Последние Apple Watch имеют в 16 раз больше памяти, чем центральный процессор марсохода NASA Mars 2020. Для нового iPhone в стандартную комплектацию входит объем памяти, в 64 раза превышающий размер автомобиля.
На протяжении десятилетий люди отвергали сравнения наземных и космических процессоров, указывая на жесткое излучение и экстремальные температуры, с которыми сталкивается космическая электроника. Только компоненты, изготовленные специально для космических полетов и доказавшие свою работоспособность после многих лет пребывания на орбите, считались достаточно устойчивыми для многомиллиардных миссий космического агентства.
Хотя это все еще может быть лучшим выбором для высококлассных миссий в дальний космос, космические корабли, работающие ближе к Земле, используют самые современные бортовые процессоры. Предстоящие миссии потребуют еще больших вычислительных мощностей.
Спутниковые датчики производят «огромный объем данных в форме научных исследований, наблюдения Земли, национальной безопасности», — сказал по электронной почте Наим Альтаф, выдающийся инженер IBM и главный технический директор IBM Space Tech. «Чтобы быстро извлечь пользу из данных, нам нужно приблизить вычисления к данным».
Рассмотрим наблюдение Земли. Традиционно электрооптические изображения и данные радара с синтезированной апертурой отправляются на землю для обработки. Это все еще в значительной степени так, но новые датчики наблюдения за Землей продолжают увеличивать объем данных, получаемых на орбите, иногда весьма значительно. В то же время клиенты стремятся к быстрому доступу к информации, полученной из различных наборов данных.
Наблюдение за погодой является хорошим примером. Численные модели погоды объединяют огромное количество данных, полученных от космических, бортовых, морских и наземных датчиков. Хотя никто не предлагает запускать алгоритмы прогнозирования на спутниках, AAC Clyde Space, шведская компания, поставляющая основную авионику для арктического метеорологического спутника Европейского космического агентства, рассматривает улучшения бортовой обработки как способ ускорить доставку данных о погоде.
«Мы видим возможность в будущем выполнять большую обработку на борту: подготовку данных, сжатие данных и начало объединения данных», — сказал Луис Гомес, генеральный директор AAC Clyde Space. «Наша цель — наблюдения за погодой в режиме реального времени из космоса. Для этого нам нужно эффективно и действенно упаковать данные, чтобы сократить время, в течение которого мы передаем данные по нисходящей линии связи».
Гиперспектральные датчики также производят огромные наборы данных, которые делают бортовую обработку «довольно важной», сказал Гомеш.
Некоторые из новых спутниковых компьютеров будут предназначены для обработки данных датчиков. Другие помогут космическим кораблям организовать сложные операции.
Будущие спутники, скорее всего, будут работать группами, связываясь по межспутниковым каналам связи и работая вместе для сбора уникальных наборов данных и расширения сетей связи. В конце концов, созвездия будут использовать искусственный интеллект для решения проблем, например, для лечения или изменения местоположения спутников на основе бортового анализа их состояния и производительности, что потребует обширной обработки данных, сказал Чак Бимс, председатель отраслевой ассоциации SmallSat Alliance.
КОММЕРЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
Пограничная обработка, приближающая вычисления к источникам данных, становится все более популярной на Земле. Нефтяные и газовые компании, например, анализируют данные рядом с датчиками, которые контролируют тяжелое оборудование на удаленных объектах, чтобы быстро выявлять проблемы с оборудованием и сокращать расходы на связь и хранение данных.
Компании, начиная от IBM и Hewlett Packard Enterprise и заканчивая стартапами по всему миру, позиционируют себя, чтобы удовлетворить то, что они считают неизбежным спросом на усовершенствованную космическую периферийную обработку, начиная с бортовых спутников и заканчивая центрами обработки данных на земной и лунной орбитах.
