MIT Technology Review объясняет: позвольте нашим авторам разобраться в сложном и запутанном мире технологий, чтобы помочь вам понять, что нас ждёт впереди.

В январе компания SpaceX Илона Маска подала заявку в Федеральную комиссию по связи США на запуск до одного миллиона центров обработки данных на земную орбиту. Цель? Полностью раскрыть потенциал искусственного интеллекта без экологического кризиса на Земле. Но может ли это сработать?

SpaceX — не первая из высокотехнологичных компаний, которая восхваляет потенциал орбитальной вычислительной инфраструктуры. В прошлом году основатель Amazon Джефф Безос сказал, что технологическая промышленность движется в сторону крупномасштабных вычислений в космосе. У Google есть планы по запуску спутников обработки данных, целью которых является запуск тестового созвездия из 80 спутников уже в следующем году. А в прошлом ноябре стартап Starcloud из штата Вашингтон запустил спутник, оснащённый высокопроизводительным графическим процессором Nvidia H100, что стало первым орбитальным испытанием передовой микросхемы искусственного интеллекта. Компания видит орбитальные центры обработки данных размером с земные к 2030 году.

Сторонники этой идеи считают, что размещение центров обработки данных в космосе имеет смысл. Нынешний бум искусственного интеллекта создаёт нагрузку на энергосети и увеличивает спрос на воду, необходимую для охлаждения компьютеров. Сообщества вблизи крупных центров обработки данных обеспокоены растущими ценами на эти ресурсы и другими проблемами в результате растущего спроса.

В космосе, утверждают сторонники, проблемы с водой и энергией будут решены. В постоянно освещённых солнечных синхронных орбитах орбитальные центры обработки данных будут иметь беспрерывный доступ к солнечной энергии. При этом избыточное тепло, которое они производят, легко рассеется в холодный вакуум космоса. А с снижением стоимости космических запусков и мега-ракетами, такими как Starship компании SpaceX, обещающими ещё большее снижение цен, может наступить момент, когда перемещение мировых центров обработки данных в космос будет иметь экономический смысл. Однако критики рассказывают другую историю и указывают на множество технологических препятствий, хотя некоторые полагают, что они могут быть преодолены в относительно близком будущем. Вот четыре необходимых условия для превращения космических центров обработки данных в реальность.

Способ отвести тепло

Центры обработки данных искусственного интеллекта производят много тепла. Космос может показаться отличным местом для рассеивания этого тепла без использования огромного количества воды. Но это не так просто. Чтобы получить мощность, необходимую для круглосуточной работы, космический центр обработки данных должен находиться в постоянно освещённой орбите, обращаться вокруг планеты от полюса к полюсу и никогда не попадать в тень Земли. И в этой орбите температура оборудования никогда не опустится ниже 80 °C, что гораздо выше безопасной для электроники долгосрочной работы.

Удаление тепла из такой системы удивительно сложно. «Управление теплом и охлаждение в космосе — это обычно огромная проблема», — говорит Лилли Айхингер, генеральный директор австрийского стартапа космических технологий Satellives.

На Земле тепло рассеивается в основном благодаря естественному процессу конвекции, которая опирается на движение газов и жидкостей, таких как воздух и вода. В вакууме космоса тепло должно удаляться через гораздо менее эффективный процесс излучения. Безопасное удаление тепла, производимого компьютерами, а также поглощённого от Солнца, требует больших радиационных поверхностей. Чем объёмнее спутник, тем сложнее направить всё находящееся в нём тепло в космос.

Но Ив Дюран, бывший директор технологий в европейском аэрокосмическом гиганте Thales Alenia Space, говорит, что технология для решения проблемы уже существует.

Компания ранее разработала систему для больших телекоммуникационных спутников, которая может прокачивать хладагент через сеть трубок с помощью механического насоса, в конечном итоге передавая тепло от внутренней части космического аппарата на наружные радиаторы. Дюран возглавлял исследование осуществимости 2024 года по космическим центрам обработки данных, которое показало, что хотя препятствия и существуют, Европа должна быть в состоянии разместить центры обработки данных гигаваттного масштаба (сравнимые с крупнейшими земными объектами) на орбиту до 2050 года. Они будут значительно больше, чем представляет себе SpaceX, с солнечными батареями размером в сотни метров — больше, чем Международная космическая станция.

