Rambler's Top100
Статьи
Николай НОСОВ  01 декабря 2022

Космос as a Service

Коммерческие ЦОДы все активнее осваивают космос, а гиперскейлеры – предлагают их услуги по сервисной модели. В России планируют наращивать спутниковую группировку и в ближайшей перспективе начать с ее помощью предоставление услуг IoT. 

Вычисления на орбите

Человечество все активнее использует космическое пространство, число спутников приближается к 5 тыс. Они служат для навигации и организации связи, проведения финансовых транзакций, наблюдениями за космическими объектами, погодой и поверхностью Земли. Пользователи космических сервисов контролируют леса и поля, отслеживают перемещения морских судов и помогают при спасательных работах. Объем собираемых спутниками данных стремительно растет. Для их обработки нужны ЦОДы, и размещать эти ЦОДы целесообразно непосредственно в космосе.

Перспективной выглядит уже отработанная в труднодоступных районах Земли технология периферийных вычислений (Еdge Сomputing). В космических edge-ЦОДах будут обрабатываться первичные данные, а в ЦОДах на Земле – анализироваться агрегированная информация и осуществляться управление. Предварительная обработка на месте повысит оперативность принимаемых решений и снизит нагрузку на каналы связи с облаком в головном ЦОДе. 

Основные преимущества космических ЦОДов
  • Повышение оперативности обработки информации вплоть до обработки в режиме реального времени.
  • Снижение нагрузки на дорогие и имеющие низкую пропускную способность каналы связи с Землей.

Космос из облака

Клиентам удобно получать космические сервисы из облака привычного гиперскейлера, и работы в этом направлении уже ведутся: облачные провайдеры налаживают взаимодействие с компаниями, запускающими спутники. Начавшееся в 2020 г. сотрудничество Capella Space с AWS привело к появлению у подразделения AWS Aerospace & Satellite Solutions облачного сервиса управления спутниковой связью на базе AWS Ground Station (рис. 1, 2). Используя облачный сервис, клиенты могут обрабатывать данные, не беспокоясь о создании собственной наземной станции и управлении ее инфраструктурой. А в каталог открытых данных AWS вошли наборы изображений от спутниковых группировок Sentinel-2, Landsat и GOES.
Источник: AWS
Рис. 1. AWS Ground Station обеспечивает взаимодействие клиентов со спутниками

Партнерство с Google Cloud помогает компании Илона Маска SpaceX обрабатывать данные с низкоорбитальных спутников Starlink. SpaceX активно работает над технологией межспутниковых каналов связи, что в перспективе может привести к выделению отдельных спутников для выполнения вычислений на орбите и построению орбитальной распределенной вычислительной сети.
Источник: Capella Space
Рис. 2. Спутник Capella Space

Спутниковый оператор SES объявил, что Microsoft станет первым облачным провайдером работающей на средней околоземной орбите группировки O3b mPOWER. В рамках глобальной инициативы Azure Space компания Microsoft вместе со SpaceX, спутниковым оператором SES, компаниями KSAT, Viasat и US EIectrodynamics разрабатывает решения, связывающие космические и наземные объекты, в том числе дата-центры. Использование облака MS Azure позволяет хранить и анализировать огромные объемы данных для контроля орбит коммерческих спутников и наблюдения за космическим мусором. 

В сентябре 2022 г. SES и Microsoft заявили о расширении партнерства в рамках программы виртуализации спутниковой связи, включающей все узлы экосистемы, – от программно определяемых радиостанций и терминалов до виртуализированных сетей и периферийных вычислений.

Программно определяемое все

В первых спутниках ПО создавалось для специализированного серверного оборудования космических объектов. Использование стандартного серверного оборудования позволяет применять обычное коммерческое ПО, в том числе средства виртуализации и облачные платформы, перейти к программно определяемым гиперконвергентным системам, дающим возможность разным компаниям совместно использовать орбитальные вычислительные ресурсы и программно перепрофилировать спутники для своих задач. В частности, они могут создавать edge-облачка для совместной эксплуатации спутника несколькими пользователями, например, для обработки данных спутниковой съемки или мониторинга распределенных датчиков для приложений интернета вещей.

Уже появились стартапы, занимающиеся созданием спутниковых микроЦОДов. В 2019 г. калифорнийская компания Vector анонсировала планы запуска программно определяемого спутника GSky-1. Цель проекта, выполняемого совместно с Университетом Южной Калифорнии (USC) – развертывание на микроспутниках облачной платформы GalacticSky и предоставление пользователям космических вычислительных мощностей по сервисной модели. Легкая ракета-носитель Vector должна была вывести на орбиту созвездие соединенных между собой каналами связи микроспутников, представлявших собою помещенные в прочные контейнеры микроЦОДы (до 16 виртуальных машин в каждом). Такой микроспутник-контейнер может кувыркаться, терять связь с Землей, ломаться, но работоспособность одного контейнерного ЦОДа не скажется на работе системы в целом. На основе кластера микроспутников с одинаковыми орбитами предполагалось развернуть облачную платформу GalacticSky. 