Exodus Orbitals, канадский стартап, сдающий в аренду спутниковые услуги разработчикам программного обеспечения, в ноябре учредил альянс Edge Computing in Space Alliance. Организация быстро привлекла почти два десятка членов.
Один из участников, Ramon.Space, рекламирует «космически устойчивые суперкомпьютерные системы». Хотя они мало похожи на наземные суперкомпьютеры, они сильно отличаются от маломощных космических компьютеров и «намного ближе к тем вычислительным возможностям, которые есть у нас на Земле», — сказала Лиза Куо, вице-президент по стратегическим продажам Ramon.Space. израильская фирма, основанная в 2004 году и расширяющаяся на международном уровне. «Мы внимательно изучаем космические вычислительные системы и применяем оптимальную технику радиационной защиты для каждого компонента».
В отличие от индивидуального подхода стартап Exo-Space из Пасадены, Калифорния, предлагает FeatherEdge, платформу, которая применяет искусственный интеллект и машинное обучение к данным наблюдения Земли для быстрого извлечения ценной информации.
В долгосрочной перспективе Exo-Space планирует «адаптировать технологию к более универсальным вариантам использования, таким как управление группировкой или профилактическое обслуживание», — сказал генеральный директор Джереми Аллам.
Компания Spiral Blue из Сиднея также применяет искусственный интеллект к изображениям Земли с помощью своего компьютера Space Edge.
«Спутники могут собирать гораздо больше данных, чем они могут передать на самом деле», — сказал Таофик Хук, основатель и генеральный директор Spiral Blue. Он добавил, что с улучшенной бортовой обработкой спутники могут выделять и передавать наиболее важную информацию, например, о местоположении судов для отслеживания морских судов.
УПАКОВКА
Другие фирмы специализируются на упаковке наземных компьютеров для космических полетов. OrbitsEdge, например, работает с заказчиками, в том числе с HPE, над предоставлением систем радиационной защиты и управления температурным режимом, которые позволяют компьютерам, предназначенным для наземных приложений, работать на орбите.
«Полагаясь на мощный вычислительный конвейер, мы можем быть уверены, что все, на чем мы летаем, — это самое современное оборудование», — сказал Рик Уорд, главный технический директор и основатель компании OrbitsEdge в Титусвилле, штат Флорида. «Когда мы перейдем к квантовым вычислениям, и у нас уже были переговоры с некоторыми компаниями, занимающимися квантовыми вычислениями, мы тоже можем это сделать».
Cosmic Shielding Corp. использует аналогичный подход, но вместо того, чтобы сосредоточиться на защите процессоров, стартап из Атланты разработал 3D-печатный полимер для защиты людей и электроники на орбите.
«Вы можете построить спутниковую шину из этого материала, и это обеспечит значительные улучшения», — сказал Янни Баргути, основатель и генеральный директор Cosmic Shielding. «Сейчас мы наблюдаем снижение мощности дозы облучения примерно на 60–70 процентов по сравнению с традиционными материалами».
УДЛИНЕНИЕ КРАЯ
Помимо улучшения бортовой обработки, компании устанавливают периферийные процессоры на наземных станциях и планируют запуск созвездий, предназначенных для обработки данных.
«Пограничные вычисления могут выполняться в разных сегментах, в зависимости от варианта использования и важности данных», — сказал Альтаф из IBM. «У нас могут быть выделенные вычислительные спутники, которым поручено брать на орбиту тяжелые полезные нагрузки и выполнять вычислительные услуги для других спутников».
Если судить по истории, спрос на обработку данных на орбите будет продолжать расти. Последующие поколения наземных приложений неизменно требуют дополнительной памяти и скорости обработки.
В космосе, как и на земле, «вы хотите, чтобы это было быстрее, вам нужна лучшая сеть и вам нужна большая мощность», — сказал Марк Фернандес, главный исследователь HPE для Spaceborne Computer-2 на Международной космической станции.
Эта статья впервые появилась в январском номере журнала SpaceNews за 2022 год.