Компьютерные микросхемы, которые могут выдержать радиационный ударом

Космос вокруг Земли постоянно бомбардируется космическими частицами и обрушивается солнечной радиацией. На поверхности Земли люди и их электронные устройства защищены от этого коррозийного супа заряженных частиц атмосферой и магнитосферой планеты. Но чем дальше вы от Земли, тем слабее эта защита. Исследования показывают, что экипажи самолётов имеют повышенный риск развития рака из-за частого воздействия высокой радиации на крейсерской высоте, где атмосфера тонкая и менее защитная.

Электроника в космосе подвергается риску трёх типов проблем, вызванных высоким уровнем радиации, говорит Кен Май, главный научный сотрудник по электротехнике и компьютерной инженерии в Университете Карнеги-Меллона. Явления, известные как одиночные события сбоев, могут вызвать переключение битов и повреждение сохранённых данных, когда заряженные частицы попадают в микросхемы и устройства памяти. Со временем электроника в космосе накапливает повреждения от ионизирующей радиации, которая ухудшает их производительность. А иногда заряженная частица может попасть в компонент таким образом, что физически смещает атомы на микросхеме, создавая постоянное повреждение, объясняет Май.

Традиционно компьютеры, запущенные в космос, должны были пройти многолетние испытания и были специально разработаны для выдержания интенсивной радиации, присутствующей на земной орбите. Однако такая защищённая от излучения электроника намного дороже, а её производительность также на несколько лет отстаёт от передовых устройств для земных вычислений. Запуск обычных микросхем — это риск. Но Дюран говорит, что передовые компьютерные микросхемы используют технологии, которые по умолчанию более устойчивы к радиации, чем предыдущие системы. А в середине марта Nvidia похвалилась оборудованием, включая новый графический процессор, который «приносит вычисления искусственного интеллекта на орбитальные центры обработки данных».

Глава отдела маркетинга граничных вычислений искусственного интеллекта Nvidia Чэнь Су сказал MIT Technology Review, что «системы Nvidia по своей природе представляют собой коммерческие изделия с готовностью к использованию, с устойчивостью к радиации, достигнутой на системном уровне, а не только за счёт радиационно-защищённого кремния». Он добавил, что производители спутников повышают устойчивость микросхем с помощью экранирования, передового программного обеспечения для обнаружения ошибок и архитектур, которые объединяют устройства потребительского класса с специальными защищённые технологии.

Тем не менее, Май говорит, что микросхемы для обработки данных — это только одна проблема. Центры обработки данных также нуждались бы в устройствах памяти и хранения, оба из которых уязвимы к повреждениям от чрезмерной радиации. И операторам потребуется возможность заменять вещи или адаптироваться при возникновении проблем. Осуществимость и экономическая целесообразность использования роботов или астронавтов для обслуживания — большой вопрос, висящий над идеей крупномасштабных орбитальных центров обработки данных.

«Вам нужно не только запустить центр обработки данных в космос, который соответствует вашим текущим потребностям; вам нужна резервность, дополнительные детали и переконфигурируемость, поэтому при поломке вы можете просто изменить конфигурацию и продолжить работу», — говорит Май. «Это очень сложная проблема, потому что с одной стороны у вас есть бесплатная энергия в космосе, но есть много недостатков. Вполне возможно, что эти проблемы перевесят преимущества, которые вы получаете от размещения центра обработки данных в космосе».

Помимо необходимости регулярного обслуживания, существует также риск катастрофической потери. Во время периодов интенсивной космической погоды спутники могут быть затоплены радиацией в достаточном количестве, чтобы убить всю их электронику. Солнце только что прошло наиболее активную фазу своего 11-летнего цикла с относительно небольшим воздействием на спутники. Тем не менее, эксперты предупреждают, что со времени начала космической эры планета не испытала худшего, на что способно Солнце. Многие сомневаются, готовы ли низкозатратные новые космические системы, которые сегодня доминируют на земных орбитах, к этому.

План по избежанию космического мусора

Как крупномасштабные орбитальные центры обработки данных, представляемые Thales Alenia Space, так и мега-созвездия меньших спутников, предложенные SpaceX, вызывают головную боль у специалистов по устойчивости в космосе. Космос вокруг Земли уже довольно переполнен спутниками. Только спутники Starlink выполняют сотни тысяч маневров по избеганию столкновений каждый год, чтобы уклониться от обломков и других космических аппаратов. Чем больше объектов в космосе, тем выше вероятность разрушительного столкновения, которое засорит орбиту тысячами опасных фрагментов.