Запланированный на конец 2019 г. запуск не состоялся. Но усилия не пропали даром – Lockheed Martin приобрела обанкротившуюся компанию Vector, продолжила сотрудничество с USC и в январе 2022 г. все же запустила Gsky-1, правда под названием Dodona. Компания позиционирует его как первый спутник, использующий программно определяемую спутниковую архитектуру SmartSat. Система работает на платформе NVIDIA Jetson и включает решение для создания приложений искусственного интеллекта NVIDIA JetPack. Системы ИИ задействуются для обработки изображений и цифровых сигналов. 

В мае 2021 г. стартап из Сан-Франциско Loft Orbital в рамках программы инновационных исследований для малого бизнеса получил контракт с Космическими силами США для разработки edge-компьютера, который способен анализировать данные в космосе. Loft Orbital предлагает заказчикам размещать полезную нагрузку на борту своих спутников и управлять ею через веб-портал Cockpit, а также планирует самостоятельно разрабатывать космические сервисы, которые будут предоставляться со спутника по модели SaaS.

Базирующаяся во Флориде компания OrbitsEdge предлагает использовать на орбите модель colocation, монтируя серверы в стандартную 19-дюймовую серверную стойку с объемом для оборудования 5U и подключая их к защищенной от неблагоприятного воздействия космоса запатентованной компанией шине OrbitsEdge SatFrame Constellation. По сути, стандартные серверы будут размещаться космическом микроЦОДе (рис. 3).
Источник: laptrinhx.com
Рис. 3. Компонентный состав космического микроЦОДа SatFrame

На борту первых двух спутников SatFrame будут установлены серверы HPE EL8000. В планах компании – начать с низкой околоземной орбиты, затем перейти на геосинхронную околоземную орбиту и окололунные локации. В январе 2022 г. OrbitsEdge подписала договор о намерениях с компанией Rogue Space Systems, которая в течение 10 лет будет предоставлять для микроЦОДа услуги транспортировки, заправки, орбитальной инспекции (периодической присылки роботизированного корабля) и технического обслуживания. Для обслуживающих космический микроЦОД роботов не нужна дорогостоящая среда, необходимая для работы человека.

 Направления развития космических коммерческих ЦОДов
  • Взаимодействие, вплоть до организации отдельных каналов связи, облачных провайдеров с запускающими вычислительную нагрузку в космос компаниями. Предоставление космических сервисов из привычных клиентам облаков гиперскейлеров.
  • Снижение стоимости космических микроЦОДов, в том числе за счет применения стандартного коммерческого вычислительного оборудования.
  • Снижение стоимости космических сервисов за счет совместного использования ресурсов и программно определяемой архитектуры.

Технологические проблемы

В любой ЦОД должна поступать энергия, а потом с вычислительного оборудования должно отводиться выделяющееся тепло. Для дата-центров имеет смысл использовать возобновляемые источники энергии, в частности солнечные батареи. В американских космических кораблях часто применяли химические источники, например, в «Аполлонах» – водородно-кислотные. Но для долго находящихся на орбите дата-центров такой подход вряд ли целесообразен, особенно если учесть, что химическая реакция идет со значительным выделением тепла, а отвод тепла в космосе – сложная задача.

Для традиционного охлаждения космос не пригоден – вакуум отличный теплоизолятор. Чтобы осознать это, достаточно вспомнить вакуумные колбы в бытовых термосах. Космос пустой, для классического (на основе теплопроводности и конвекции) охлаждения в нем слишком мало частиц, даже и с низкой энергией. И чем дальше от поверхности планеты, тем их меньше. В глубоком космосе единственный способ передачи тепла – излучение.

