سال گذشته، برای نخستین بار شرکت HPE توانست یک مرکز داده کاربردی را در فضا مستقر کند. Spaceborne Computer-2 مجموعه‌ای از ماشین‌های HPE Edgeline Converged EL4000 Edge و HPE ProLiant که هر کدام دارای یک پردازنده گرافیکی Nvidia T4 برای پشتیبانی از بار کاری هوش مصنوعی هستند، در فوریه ۲۰۲۱ به ایستگاه فضایی بین‌المللی فرستاده شد.
Spaceborne Computer-2 اولین سروری است که در فضا برای اجرای بارهای کاری واقعی مستقر شده است.
مارک فرناندز، کارشناس اصلی Spaceborne Computer-2 در شرکت HPE گفت:«این سرور امن‌سازی (Hardening) نشده است. علت آن این است که از صرف زمان و هزینه امن‌سازی کامپیوتر جلوگیری شود تا امکان پیش‌رفتن با آخرین فناوری میسر شود.»
زمان به روزرسانی سخت افزاری است
در دیگر بخش‌های فضایی (مانند کاوشگرهای مریخ، ماهواره‌ها و سیستم‌های کنترل ایستگاه فضایی) بیشتر کامپیوترها ده‌ها سال قدمت دارند.
فرناندز در مورد این کامپیوترهای قدیمی می‌گوید: «پردازنده‌های ایمن شده که امروز در فضا به کارگرفته می‌شوند، فناوری‌های سال‌های 1995 و 1996 هستند! در خود ایستگاه فضایی از پردازنده‌های Intel 80286SX اجرا می‌شود که به اواخر دهه 1980 باز می‌گردد. همچنین بیش از صد لپ‌تاپ، تبلت و دستگاه‌های دیگر در ایستگاه فضایی بین‌المللی وجود دارد. آنها به عنوان پایانه‌های راه دور برای فرمان و کنترل رایانه‌های مالتی پلکسر و همچنین برای ایمیل، اینترنت و تفریح استفاده می‌شوند. این سیستم‌ها نه تنها بسیار کند هستند بلکه پیدا کردن توسعه‌دهندگانی که بتوانند نرم‌افزاری برای این ماشین‌های قدیمی بنویسند، دشوار است. به علاوه، تمام برنامه‌های امروزی برای اجرا بر روی کامپیوترهای مدرن طراحی شده اند.
سیستم‌های حیاتی روی سخت‌افزار ایمن شده (hardened) کار می‌کنند که در برابر تشعشع محافظت می‌شوند. این بدان معناست که آنها از مدارهای اضافی یا بسترهای عایق به جای ویفرهای سیلیکونی مرسوم روی تراشه‌ها استفاده می‌کنند.
توسعه چنین کامپیوتری سال‌ها طول می‌کشد، ماموریت‌ها سال‌ها قبل برنامه‌ریزی شده‌اند و زمانی که چنین سیستمی به فضا می‌رسد، به طرز غم انگیزی قدیمی شده است.
فرناندز در این‌باره می‌گوید:«ما قصد داریم مراکز داده را با پیتزا باکس* به فضا ببریم.» برای حل مشکل محافظت از کامپیوترها در برابر تشعشعات، HPE تصمیم گرفت از نرم افزار استفاده کند.
* پیتزا باکس، جعبه‌ای مستطیلی شکل و افقی است که یک سرور کامپیوتر در آن محصور شده است. اصطلاح «پیتزا باکس» به این دلیل استفاده می‌شود که بدنه سرور بسیار شبیه به اندازه و شکل نازک یک جعبه پیتزا است!
مأموریت Spaceborne 1، ارسال آزمایشی سرورها به فضا
اولین تلاش برای قرار دادن یک سرور در فضا، Spaceborne Computer-1 بود که در سال 2017 پرتاب شد و نزدیک به دو سال را در ایستگاه فضایی سپری کرد، اگرچه قرار بود این ماموریت فقط برای یک سال اجرا شود.
به گفته فرناندز، این ماموریت سه هدف داشت: «اول، آیا می‌توانید کامپیوتر را درست از کف کارخانه بردارید، آن را بسته‌بندی کنید تا روی موشک قرار بگیرد و آن را به ایستگاه فضایی ارسال کنید؟ دوم، آیا می توانید فضانوردان را برای نصب و راه‌اندازی آن آموزش دهید و سوم، زمانی که کار کرد، آیا پاسخ‌های درست می‌دهد و برای چه مدت کارکرد دارد؟»
Spaceborne Computer-1 در محفظه‌ای در ایستگاه فضایی بین‌المللی قرار گرفته بود. HPE در داخل این محفظه، یک رک استاندارد 19 اینچی قرار داده بود. بنابراین ما اصلاً نیازی به تغییر سرورها نبود.
