Objavljeno: 22.2.2022 | Avtor: Matej Huš | Monitor Marec 2022

Superračunalniki v vesolju

Mineva 60 let od začetka razvoja prvega računalnika za uporabo v vesolju. Danes niso več le samoumevni na plovilih in vesoljskih postajah, temveč jih astronavti uporabljajo tudi za razvedrilo. Lani pa so začeli v vesolju uporabljati tudi prvi superračunalnik, da surovih podatkov ni treba več pošiljati v obdelavo na Zemljo. Gre lahko razvoj še dlje? Bomo kdaj superračunalnike z Zemlje selili v vesolje?

Kakor na Zemlji skorajda ni področja, kjer se ne bi zanašali na računalnike, prodirajo tudi v vesolje. Začetki segajo krepko v prejšnje stoletje, ko so računalniki trajektorije satelitov in vesoljskih plovil spočetka preračunavali na Zemlji, kmalu pa so jih krmilili s krova tudi že med poleti.

Projekt Mercury, prvi ameriški program vesoljskih odprav s posadko, še ni potreboval računalnikov na krovu plovil. Kapsula je bila tako majhna, da je lahko v njej sedel le en človek, in ni zmogla lastnega manevriranja. Orbita je bila v celoti odvisna od nosilne rakete Atlas, ponovni vstop v atmosfero pa so izračunali in nadzorovali z Zemlje, v kapsulo pa so zgolj posredovali signal, kdaj in kako naj vključi potisnike.

Že naslednji program Gemini iz leta 1965 pa je imel na krovu poleg dvočlanske posadke tudi računalnik, saj je moral krmiliti orbitalni manevrski sistem. Računalnik je deloval med šestimi fazami poleta: pred izstrelitvijo, kot rezerva med izstrelitvijo, utirjanjem, prilagajanjem orbite, srečanjem s plovilom Agena in vstopom v atmosfero.

Računalnik, ki je leta 1965 krmilil plovila v vesoljskem programu Gemini.

Računalnik za program Gemini je razvil IBM. Razvoj je trajal tri leta (1962–1965) in stal 26,6 milijona dolarjev, kar bi danes ustrezalo četrt milijarde dolarjev. Do konca leta 1965 je IBM izdelal 20 enakih računalnikov, ki so merili 48 x 37 x 32 centimetrov in tehtali 27 kilogramov. To so bili časi pred uporabo integriranih vezij, zato so računalnik sestavljale ločene komponente v 510 modulih. Za današnje razmere je bil pravi polž: en cikel je trajal 140 milisekund, kar je zadostovalo za eno seštevanje. Množenje je trajalo tri cikle (420 milisekund), deljenje pa še dvakrat dlje. Tiktakal je torej s 7,1 Hz in imel 159.744 bitov pomnilnika iz feritnega jedra.

Naslednji program Apollo, ki je naposled prinesel tudi pristanek na Mesecu, je prav tako potreboval računalnik. S tem je Nasa preprečila (namerne) zunanje motnje, se pripravila na daljše misije in omogočila delovanje več misij hkrati, kar ob uporabi postaj na Zemlji ne bi bilo mogoče. Še najpomembnejši razlog pa je predstavljala 1,5-sekundna zakasnitev pri komunikaciji med Zemljo in Mesecem, zato bi bilo upravljanje plovila z Zemlje med pristajanjem na Mesecu sila tvegano. Na koncu so sicer Apollo večino časa vseeno krmilili z Zemlje, a med orbitalnimi manevri in pristajanjem je ključno vlogo odigral »četrti član posadke« - Apollo Guidance Computer. Ta je bil že precej podobnejši modernim, saj je tiktakal z 2,048 MHz in uporabljal komponente na silicijevem integriranem vezju.

Odtlej so bili računalniki standardni sestavni del vesoljskih plovil, a so do današnjega dne capljali leta za razvojem elektronike na Zemlji. Mednarodno vesoljsko postajo (ISS) še danes krmilijo Intelovi procesorji 80386SX iz leta 1988. Razlogov je več, podrobneje pa smo jih opisovali lani (Kaj tiktaka na Marsu, Monitor 4/21). V vesolju so razmere bolj sovražne kot na Zemlji, saj brez zaščitnega polja, ki odklanja električne delce, švigajoče naokoli, računalniki brez posebne ojačitve elektronike (hardening) kmalu odpovedo. Postopek priprave na vesoljsko uporabo, kar vključuje testiranja, certificiranja in načrtovanja misij, traja dovolj dolgo, da je računalniška oprema za vesoljsko uporabo približno desetletje v zaostanku.

To seveda ne pomeni, da v vesolju ni tudi običajnih računalnikov. Astronavti na Mednarodni vesoljski postaji (ISS) za vsakdanja opravila uporabljajo komercialne prenosne računalnike. Pred poldrugim desetletjem je bil to ThinkPad T61p, kasneje HP ZBook 15s. Na njih tečejo poznani operacijski sistemi, denimo Linuxova distribucija Debian in nekdaj Windows 7, dandanes Windows 10. Ti so omreženi, na njih pa astronavti prebirajo elektronsko pošto, deskajo po spletu in podobno. Nihče ne pričakuje, da bodo delovali večno, zato tudi nihče ne vije rok, ko odpovedo. Na ISS imajo več kot sto prenosnih računalnikov, ki so večinoma že odsluženi.

