فضا مرز جدیدی برای مراکز داده است

سال گذشته اولین باری بود که بشریت یک مرکز داده معمولی را در فضا مستقر کرد. HPE 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.

این اولین سرور خارج از قفسه است که در فضا برای اجرای بارهای کاری تولید واقعی مستقر شده است.

مارک فرناندز، محقق اصلی Spaceborne Computer-2 در شرکت Hewlett Packard Enterprise گفت: “سخت نشده است.” “هدف این است که از صرف زمان و هزینه سخت کردن کامپیوتر جلوگیری کنید تا بتوانید با آخرین فناوری پیش بروید.”

زمان به روز رسانی سخت افزاری است

در جاهای دیگر فضا – در فرودگرهای مریخ، در ماهواره‌ها، در سیستم‌های کنترل ایستگاه فضایی – بیشتر رایانه‌ها ده‌ها سال قدمت دارند.

فرناندز به Data Center Knowledge گفت: «پردازنده‌های سخت‌شده موجود امروزی در حدود سال‌های 1995، 1996 هستند. او گفت که نه تنها کند هستند، بلکه پیدا کردن توسعه دهندگانی که بتوانند نرم افزاری برای این ماشین ها بنویسند، سخت است.

به علاوه، تمام برنامه های امروزی برای اجرا بر روی کامپیوترهای مدرن طراحی شده اند.

خود ISS بر روی پردازنده های Intel 80286SX اجرا می شود که به اواخر دهه 1980 باز می گردد. همچنین بیش از صد لپ تاپ در ایستگاه فضایی بین المللی و همچنین تبلت ها و دستگاه های دیگر وجود دارد. آنها به عنوان پایانه های راه دور برای فرمان و کنترل رایانه های مالتی پلکسر مالتی پلکسر و همچنین برای ایمیل، اینترنت و تفریح ​​استفاده می شوند.

سیستم‌های کلیدی روی سخت‌افزار سخت‌شده کار می‌کنند که در برابر تشعشع محافظت می‌شوند. این بدان معناست که آنها از مدارهای اضافی یا بسترهای عایق به جای ویفرهای نیمه هادی معمولی روی تراشه ها استفاده می کنند.

توسعه چنین رایانه ای سال ها طول می کشد، همانطور که آزمایش نیز انجام می شود. ماموریت ها نیز سال ها قبل برنامه ریزی شده اند. زمانی که چنین رایانه ای به فضا می رسد، به طرز غم انگیزی قدیمی شده است.

فرناندز گفت: “ما می خواهیم جعبه های پیتزا با کیفیت مرکز داده را به فضا ببریم.” برای حل مشکل محافظت از کامپیوترها در برابر تشعشعات، HPE تصمیم گرفت از نرم افزار استفاده کند.

اولین تلاش برای قرار دادن یک سرور در فضا، Spaceborne Computer-1، 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.

او گفت: «ابتدا، آیا می‌توانید رایانه‌ای را درست از کف کارخانه بردارید، آن را بسته‌بندی کنید تا روی موشک قرار بگیرد و آن را به ایستگاه فضایی بفرستید». “دوم، آیا می توانید فضانوردان را آموزش دهید تا آن را نصب کنند و کار کنند. و سوم، زمانی که کار کرد، آیا پاسخ های درست و برای چه مدت به شما می دهد؟”

Spaceborne Computer-1 در قفسه ای در ایستگاه فضایی بین المللی نشسته بود. کمدها برای نصب در داخل یک ایستگاه فضایی طراحی شده اند. فرناندز گفت که در داخل قفسه، HPE یک قفسه استاندارد 19 اینچی قرار داده است. بنابراین ما اصلاً مجبور به تغییر سرورها نبودیم.

اولین ماموریت دارای دو سرور بود که مجموعه ای از معیارهای شناخته شده بین المللی را در 24 ساعت شبانه روز، هفت روز هفته و 365 روز سال اجرا می کرد.