این ماموریت شامل دو سرور بود که باید مجموعه‌ای از بنچمارک‌های بین‌المللی شناخته شده را در 24 ساعت شبانه روز، هفت روز هفته و 365 روز سال اجرا می‌کردند.
فرناندز گفت: «ما باید ثابت می‌کردیم که این سرورها کار می‌کند. ما می‌خواستیم به CPU، حافظه و دیسک‌ها ماکزیمم استرس را وارد کنیم. با بنچمارک‌ها، شما می‌دانید که نتایج قرار است چه باشد، بنابراین وقتی کار تمام شد، می‌توانید ببینید که آیا نسبت به بنچمارک روی کره زمین، پاسخ درست را دریافت کرده‌اید یا خیر. ما 50000 بنچمارک انجام دادیم. و حتی یک بار هم بنچمارکی با خطا مواجه نشد.»
همان بنچمارک‌ها بر روی زمین با یک سیستم یکسان اجرا می‌شد. سرورها هنوز به خوبی کار می‌کردند که ناسا آنها را خاموش کرد و دوباره به زمین آورد. به گفته فرناندز، آنها قصد داشتند نگاهی به وضعیت آنها بیندازند.
فضا SSDها را دوست ندارد!
سیستم ارسال شده به فضا دارای 20 درایو حالت جامد (SSD) بود که 9 مورد از آنها در طول ماموریت آسیب دیده بودند. در حالی که در سیستم دوقلوی زمینی، تنها یک درایو به مشکل خورده بود.
فرناندز گفت: «ما در فضا پنج برابر خطاهای قابل تصحیح بیشتری نسبت به زمین داشتیم. اما آنها قابل اصلاح بودند و خودشان را اصلاح کردند. بنابراین ما در آنجا خوب هستیم. نگرانی اصلی درایوهای حالت جامد بود. جایی که ما بیشترین دقت را در Spaceborne 2 داشته‌ایم.»
این بار، ناسا سیستمی می‌خواست که حداقل سه سال دوام بیاورد؛ مدت زمانی که برای سفر به مریخ و بازگشت از آن طول می‌کشد. بنابراین HPE سخت‌افزار را دو برابر کرد. اکنون در مجموع چهار سرور وجود دارد، دو تا در هر محفظه.
Spaceborne Computer-2 شامل سیستم HPE Edgeline Converged EL4000 Edge می‌باشد، سروری مقاوم که برای عملکرد در محیط‌های سخت‌تر با سطوح شوک، لرزش و دمای بالاتر طراحی شده است. این سرور از استاندارد صنعتی HPE ProLiant DL360 تبعیت می‌کند.
فرناندز گفت: Edgeline 4000 دارای یک واحد پردازش گرافیکی (GPU) است تا بتوانیم هوش مصنوعی، یادگیری ماشینی و پردازش تصویر را انجام دهیم.
کارشناس HPE می‌گوید که از اواسط دسامبر، هیچ یک از درایوهای سیستم جدید خراب نشده است. با این حال، سرورها بنچمارک‌های شدیدی را که قبلاً تجربه می‌کردند، اجرا نمی‌کنند و به آن میزان تحت فشار نیستند. این بار، Spaceborne 2 در حال اجرای بارهای کاری واقعی است.
مزایا و کاربردهای مراکز داده مبتنی بر فضا
اگرچه شاید کوچک به نظر بیاید، اما اولین مرکز داده محاسباتی لبه اکنون در فضا عملیاتی شده است. یکی از کارهایی که انجام می‌دهد آنالیز DNA است. پیش از این، فضانوردان ماهانه یک بار DNA خود را آزمایش می‌کردند و داده‌ها را برای پردازش به زمین ارسال می‌کردند.
اکنون پردازش در خود ایستگاه فضایی انجام می‌شود و فقط نتایج به زمین ارسال می‌شود. این کار، مقدار داده‌هایی را که باید به زمین ارسال شود تا 20000 برابر کاهش می‌دهد.