Крупные конструкции с сотнями квадратных метров солнечных батарей быстро получат повреждения от небольших кусков космического мусора и метеоритов, что со временем деградирует производительность их солнечных панелей и создаст больше обломков на орбите. Работа одного миллиона спутников в низкой земной орбите, регионе космоса на высоте до 2000 километров, может быть невозможна без безопасности, если только все спутники в этом районе не являются частью одной сети, чтобы они могли эффективно взаимодействовать для маневра друг вокруг друга, сказал MIT Technology Review Грег Виаль, основатель стартапа орбитальной переработки Lunexus Space.

«В одной орбитальной оболочке можно разместить примерно четыре-пять тысяч спутников», — говорит Виаль. «Если считать все оболочки в низкой земной орбите, получится около 240 000 спутников максимум».

И космические аппараты должны иметь возможность проходить друг мимо друга на безопасном расстоянии, чтобы избежать столкновений, говорит он.

«Вам также нужно иметь возможность доставлять вещи на более высокие орбиты и спускать их обратно для схода с орбиты», — добавляет он. «Поэтому вам нужны промежутки по крайней мере в 10 километров между спутниками, чтобы сделать это безопасно. Мега-созвездия, такие как Starlink, могут быть упакованы более плотно, потому что спутники взаимодействуют друг с другом. Но вы не можете иметь один миллион спутников вокруг Земли, если это не монополия».

Кроме того, Starlink, вероятно, захочет регулярно обновлять свои орбитальные центры обработки данных более современной технологией. Замена одного миллиона спутников, возможно, каждые пять лет означала бы ещё больше орбитального трафика — и это могло бы увеличить скорость возвращения обломков в атмосферу Земли с примерно трёх или четырёх кусков мусора в день до примерно одного каждые три минуты, согласно группе астрономов, которые подали возражения против заявки SpaceX в ФКС. Некоторые учёные обеспокоены тем, что повторно входящие обломки могут повредить озоновый слой и изменить тепловой баланс Земли.

Экономичный запуск и сборка

Чем дольше оборудование работает на орбите, тем лучше окупаемость инвестиций. Но чтобы орбитальные центры обработки данных имели экономический смысл, компании должны будут найти относительно дешёвый способ доставить это оборудование на орбиту. SpaceX делает ставку на свою грядущую мега-ракету Starship, которая сможет нести в 6 раз больше полезной нагрузки, чем нынешний рабочая лошадка Falcon 9. Исследование Thales Alenia Space пришло к выводу, что если бы Европа строила свои собственные орбитальные центры обработки данных, ей пришлось бы разработать аналогично мощную ракету-носитель.

Но запуск — это только часть уравнения. Крупномасштабный орбитальный центр обработки данных не поместится в ракету — даже в мега-ракету. Ему потребуется сборка на орбите. И это, вероятно, потребует передовых роботических систем, которые ещё не существуют. Различные компании проводили земные испытания предшественников таких систем, но они всё ещё далеки от реального применения.

Дюран говорит, что в краткосрочной перспективе центры обработки данных меньшего масштаба, вероятно, утвердятся как неотъемлемая часть орбитальной инфраструктуры, обрабатывая изображения со спутников дистанционного зондирования Земли непосредственно в космосе, не отправляя их на Землю. Это было бы огромной помощью для компаний, продающих информацию из космоса, поскольку многие из этих наборов данных чрезвычайно велики, и конкуренция за возможности загрузить их на Землю для обработки через наземные станции растёт.

«Хорошее в орбитальных центрах обработки данных то, что вы можете начать с небольших серверов и постепенно увеличивать и строить более крупные центры обработки данных», — говорит Дюран. «Вы можете использовать модульность. Вы можете учиться постепенно и постепенно развивать производственные мощности в космосе. У нас есть вся необходимая технология, а спрос на инфраструктуру обработки данных на основе космоса огромен, поэтому имеет смысл думать об этом».

Однако более мелкие объекты, вероятно, мало помогут в снижении нагрузки, которую наземные центры обработки данных оказывают на водные и электрические ресурсы планеты. Такое видение будущего может потребовать десятилетий, чтобы воплотиться в жизнь, считают некоторые критики — если оно вообще когда-нибудь осуществится.

Автор: Тереза Пултарова