فرناندز گفت: «ما باید ثابت می‌کردیم که کار می‌کند. “ما می‌خواستیم به CPU، حافظه و دیسک‌ها استرس وارد کنیم. با معیارها، می‌دانید که نتایج قرار است چه باشد، بنابراین وقتی کار تمام شد، می‌توانید ببینید که آیا پاسخ درست را دریافت کرده‌اید یا خیر. ما 50000 معیار انجام دادیم. و یک بار هم خطایی دریافت نکردیم.”

همان معیارها روی زمین بر روی یک سیستم یکسان اجرا شد.

سرورها هنوز کار می کردند که ناسا آنها را خاموش کرد و دوباره به زمین آورد.

او گفت: «آنها می خواستند نگاهی به آنها بیندازند.

Space از SSD ها خوشش نمی آید

این سیستم مبتنی بر فضا دارای 20 درایو دیسک حالت جامد بود که 9 مورد از آنها در طول ماموریت شکست خورده بودند. با دوقلوهای زمینی، تنها یک درایو شکست خورده بود.

فرناندز گفت: «ما همچنین پنج برابر تعداد خطاهای قابل تصحیح در فضا نسبت به زمین داشتیم. “اما آنها قابل تصحیح بودند و خودشان را اصلاح کردند. بنابراین ما در آنجا خوب هستیم. نگرانی اصلی دیسک های حالت جامد بود. اینجا جایی بود که ما بیشترین توجه را در Spaceborne 2 داشتیم.”

این بار، ناسا همچنین سیستمی را می خواست که حداقل سه سال دوام بیاورد – مدت زمانی که برای رفتن به مریخ و بازگشت طول می کشد. بنابراین HPE سخت افزار را دو برابر کرد. اکنون در مجموع چهار سرور وجود دارد، دو تا در هر قفسه.

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 با استاندارد صنعتی HPE ProLiant DL360 جفت شده است.

فرناندز گفت: Edgeline 4000 دارای یک GPU است تا بتوانیم هوش مصنوعی، یادگیری ماشینی و پردازش تصویر را انجام دهیم.

او گفت که از اواسط دسامبر، هیچ یک از درایوهای سیستم جدید خراب نشده است. با این حال، سرورها معیارهای شدیدی را که قبلاً اجرا می‌کردند اجرا نمی‌کنند، بنابراین رایانه‌ها آنقدر استرس ندارند. این بار، Spaceborne 2 در حال اجرای بارهای کاری واقعی است.

برنامه های کاربردی موجود

ممکن است کوچک باشد، اما اولین مرکز داده محاسباتی لبه اکنون در فضای بیرونی عملیاتی شده است.

یکی از کارهایی که انجام می دهد آنالیز DNA است. پیش از این، فضانوردان ماهانه یک بار DNA خود را آزمایش می کردند و داده ها را برای پردازش به زمین ارسال می کردند.

اکنون پردازش در ISS انجام می شود و فقط نتایج به زمین ارسال می شود. فرناندز گفت که این مقدار داده هایی را که باید ارسال شود تا 20000 بار کاهش می دهد.

او گفت: “اکنون دانشمندان اینجا روی زمین در حال فکر کردن به چیزهایی هستند که قبلا حتی قابل تصور نبود.” زمانی که بتوانم داده ها را در 13 دقیقه پردازش کنم و نتایج را در دو ثانیه دانلود کنم، می توانم به جای ماهانه، سلامت فضانوردان را روزانه کنترل کنم.

او گفت که محققان همچنین می توانند DNA جوندگان و گیاهان را در ایستگاه فضایی بین المللی تجزیه و تحلیل کنند.

یکی دیگر از حوزه‌های بزرگ تحقیقات ارتباطات است که شامل کارهای مربوط به 5G و فراتر از آزمایش و شبیه‌سازی ارتباطات، ارتباطات ماهواره‌ای به ماهواره، پروتکل‌های ارتباطی مختلف، الگوریتم‌های امنیتی مختلف، الگوریتم‌های رمزگذاری مختلف و همچنین پروتکل‌های جدید برای ماهواره‌ها برای ارسال داده‌ها می‌شود. به زمین.”