На космических аппаратах (КА) для передачи тепла окружающей среде используются специальные радиаторы, излучающие в ИК-диапазоне. Они могут быть пассивными, когда излучаемое тепло передается им благодаря теплопроводности узлов крепления, или активными, с прокачиваемым через них теплоносителем. На МКС в качестве теплоносителя внешнего контура используется аммиак, внутреннего – обычная вода. Радиаторы (на рис. 4 – светлые секции. Чем цвет поверхности ближе к белому, тем она сильнее излучает и меньше поглощает тепло) позволяют станции отдавать в окружающее пространство всего 70 кВт тепловой мощности, при этом по размерам больше жилых модулей станции. И их площадь сравнима с площадью солнечных батарей (темные секции).
Источник: https://commons.wikimedia.org
Рис. 4. МКС. Светлые квадраты – излучающие радиаторы

Даже для небольшого по современным меркам ЦОДа на 200 стоек площадь поверхности подобных радиаторов должна быть почти в 20 раз больше. Окупаемость такого космического монстра трудно себе представить, а ведь еще значительно возрастут риски столкновений с другими объектами на орбите. Так что по крайней мере ближайшее будущее – только за микроЦОДами.

Для мощных КА придется искать другие пути охлаждения. Согласно закону Стефана – Больцмана, полная испускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. Поэтому для охлаждения космических ЦОДов будущего, скорее всего, придется разрабатывать сильно раскаляющиеся высокотемпературные радиаторы. При этом они должны по минимуму получать энергию извне. Главный источник энергии на орбите – Солнце, так что отводящие тепло излучатели-радиаторы надо держать либо параллельно солнечному свету, либо в тени.

При создании КА требуется учитывать обмен энергией не только аппарата и космических тел, но и всех приборов и устройств, а также ориентацию спутников относительно источников как прямого, так и отраженного от других объектов излучения. Для того чтобы одно оборудование не перегревало другое, третье не замерзало и чтобы на борту КА поддерживалась рабочая температура, разрабатывается отдельная служебная система обеспечения теплового режима. Чем больше вычислительной нагрузки на борту, тем больше надо отводить энергии и тем сложнее обеспечивать тепловой режим.

В зависимости от типа орбиты температура внешней оболочки может меняться от -170℃ до +120℃. Солнечные батареи не всегда могут вырабатывать электричество, поэтому нужны достаточно емкие накопители энергии для обеспечения работоспособности системы в тени.

Спутники работают в условиях жесткого излучения. Вспышки на Солнце могут выводить из строя электронику, нарушать работоспособность каналов связи с другими спутниками и с Землей. И не стоит забывать о безопасности. Специфическая угроза – столкновение с другими космическими объектами на орбите, прежде всего с космическим мусором. Окружение ЦОДа следует контролировать и при необходимости корректировать орбиту.

Технологические проблемы космических ЦОДов
  • Сложность отвода тепла. Отводить можно только излучением, что трудно реализовать при большой мощности. 
  • Сложность расчетов ориентации ЦОДа относительно прямых и отраженных источников излучения и поддержания рабочей температуры на борту космического аппарата.
  • Риски столкновения с другими космическими объектами и космическим мусором.
  • Необходимость защиты вычислительного оборудования от вспышек на Солнце и радиационного воздействия.

Впрочем, для небольших бортовых дата-центров проблемы решаемые, что показал эксперимент с размещением обычных коммерческих серверов на МКС. В феврале 2021 г. Hewlett Packard Enterprise в партнерстве с NASA развернула  на Международной космической станции edge-ЦОД с доступом через облако Microsoft Azure. Spaceborne Computer 2 представляет собой ящик с контейнерами, в каждом из которых установлен сервер НРE Proliant DL360 Gen10 для высокопроизводительных вычислений и оснащенная графическим процессором конвергентная edge-cистема Edgeline EL4000. Работа вычислительного комплекса была признана удовлетворительной, но все же этот edge-ЦОД работал в относительно комфортной среде МКС, пригодной для жизни человека. На безлюдных спутниках вычислительная нагрузка должна работать в более жестких условиях.

Взгляд в будущее

Разработчики дата-центров смотрят дальше орбиты и уже планируют разместить их на других космических объектах. Для начала – на Луне. Принимавшая участие в работах на МКС американская компания Lonestar Data Holdings в апреле 2022 г. объявила о создании серии ЦОДов на лунной поверхности. Компания заключила контракт на первых два полета на Луну и сборку на ней первого дата-центра. Lonestar занимается разработкой сервера, а за проект спускаемого аппарата Nova-C и его посадку отвечает компания Intuitive Machines.

Пилотный «лунный ЦОД» предполагается доставить на поверхность нашего спутника до конца 2024 г. и разместить вблизи холмов Мариус в океане Процелларум в вырытой роботами шахте. Активного обмена данными с Землей на первом этапе не планируется – микроЦОД, скорее, будет играть роль резервного бэкапа с самой важной и неизменяемой информацией планеты. Непонятно правда, кто сможет ею воспользоваться, если на Земле произойдет какой-либо глобальный катаклизм, когда этот бэкап понадобится. В случае успешного завершения работ в дальнейшем будет налажен полноценный обмен информацией между Землей и Луной.