فرناندز می‌گوید: «اکنون دانشمندان اینجا روی زمین در حال فکر کردن به چیزهایی هستند که قبلا حتی قابل تصور نبود: زمانی که بتوانم داده‌ها را در 13 دقیقه پردازش کنم و نتایج را در دو ثانیه دانلود کنم، می توانم به جای ماهانه، سلامت فضانوردان را به صورت روزانه کنترل کنم.
محققان همچنین می‌توانند DNA جوندگان و گیاهان را در ایستگاه فضایی بین المللی تجزیه و تحلیل کنند.
یکی دیگر از حوزه‌های بزرگ این تحقیقات، بحث مخابرات و ارتباطات است که شامل کارهای مربوط به 5G و فراتر از آزمایش و شبیه‌سازی ارتباطات، ارتباطات ماهواره‌ای به ماهواره‌ای، پروتکل‌های ارتباطی مختلف، الگوریتم‌های امنیتی مختلف، الگوریتم‌های رمزگذاری مختلف و همچنین پروتکل‌های جدید برای ماهواره‌ها برای ارسال داده‌ها به زمین می‌شود.
پردازش تصویر یکی دیگر از موارد کاربردی برای مراکز داده مبتنی بر فضاست. دوربین‌های مداری تعداد زیادی عکس از زمین جمع‌آوری می‌کنند، اما محدودیتی برای دانلود کردن آن وجود دارد.
بسیاری از تصاویر مربوط به ابرها یا دریاهای خالی هستند. اما آنچه مورد علاقه ماست، تغییرات در تصاویر زمین است. در کجای هیوستون پس از طوفان سیل آمده است؟ آیا این جاده پس از سیل همچنان قابل عبور است؟ شما می‌خواهید در اسرع وقت اطلاعاتی را دریافت کنید.
فرناندز گفت که این مورد خاص هنوز در مرحله اثبات است، جایی که گیرندگان تصاویر روی زمین از رایانه Spaceborne برای انجام پردازش موازی با سیستم‌های موجود خود استفاده می‌کنند. هدف این است که بفهمیم آیا جواب محاسبات در ایستگاه فضایی درست است و چقدر زودتر از روش مرسوم به جواب می‌رسد؟
البته، قرار دادن یک مرکز داده بر روی ماهواره، مجموعه ای از چالش‌های متفاوتی نسبت به قرار گرفتن در ایستگاه فضایی دارد. محیط داخلی ایستگاه، سازگار با حیات انسان است. سطح دما تنظیم می شود، هوا وجود دارد، و انسان برای هر چیزی که نیاز به تعمیر دارد، در دسترس است.
نیاز به هوا برای سرمایش سرورها قبلاً برطرف شده است. فرناندز گفت که هر دو کامپیوتر Spaceborne 1 و Spaceborne 2 با مایع خنک می‌شوند.
مسیر تجاری‌سازی مراکز داده در فضا
برای تحقق تجاری سازی این فناوری، HPE با شرکت OrbitsEdge شراکت می‌کند.
ریچارد وارد (Richard Ward)، موسس و مدیر ارشد فناوری OrbitsEdge، می‌گوید: «برنامه ما ساخت باکسی است که محافظت از تشعشع و مدیریت حرارتی را انجام می‌دهد تا هر چیزی که در آن قرار می‌دهیم بتواند پرواز کند و کار کند.»
سیستم ماهواره‌ای OrbitsEdge تقریباً شبیه یک چتر با پنل‌های خورشیدی در بالا است تا انرژی را جمع‌آوری کند و برای رایانه زیر آن سایه ایجاد کند. سپس، در پایین‌ترین قسمت، رادیاتورهایی وجود دارند که گرمای اضافی را مستقیماً به فضا می‌فرستند. به عبارت دیگر، برق و سرمایش هر دو رایگان است.
وارد به جزئیات در مورد نحوه عملکرد سیستم خنک‌کننده اشاره نکرد:«خنک کننده این محصول آب نیست، بلکه چیز دیگری است که همزمان به عنوان یک سیستم خنک‌کننده یکپارچه و سپر تشعشع کار می کند. با این حال من نمی توانم جزئیاتی بیشتر از این بگویم.»
انتظار می‌رود اولین ماهواره آزمایشی قبل از پایان سال 2022 به فضا پرتاب شود.
ریچارد وارد انتظار دارد سرورهایی را نه فقط در ماهواره‌ها و ایستگاه فضایی بین المللی و ایستگاه های فضایی تجاری جدید، بلکه در ایستگاه فضایی دروازه قمری و خود ماه، و همچنین در مریخ و در مدار مریخ ببیند.
