lavthengende frukt.”
Målet her er å senke adgangsbarrierene for tempooperasjoner og gjøre romdatabehandling lik enhver annen form for kantdatabehandling, sa han.
Å legge til datakraft til satellitter som allerede er planlagt å gå opp er en enkel brukssak og vil gjøre disse satellittene mer verdifulle.
Ettersom oppskytningskostnadene går ned, kan spesialkonstellasjoner av satellitter som nettopp er designet for databehandling sendes opp for å håndtere rombaserte arbeidsbelastninger.
“Jeg vil si om fem år fra nå, vil det eksistere en operativ evne til å behandle romdata i rommet,” sa Ward.
På et tidspunkt vil det bli mulig å utvide datakraften som er tilgjengelig i verdensrommet betraktelig, enten fordi oppskytningskostnadene vil falle dramatisk, eller på grunn av rombasert produksjon av datautstyr.
På det tidspunktet kan rombaserte datasentre begynne å håndtere arbeidsbelastninger for jordbaserte kunder, sa han.
Terrestriske datasentre har høye strømkostnader og bruker verdifull eiendom, som det er begrenset tilgang på. I verdensrommet er det ingen skyer å komme inn mellom solen og solcellepanelene, og kjøling er gratis.
Dagens datasentre har relativt lave startkostnader, kostnadene for bygningen og utstyret, men de løpende driftskostnadene stopper aldri, sa Ward. “I verdensrommet inverterer du det. Du har høye forhåndskostnader, men de løpende kostnadene dine er betydelig lavere.”
Rombaserte datasentre kan tilby andre fordeler. Kvanteberegning krever for eksempel ekstremt lave temperaturer. I verdensrommet kan du komme ned til ekstremt lave temperaturer ganske enkelt ved å holde datamaskinen i skyggen. Og det er ingen vibrasjon i rommet.
Og rombasert produksjon tillater nye typer litografi, perfekte krystaller og andre fordeler i forhold til terrestriske anlegg.
Å sette datasentre i verdensrommet gir god forretningsmessig mening, sa HPEs Fernandez: “Vi gjør mange proofs of concept og eksperimenter. Volumet av disse indikerer for meg at dette er et marked.”
Et annet selskap som planlegger å starte tidlige utprøvinger av en rombasert datasenterplattform er NTT, som jobber i samarbeid med Japans SKY Perfect JSAT Holdings.
Selskapet planlegger en rekke satellitter med data- og lagringsmuligheter som danner et enkelt datasenter via optiske lenker. De første satellittene som utgjør dette nettverket forventes å lanseres innen 2025.
“Vi er nesten ferdige med å designe den grunnleggende arkitekturen til dette systemet,” sa NTT-talsperson Daisuke Kawano til Data Center Knowledge. “Vi har allerede mottatt positive tilbakemeldinger fra potensielle kunder over hele verden.”
Databehandlingen om bord vil øke hastigheten på datanedlastinger fra satellitter, sa han. For det andre kan datakraft redusere mengden informasjon som må overføres ved å komprimere den, eller analysere den i verdensrommet.
“Vi forventer at flere konkurrenter vil dukke opp neste år med det samme konseptet,” sa Kawano.
I fjor lanserte European Space Agency PhiSat-1, den første satellitten med AI-behandling om bord. PhiSat-1 bruker Intels Movidius Myriad 2-brikke, en hylleteknologi som ikke er spesielt utviklet for romfart.
Det er fortsatt mye arbeid som må gjøres før vi ser en fullskala romdatasenterindustri, sa North Dakota State University informatikkprofessor Jeremy Straub, en ekspert på rombasert databehandling.
Lanseringskostnadene må falle ytterligere, sa han til Data Center Knowledge.
“Vi trenger også mer infrastruktur i rommet,” la han til.
Han var enig i at det er fornuftig å legge til mer datakraft til satellitter, selv om han ikke vil kalle dette et eksempel på datasentre i verdensrommet.
“Jeg forventer også mye databehandling på romstasjoner,” sa han. “Vi vil se et serverrom, for å støtte aktiviteter på stasjonen. Det vil egentlig ikke være et datasenter i betydningen å betjene andre, og ikke den samme størrelsen som du vanligvis tenker på i et datasenter.”