Планы России

По количеству спутников в космосе Россия отстает от лидирующих США и Китая, и отставание увеличивается. Если в 2011 г. доля российских спутников в мировой группировке составляла 8%, то в начале 2021 г., по данным USC, снизилась до 4%. За это время количество спутников у России удвоилось и достигло 169, но у лидеров рост семикратный: у США до 2944, у Китая до 499. Нас обогнала и показавшая рост в 25% Великобритания (452). Рывок США обеспечен во многом благодаря 1815 мини-спутникам связи Starlink, успехи британцев – 394 аппаратам OneWeb. За первую половину 2022 г. Россия совершила еще 10 запусков, что добавило 16 спутников, но отставание от лидеров все равно велико.

Отрыв помогут сократить запуски спутников в рамках проекта национальной многофункциональной инфокоммуникационной спутниковой сети «Сфера» (рис. 5), российского ответа Starlink и OneWeb. В октябре 2021 г. глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин на 72-м Международном астронавтическом конгрессе в Дубае сообщил, что по программе «Сфера» принято решение сформировать пять группировок связи (спутники серии «Ямал», «Экспресс-РВ», «Экспресс», «Скиф», «Марафон IoT») и пять группировок наблюдения в различных диапазонах («Смотр», «Беркут-О», «Беркут-S», «Беркут-VD», «Беркут-X, L, P»). 

В 2022–2030 гг. предполагается запустить на орбиты до 156 новых спутников гражданского назначения для глобальной связи, вещания, ШПД и IoT. В результате к 2030 г. общая информационная емкость российской спутниковой инфраструктуры связи и вещания составит 274 Гбит/с. Эта инфраструктура должна обеспечить решение всех перспективных задач РФ до 2045–2050 гг.
 
Источник: Ассоциация участников рынка спутниковой связи
Рис. 5. Многофункциональная спутниковая телекоммуникационная инфраструктура, создаваемая в рамках программы «Сфера»

В январе 2022 г. стало известно о выделении государственного финансирования для спутникового проекта «Марафон IoT». Предполагается, что в состав группировки «Марафон IoT» войдут 264 аппарата, которые будут размещаться в 12 орбитальных плоскостях на высоте около 750 км. Проект и техническое задание на разработку эскизного проекта представила компания «Информационные спутниковые системы им. акад. М.Ф. Решетнёва». Первый спутник в рамках этого проекта намечено запустить в 2024 г. К 2025 г. планируется начать создание глобально распределенной спутниковой сети IoT, интегрированной с наземными сетями, а также предоставление типовых сервисов IoT на основе бесшовности с наземными сетями.

Помимо «Марафон IoT» в программу «Cфера» входит проект «Скиф», в рамках которого предусматривается запуск 12 спутников для широкополосного доступа в интернет. Причем первый спутник по программе «Сфера» уже работает. 23 октября 2022 г. на орбиту выведен спутник «Скиф-Д», предназначенный для отработки технических решений и защиты орбитально-частотного ресурса будущей группировки «Скиф». 

На конференции Satcomrus-2022 председатель совета Ассоциации участников рынка спутниковой связи Юрий Урличич рассказал о планах создания конкурирующей с «Марафон IoT» группировки Telum-Leo-1 (рис. 6), которая также будет работать в рамках концепции интернета вещей, но с другими параметрами. В новую группировку войдут 144 основных космических наноаппарата и восемь резервных. Ширина грани наноКА 10 см, высота 3,4 см, масса 1,5 кг, мощность солнечной батареи 8 Вт.
 Источник: Ассоциация участников рынка спутниковой связи
Рис. 6. Telum-LEO-1: низкоорбитальная группировка передачи данных на базе наноКА

«К 2025 г. планируем предоставление специальных сервисов IoT, требующих работы в реальном времени, для беспилотных систем», – сообщил Ю. Урличич. По его словам, ассоциация ожидает, что к 2035 г. рынок будет насчитывать 10 млн офлайн-пользователей интернета вещей, 1 млн онлайн-пользователей и 30 млн тех, кто получит доступ к «Кнопке жизни».

Запуск низкоорбитальных спутников – наиболее дешевое и массовое решение, позволяющее устройствам без дорогостоящего наземного оборудования работать непосредственно со спутником. С учетом режима санкций вряд ли будет возможным использовать зарубежные спутниковые группировки для российских проектов, поэтому надо создавать свои, в том числе с edge-ЦОДами на борту. И, конечно, разрабатывать российские облачные решения для управления коммерческими спутниковыми проектами, создавать свой Космос as a Service.
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!