Prenosni računalniki na Mednarodni vesoljski postaji leta 2013. Slika: Nasa

Prvi prenosni računalnik v vesolju je bil že leta 1993 legendarni IBM ThinkPad 750C. Tja ga je peljal raketoplan Endeavour med misijo za popravilo Hubblovega teleskopa. To je bil tudi prvi računalnik z barvnim zaslonom ali s procesorjem 486 v vesolju.

Uporaba običajnih računalnikov za nekritično infrastrukturo je na ISS seveda mogoča, ker kljub močnejšemu sevanju kot na Zemlji tam vendarle živijo ljudje v majicah in ne skafandrih. Sevanje v ISS ni ekstremno. Bi torej lahko goljufali in na enak način v vesolju uporabili tudi zemeljske, neojačane superračunalnike? Sodobna elektronika preživi do 500–1.000 rad, kar je bistveno manj kot znaša sevanje na ISS. Da!

Superračunalniki v vesolju

Lani pa so v vesolje poslali prvi povsem običajen, čisto nič prilagojen superračunalnik za komercialno uporabo. Na ISS je pripotoval HPE Spaceborne Computer-2, ki ga sestavljajo sistemi HPE Edgeline Converged EL4000 Edge (ti so sicer prilagojeni na ostrejše pogoje v smislu temperature, vibracij, padcev na Zemlji) in HPE ProLiant DL360 (povsem običajni) z grafičnimi procesorji Nvidia T4. To pomeni, da lahko preizkušajo tudi umetno inteligenco, strojno učenje in druge operacije na grafičnih procesorjih. To je prvi komercialni podatkovni center v vesolju, je povedal Mark Fernandez, ki je v Hewlett-Packard Enterprisu vodil ta projekt. Cilj je očiten – preskočiti desetletje ali več priprav in s tem zamika pri uporabi sodobne tehnologije v vesolju, kjer je to mogoče. Če tak računalnik odpove, bo to škoda in strošek, a nič ne bo padlo z neba in nihče ne bo umrl.

Njegov predhodnik Spaceborne Computer-1 je na ISS poletel leta 2007 in tam kot prvi komercialni strežnik deloval skoraj dve leti, čeprav je bila predvidena življenjska doba misije eno leto. Ni odpovedal, temveč so ga po 658 dneh ugasnili in nato odpeljali nazaj na Zemljo. Z njim so želeli preveriti troje: ali lahko v vesolju deluje običajen računalnik brez dodatnih prilagoditev, ali lahko astronavte usposobijo za njegovo namestitev, postavitev in uporabo ter ali bo deloval zanesljivo in kako dolgo. Odgovori na vsa tri vprašanja so bili pozitivni.

Tudi SC-1 ni bil dodatno ojačen za uporabo v vesolju. Računalnik v konvencionalnem 19-palčnem strežniškem ohišju je deloval brez prestanka in presegel 1 teraflop na sekundo. Edina prilagoditev je bilo vodno hlajenje, ki ga zemeljske izvedenke nimajo. En teraflop na sekundo res ni rekordna hitrost, saj je na Zemlji najhitrejši superračunalnik to dosegel že leta 1997 (ASCI Red v Sandia National Laboratories), a je tedaj za 7.264 vozlišč (v 104 omarah) potreboval 850 kW električne energije. Takšna zmogljivost 25 let kasneje v vesolju (!) porabi manj kot kilovat.

Preizkušali so ga na različne načine, od obremenitev procesorja do pomnilnika in diskov, pa ni klecnil. Enak sistem so imeli tudi na Zemlji, kjer so hkrati izvajali enake teste in izračune. Razlik – ne v hitrosti ne v pravilnosti rezultatov – niso opazili. Največjo težavo vesolje predstavlja za SSD, ki so množično odpovedovali. V vesoljskem strežniku jih je bilo 20, odpovedalo jih je devet. Prav tako so zabeležili petkrat več rešljivih napak (correctable errors), ki pa niso imele tragičnih posledic. A dejstvo ostaja, da je vesolje neprijazno okolje za SSD.

SSD so zato tudi v SC-2 posvetili največ pozornosti. Do decembra lani še niso opazili okvar, a minilo je le pol leta. Manjše so tudi obremenitve, saj na SC-2 ne tečejo intenzivni testi, temveč se uporablja pri produkciji. S tem je postal prvi superračunalnik, ki v vesolju opravlja naloge. Ena izmed nalog je analiza DNK astronavtov, ki se izvaja enkrat mesečno. Predtem so surove podatke poslali na Zemljo v analizo, zdaj pa se ta izvede na ISS. Na Zemljo pošljejo le rezultate oziroma 20.000-krat manj podatkov. Analizirajo tudi DNK laboratorijskih živali in rastlin. SC-2 se uporablja tudi v raziskavah telekomunikacij in pri obdelavi posnetkov. Kamere v orbiti posnamejo ogromne količine podatkov, ki so jih doslej pošiljali na Zemljo, kjer je bila povezava ozko grlo. Analiza neposredno na ISS to ozko grlo odpravlja (in vzpostavlja novo). SC-2, ki ima pred seboj več kot 30 različnih znanstvenih misij, za katere bo prežvekoval podatke, je povezan z Microsoftovim Azurom, kamor se prenašajo obdelani podatki za primerjavo s podatkovnimi zbirkami (npr. v bioinformatiki) na Zemlji. Namesto več dni, kolikor je trajal prenos podatkov pred tem, so obdelani podatki toliko manjši, da se to zgodi v nekaj minutah.

