Обычно перегревшийся компьютер советуют почистить, поставить поближе к прохладному воздуху и проверить вентиляторы. SpaceX предлагает куда более радикальный переезд: отправить вычислительную технику на орбиту. Там нет облаков над солнечными батареями, не нужно искать участок возле мощной электростанции, а вокруг простирается космическая пустота.
На первый взгляд — идеальное место для огромного дата-центра. Особенно если забыть, что вентилятор в вакууме бесполезен.
Проект называется Starmind. SpaceX хочет создать сеть спутников с вычислительным оборудованием для искусственного интеллекта. На странице компании для одного аппарата указаны до 250 киловатт пиковой и 175 киловатт средней мощности вычислительной нагрузки. Уже этих величин достаточно, чтобы перед инженерами встал вопрос: куда девать тепло от летающей серверной?
Электростанция летит вместе с компьютером
У идеи есть вполне земная причина. Вычислительному центру мало купить процессоры и построить здание: его нужно обеспечить электричеством, подключить к сетям и организовать охлаждение. При больших мощностях подходящее место становится самостоятельной ценностью.
На орбите солнечные батареи можно доставить вместе с серверами. Особенно привлекательны орбиты, проходящие вблизи границы дня и ночи: при подходящих параметрах аппарат получает солнечный свет почти непрерывно. Такую схему рассматривают и разработчики Google в своём проекте Suncatcher.
Однако солнечная электростанция получается внушительной. Если принять приведённые в исходной новости 250 ватт электрической мощности с квадратного метра, для получения 250 киловатт потребуется тысяча квадратных метров панелей. Это простое деление, ещё без поправок на потери, старение фотоэлементов и питание служебных систем.
Представьте квадрат со стороной почти 32 метра. Теперь его нужно сложить для запуска, пережить вибрации ракеты и раскрыть в космосе. Причём за солнечными панелями придётся развернуть ещё одну большую конструкцию.
Космос холодный, но компьютер об этом не знает
На Земле тепло можно передать воздуху или воде, а затем вывести наружу. Вокруг спутника воздуха практически нет. Жидкость внутри системы охлаждения способна забрать тепло у процессоров, но после этого его всё равно нужно куда-то отдать.
Поэтому космические аппараты используют радиаторы: специальные поверхности испускают инфракрасное излучение и таким способом избавляются от тепла. Их работу приходится рассчитывать с учётом солнечного света, излучения Земли и ориентации самого аппарата.
Почти вся электроэнергия, которую потребляет вычислительное оборудование, в итоге превращается в тепло. Даже если нейросеть сочинила великолепный сонет, большая часть затраченной энергии останется внутри спутника. Её придётся провести от микросхем к радиаторам и излучить наружу.
Отсюда непривычный облик орбитального дата-центра. Небольшой по сравнению с развёрнутыми конструкциями блок электроники будет окружён огромными поверхностями: одни собирают солнечную энергию, другие помогают от неё избавиться.
Чтобы легче охлаждать, придётся сильнее нагревать
У радиатора есть полезная особенность: с повышением температуры он излучает заметно больше энергии. Мощность теплового излучения зависит от четвёртой степени абсолютной температуры — той, которую измеряют в кельвинах.
Для наглядности: идеальная излучающая поверхность при 100 °C отдаёт примерно в 1,8 раза больше энергии, чем при 50 °C. Это расчёт для одинаковой площади и свойств поверхности, без учёта внешнего нагрева.
Так появляется соблазн разрешить оборудованию работать горячее. При более высокой температуре теплоносителя и радиатора можно уменьшить площадь системы охлаждения, а вместе с ней — массу, которую нужно доставлять на орбиту.
Но температура микросхемы и температура радиатора различаются. Теплу ещё предстоит пройти через материалы и соединения, а каждому элементу системы нужен допустимый рабочий режим. Нельзя просто выставить процессору почти сто градусов и считать задачу решённой. NASA отдельно подчёркивает необходимость учитывать температурные ограничения как оборудования, так и самих средств охлаждения.
Инженерам предстоит найти режим, при котором спутник достаточно хорошо излучает тепло, а дорогая электроника достаточно долго живёт.
Летающие серверы должны держаться рядом
Другой вопрос возникает, когда несколько аппаратов начинают выполнять одну вычислительную задачу. Им требуется быстро обмениваться данными. Если связь медленная, часть дорогостоящего оборудования будет ждать соседей вместо полезной работы.
Отсюда идея компактных орбитальных групп. Спутники соединяются оптическими линиями и стараются сохранять небольшие расстояния друг от друга. Похожую архитектуру исследует Google: солнечные аппараты с вычислителями, связанные лазерной сетью.
На Земле серверные стойки прикручены к полу, а кабели проложены между ними. На орбите все участники группы движутся, испытывают возмущения и должны удерживать взаимное положение. Лазерной линии тоже нужно точно попадать в приёмник.
Получается своеобразная серверная, в которой каждый шкаф — самостоятельный космический аппарат. Он должен одновременно вычислять, охлаждаться, получать солнечный свет и сохранять связь с соседями. Возможность быстро передать данные здесь зависит ещё и от того, насколько хорошо вся группа умеет летать.
Миллион спутников придётся постоянно заменять
Миллион аппаратов — масштаб, фигурирующий в заявке SpaceX. Найденное уведомление FCC подтверждает её принятие к рассмотрению и сбор комментариев, а не разрешение развернуть всю группировку.
Но даже как расчётный предел эта цифра впечатляет. Возьмём условный сценарий из исходной новости: каждый спутник весит четыре тонны и служит пять лет. Это допущения для оценки масштаба, а не установленные характеристики будущей системы.
Для поддержания миллиона работающих аппаратов пришлось бы заменять в среднем 200 тысяч спутников ежегодно. Только их масса составила бы 800 тысяч тонн в год — без ракет, топлива и наземного оборудования. Получается около 550 новых спутников каждый день.
Причём пять лет нельзя считать доказанным универсальным сроком жизни процессоров в космосе. На результат влияют орбита, радиационная защита, устройство электроники и допустимое число отказов. Проверять всё это предстоит на реальных аппаратах.
Первые шаги уже делаются: 1 октября Google сообщила о выводе на орбиту прототипа Suncatcher для исследования работы своих вычислителей в условиях космического полёта.
SpaceX планировала начать демонстрацию орбитальных вычислений в 2027 году. До огромной коммерческой сети от таких испытаний ещё далеко.
У Starmind есть понятная привлекательность: получать энергию там, где солнечным батареям почти не мешают ночь и погода. Теперь эту энергию нужно превратить в достаточно дешёвые вычисления — с учётом запуска, охлаждения и замены техники. И когда первый сервер зависнет над Землёй, отправить к нему администратора с запасным блоком питания уже не получится.