او گفت که اولین مورد استفاده، ماهواره‌های تصویربرداری خواهد بود. او گفت که هدف اصلی، سرعت بخشیدن به عملیات و شبیه‌سازی فضای رایانشی برای هر نوع پردازش لبه است.
افزودن قدرت محاسباتی به ماهواره‌هایی که از قبل برنامه‌ریزی شده‌اند، یک مورد استفاده ساده است و فعالیت آن ماهواره‌ها را ارزشمندتر می‌کند.
با کاهش هزینه‌های پرتاب، مجموعه‌های ماهواره‌ای با هدف خاص که فقط برای پردازش داده‌ها طراحی شده‌اند، می‌توانند برای مدیریت بارهای کاری فضایی ارسال شوند.
وارد ادامه داد: «من می‌گویم پنج سال بعد، یک قابلیت عملیاتی برای پردازش داده‌های فضایی در فضا وجود خواهد داشت.
در برخی مواقع، افزایش قابل ملاحظه قدرت محاسباتی موجود در فضا ممکن خواهد شد، یا به دلیل کاهش شدید هزینه‌های پرتاب، یا به دلیل ساخت تجهیزات کامپیوتری مبتنی بر فضا.»
او گفت که در آن مرحله، مراکز داده مبتنی بر فضا حتی می‌توانند بار کاری را برای مشتریان زمینی مدیریت کنند.
مراکز داده زمینی هزینه برق بالایی دارند و از املاک و مستغلات با ارزشی استفاده می‌کنند که ظرفیت محدودی از آنها وجود دارد. در فضا، هیچ ابری بین خورشید و پنل‌های خورشیدی وجود ندارد و خنک‌سازی رایگان است.
وارد گفت که مراکز داده امروزی هزینه‌های اولیه، هزینه ساختمان و تجهیزات نسبتاً پایینی دارند، اما هزینه‌های عملیاتی مداوم هرگز متوقف نمی‌شود. در فضا، شما آن را وارونه می‌کنید. شما هزینه اولیه بالایی دارید، اما هزینه‌های مداوم شما به طور قابل توجهی کمتر است.
مراکز داده مبتنی بر فضا می‌توانند مزایای دیگری نیز ارائه دهند. برای مثال کامپیوتر کوانتومی به دمای بسیار پایین نیاز دارد. در فضا، شما می توانید به سادگی با نگه داشتن کامپیوتر در سایه به دمای بسیار پایین برسید و هیچ لرزشی در فضا وجود ندارد.
فرناندز از HPE گفت: «قرار دادن مراکز داده در فضا حس تجاری خوبی دارد. ما در حال انجام بسیاری از شواهد مفهومی و آزمایشی هستیم. حجم آنها به من نشان می دهد که اینجا یک مارکت عالی است.»
سال گذشته آژانس فضایی اروپا PhiSat-1 را پرتاب کرد که اولین ماهواره با پردازش هوش مصنوعی آنبرد بود. PhiSat-1 از تراشه Movidius Myriad 2 اینتل استفاده می‌کند، یک فناوری کاملاً آماده که به طور خاص برای سفرهای فضایی طراحی نشده است.
فضا به زیرساخت قوی‌تری نیاز دارد
البته برخی از کارشناسان این موضوع را به معنای ارسال مرکز داده به فضا نمی‌دانند. جرمی استراب، استاد علوم کامپیوتر دانشگاه ایالتی داکوتای شمالی، متخصص رایانش فضایی، می‌گوید: هنوز کارهای زیادی باید انجام شود تا شاهد صنعت مرکز داده فضایی در مقیاس کامل باشیم. هزینه‌های راه‌اندازی باید بیشتر از این‌ها کاهش یابد. ما همچنین به زیرساخت‌های بیشتری در فضا نیاز داریم.
او موافقت کرد که منطقی است که قدرت محاسباتی بیشتری به ماهواره‌ها اضافه شود، اگرچه او این را نمونه‌ای از مراکز داده در فضا نمی‌خواند.
او گفت:«من همچنین انتظار دارم محاسبات زیادی در ایستگاه‌های فضایی انجام شود. ما یک اتاق سرور برای پشتیبانی از فعالیت‌ها در ایستگاه خواهیم دید. این واقعاً یک مرکز داده به معنای خدمات رسانی به دیگران نخواهد بود و به اندازه‌ای که معمولاً از یک مرکز داده انتظار دارید، نخواهد بود.»