Spaceborne Computer-2 je prvi namenski superračunalnik v vesolju. Slika: HPE

Pri tem obdelava ne pomeni vedno eksotičnih algoritmov. Že stiskanje nekaj sto gigabajtov podatkov z gzip, ki se skrčijo za 90 odstotkov, za velikostni razred pospeši prenos na Zemljo. To so realni problemi, s katerimi so se soočali doslej. Pri drugih vrstah podatkov pa so pospešitve lahko celo več velikostnih redov (npr. v genomiki).

Sovražno okolje na satelitih

Od uporabe na ISS do uporabe na satelitih pa je še dolga pot. Če je na ISS nekoliko več sevanja kot na Zemlji, so temperatura, zračni tlak in vlaga ljudem prijazni. Tudi v primeru težav je v bližini vedno roka astronavta, ki jih lahko odpravi. Na satelitih je okolje neprimerno sovražnejše, možnosti za fizične popravke pa ni.

Ena izmed možnosti, ki jo proučujeta HPE in OrbitsEdge, je fizična zaščita. Komercialno strojno opremo bi zapakirali v ojačena ohišja. Zgornji deli bi predstavljali sončne celice v funkciji sončnika, ki bi proizvajale električno energijo in zagotavljale senco za strojno opremo. Na dnu bi bila rebra, ki bi odvajala odvečno toploto v vesolje. Prve prototipe želijo na satelitih v orbito poslati še pred iztekom leta. Od tod do uporabe tudi drugod, recimo na Mesecu ali Marsu, je potem res »le« še korak.

Zamisli od tod naprej postajajo čedalje bolj futuristične. Če smo doslej govorili o uporabi superračunalnikov v vesolju, ker njihove zmogljivosti potrebujemo tam, bi morda lahko tja izvažali tudi zemeljske potrebe. Rick Ward, ustanovitelj OrbitsEdgea, razmišlja o satelitih, katerih edina funkcija bi bila nudenje prostora za superračunalnike. Da bi superračunalnike selili v orbito, se sliši neverjetno, a Ward pojasnjuje, da bi s tem prihranili prostor, energijo (sončne celice v vesolju delujejo brez vremenskih prekinitev) in olajšali hlajenje. Obstaja strojna oprema, ki ji koristijo ekstremno nizke temperature, a jih je mogoče doseči le v vesolju. Tam tudi ni vibracij. A za to bi potrebovali bistveno pocenitev izstrelitev satelitov, dodatna težava pa je gneča v orbiti, ki z utirjanjem satelitov za satelitski internet (npr. Starlink) postaja neznosna. Vprašanja o smiselnosti nadaljnjega smetenja orbit so zelo relevantna in zahtevajo resne premisleke.

A OrbitsEdge ni osamljen, saj tudi japonska NTT in SKY Perfect JSAT Holdings razmišljata o podatkovnih centrih v vesolju. Tudi IBM se ukvarja s prihodnostjo, v kateri bodo (super)računalniki na satelitih. Kanadski startup Exodus Orbitals je lani novembra ustanovil Edge Computing in Space Alliance, ki ima že več kot dvajset članov. Problem, ki ga naslavljajo podjetja, je preprost. Sodobni sateliti imajo večinoma primitivne računske zmogljivosti, ki ravno zadostujejo, da ostanejo v tirnicah in opravljajo svoje funkcije. A sateliti zajamejo bistveno več podatkov, kot jih lahko posredujejo na Zemljo. Če bi jih večino zmogli obdelati sami, bi lahko izluščili več koristnega. To seveda ne pomeni, da so vsi sateliti brez računalnikov. Izraelsko podjetje Ramon.Space že nudi posebne ojačene (super)računalnike zanje, ki jih ima že več kot 50 satelitov. Spiral Blue je še en avstralski startup, ki razvija računalniške sisteme za satelite.

Posamezni sateliti imajo že tudi običajne računalniške komponente. Evropska vesoljska agencija (ESA) je lani izstrelila satelit PhiSat-1, ki ima Intelov čip za obdelavo posnetkov Movidius Myriad 2. Gre za komercialni izdelek, ki ni prilagojen za vesoljsko uporabo. Vesolje torej postaja superračunalniška krajina.

Spiral Blue razvija računalniške sisteme za satelite.

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki

Monitor na Facebooku

Monitor TV na YouTube

HRWrFBljAjU

  • Polja označena z * je potrebno obvezno izpolniti
  • Pošlji