فرناندز گفت که پردازش تصویر یکی دیگر از موارد استفاده برتر برای مراکز داده مبتنی بر فضا است. 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. فرناندز گفت، آنچه مردم در واقع به آن علاقه دارند، تغییر در تصاویر است. پس از طوفان، کجای هوستون سیل زده است؟ آیا این جاده پس از سیل همچنان قابل عبور است؟

موارد استفاده آشکار شامل شمارش ساده است. چند ماشین در پارکینگ فروشگاه وجود دارد؟ چه مقدار تجهیزات ساختمانی هنوز در سایت موجود است؟ چند کشتی کانتینری در بندر هستند؟

فرناندز گفت، این مورد خاص هنوز در مرحله اثبات مفهوم است، جایی که گیرندگان از رایانه Spaceborne برای انجام پردازش موازی با سیستم‌های موجود خود استفاده می‌کنند. “میخواهم بدانم آیا جواب درست را گرفتم و چقدر زودتر از اینکه شما به روش معمولی به آن رسیدید به شما رسیدم؟”

او گفت که در آن زمان است که لامپ ها خاموش می شوند و مشتریان متوجه می شوند که در ماهواره بعدی خود به این نوع پردازش نیاز دارند.

البته، قرار دادن یک مرکز داده بر روی ماهواره، مجموعه ای از چالش های متفاوتی نسبت به قرار دادن آن در ISS دارد. محیط داخلی ISS سازگار با انسان است. سطح دما تنظیم می شود، و هوا وجود دارد، و دست انسان برای تعمیر هر چیزی که نیاز به تعمیر دارد، در اطراف است.

نیاز به هوا برای خنک کردن سرورها قبلاً برطرف شده است. فرناندز گفت که هر دو Spaceborne 1 و Spaceborne 2 با آب خنک می شدند.

او گفت: “ما اجازه داریم به حلقه خنک کننده آب در ایستگاه فضایی ضربه بزنیم.”

مسیر تجاری سازی

برای تحقق همه اینها، HPE با شریک OrbitsEdge کار می کند.

ریک وارد، بنیانگذار و مدیر ارشد فناوری OrbitsEdge، می گوید: «برنامه ما ساخت جعبه ای است که محافظت از تشعشع و مدیریت حرارتی را انجام می دهد تا هر چیزی که در آن جعبه قرار می دهیم 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 پایین ترین قسمت، رادیاتورهایی وجود دارند که گرمای اضافی را مستقیماً به فضا می فرستند.

به عبارت دیگر، برق و خنک کننده رایگان است.

وارد به جزئیات در مورد نحوه عملکرد سیستم خنک کننده دقیقا اشاره نکرد. او به Data Center Knowledge گفت: «این آب نیست، بلکه چیز دیگری است که به عنوان یک سیستم خنک کننده یکپارچه و سپر تشعشع کار می کند. اما من نمی توانم چیزی بیش از این بگویم.

انتظار می رود اولین ماهواره نمایشی قبل از پایان سال 2022 به فضا پرتاب شود.

وارد گفت، در نهایت انتظار دارد سرورهایی را نه فقط در ماهواره ها 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، ماهواره های تصویربرداری خواهد بود. “این میوه کم آویزان ماست.”

او گفت که هدف در اینجا کاهش موانع ورود به عملیات سرعت و شبیه سازی فضای محاسباتی مشابه هر نوع دیگری از محاسبات لبه است.

افزودن قدرت محاسباتی به ماهواره‌هایی که از قبل برنامه‌ریزی شده‌اند، یک مورد استفاده ساده است و 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 گفت: “من می گویم پنج سال بعد، یک قابلیت عملیاتی برای پردازش داده های فضایی در فضا وجود خواهد داشت.”

در برخی مواقع، افزایش قابل توجه قدرت محاسباتی موجود در فضا ممکن خواهد شد، یا به دلیل کاهش شدید هزینه های پرتاب، یا به دلیل ساخت تجهیزات کامپیوتری مبتنی بر فضا.

او گفت که در آن مرحله، مراکز داده مبتنی بر فضا می توانند بار کاری را برای مشتریان زمینی مدیریت کنند.

مراکز داده زمینی هزینه برق بالایی دارند و از املاک و مستغلات با ارزشی استفاده می کنند که تعداد 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 هزینه های اولیه، هزینه ساختمان و تجهیزات نسبتاً پایینی دارند، اما هزینه های عملیاتی مداوم هرگز متوقف نمی شود. “در فضا، شما آن را وارونه می کنید. شما هزینه اولیه بالایی دارید، اما هزینه های مداوم شما به طور قابل توجهی کمتر است.”

مراکز داده مبتنی بر فضا می توانند مزایای دیگری نیز ارائه دهند. برای مثال محاسبات کوانتومی به دماهای 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.

و تولید مبتنی بر فضا امکان انواع جدیدی از لیتوگرافی، کریستال‌های بی‌نقص و مزایای دیگر را نسبت به امکانات زمینی فراهم می‌کند.

فرناندز از HPE گفت: قرار دادن مراکز داده در فضا حس تجاری خوبی دارد.

شرکت دیگری که قصد دارد آزمایشات اولیه یک پلتفرم مرکز داده مبتنی بر فضا را آغاز کند، NTT است که با مشارکت هلدینگ SKY Perfect JSAT ژاپن کار می کند.

این شرکت برای تعدادی ماهواره با قابلیت های محاسباتی و ذخیره سازی که یک مرکز داده واحد را از طریق پیوندهای نوری تشکیل می دهند، برنامه ریزی کرده است. پیش بینی می شود اولین ماهواره هایی که این شبکه را تشکیل می دهند تا سال 2025 پرتاب شوند.

دایسوکه کاوانو، سخنگوی NTT به Data Center Knowledge گفت: «ما تقریباً طراحی معماری پایه این سیستم را به پایان رسانده‌ایم. ما قبلاً بازخورد مثبتی از مشتریان بالقوه در سراسر جهان دریافت کرده‌ایم.»

او گفت که محاسبات روی برد بارگیری داده ها را از ماهواره ها سرعت می بخشد. دوم، قدرت محاسباتی می‌تواند مقدار اطلاعاتی را که باید با فشرده‌سازی، یا تجزیه و تحلیل آن در فضا منتقل شود، کاهش دهد.

کاوانو گفت: “ما انتظار داریم سال آینده رقبای بیشتری با همین مفهوم ظاهر شوند.”

سال گذشته آژانس فضایی اروپا PhiSat-1 را پرتاب کرد که اولین ماهواره با پردازش هوش مصنوعی روی آن بود. PhiSat-1 از تراشه Movidius Myriad 2 اینتل استفاده می کند، یک فناوری کاملاً آماده که به طور خاص برای سفرهای فضایی طراحی نشده است.

جرمی استراوب، استاد علوم کامپیوتر دانشگاه ایالتی داکوتای شمالی، متخصص محاسبات فضایی، گفت: هنوز کارهای زیادی باید انجام شود تا اینکه شاهد صنعت مرکز داده فضایی در مقیاس کامل باشیم.

او به Data Center Knowledge گفت که هزینه های راه اندازی باید بیشتر کاهش یابد.

وی افزود: ما همچنین به زیرساخت های بیشتری در فضا نیاز داریم.

او موافقت کرد که منطقی است که قدرت محاسباتی بیشتری به ماهواره ها اضافه شود، اگرچه او این را نمونه ای از مراکز داده در فضا نمی خواند.

او گفت: “من همچنین انتظار دارم محاسبات زیادی در ایستگاه های فضایی انجام شود.” ما یک اتاق سرور برای پشتیبانی از فعالیت‌ها در ایستگاه خواهیم دید. این واقعاً یک مرکز داده به معنای خدمت به دیگران نخواهد بود و به اندازه‌ای که معمولاً در یک مرکز داده فکر می‌کنید نخواهد بود.»