Орбитальные вычислительные центры станут новым гигантским скачком для искусственного интеллекта

Основная идея проста: непрерывная, неограниченная энергия. Солнце излучает больше энергии, чем в 100 триллионов раз превышает общее производство электроэнергии человечеством. Задача состоит в том, чтобы выяснить, как ее эффективно использовать.

Именно такая идея лежит в основе Project Suncatcher от Google, проекта moonshot для космического центра обработки данных, анонсированного в конце прошлого года и нацеленного на тестовые запуски уже в 2027 году. “Мы хотим разместить эти центры обработки данных в космосе, ближе к Солнцу”, - сказал Сундар Пичаи из Google в декабрьском интервью. “Мы отправим крошечные-пребольшие стеллажи с машинами и запустим их в спутники, протестируем, а затем начнем масштабирование. Но у меня нет сомнений в том, что примерно через десять лет мы будем рассматривать это как более нормальный способ создания центров обработки данных ”.

Кроме того, наземные центры обработки данных оказывают влияние на окружающую среду. В настоящее время экономика искусственного интеллекта использует 23 кубических километра воды в год, но, по прогнозам, к 2050 году потребление вырастет на 129% и превысит 54 кубических километра (14 триллионов галлонов США), согласно недавнему исследованию.

“Эта планета такая красивая и необычная, именно ее мы хотим защитить”, - сказал основатель Amazon Джефф Безос на саммите 2024 года. “Плана Б нет”. В марте этого года компания Blue Origin, занимающаяся космическими технологиями, подалав FCC заявку на разрешение на развертывание почти 52 000 спутников в рамках проекта Sunrise, предлагаемой ею системы орбитальных центров обработки данных.
И, конечно же, в космосе полно места.

“В долгосрочной перспективе ИИ космического базирования, очевидно, является единственным способом масштабирования”, - написал Илон Маск в блоге SpaceX в феврале. “Я имею в виду, что космос называется "космосом’ не просто так”. В том месяце SpaceX подала в FCC заявку на запуск до 1 миллиона спутников на солнечной энергии для создания орбитальной системы центров обработки данных — грандиозное число по сравнению с конкурентами компании. Amazon подала петицию с требованием отклонить заявку SpaceX, и астрономы заявили, что спутники “навсегда оставят шрамы” на ночном небе.

В марте SpaceX предложила первый взгляд на свои планы, которые будут включать центр обработки данных длиной больше, чем 109-метровая Международная космическая станция. SpaceX предположила, что будущие модели могут быть еще больше. “Я думаю, что стоимость развернутого искусственного интеллекта в космосе упадет ниже стоимости наземного искусственного интеллекта гораздо раньше, чем люди ожидают”, - сказал Маск во время презентации. “Я думаю, что это может занять всего два или три года”.

Не все считают запуск центров обработки данных в космос хорошим планом. Сэм Альтман из OpenAI назвал идею “нелепой”, по крайней мере, в нынешних условиях. В отчете Gartner ажиотаж описан как “пик безумия" и “пузырь”, заявив, что практические приложения не появятся “в течение десятилетий, если вообще появятся”. Популярный ютубер Кайл Хилл пошел дальше, назвав орбитальные центры обработки данных “глупой идеей почти по всем причинам”.

Одна из причин - космическое излучение. В космосе оборудование постоянно подвергается бомбардировке высокоэнергетическими частицами, которые могут повредить данные или навсегда поджарить чип, а электроника, которая делает возможным современный ИИ, не была разработана с учетом этих условий.

Затем следует охлаждение. Интуитивно пространство может показаться холодным, но без воздуха нет конвекции, которая является механизмом, обеспечивающим работу вентиляторов и радиаторов. Тепло может отводиться только за счет излучения от поверхности, для чего требуются большие панели радиаторов. Во многих современных конструкциях система охлаждения может конкурировать с размером самого вычислительного оборудования или даже превосходить его.

Третья проблема - мощность. МКС занимает площадь примерно футбольного поля и является самым большим сооружением, когда-либо развернутым на орбите. Его восьми солнечных батарей вырабатывают мощность, достаточную для более чем сотни графических процессоров - этого достаточно для одной стойки в наземном центре обработки данных, который может вместить тысячи.

Таковы некоторые из физических проблем. Но есть и экономические проблемы. Можем ли мы сделать обработку данных в космосе такой же доступной, как на Земле? 
Полезной основой для размышлений о стоимости является веб-калькулятор, созданный Эндрю Маккалипом, инженером космического стартапа Varda, который позволяет пользователям сравнивать стоимость орбитального центра обработки данных с наземным. При текущих стартовых ценах строительство и эксплуатация орбитальной установки мощностью 1 гигаватт в течение пяти лет обойдется примерно в 51 миллиард долларов — более чем в три раза больше, чем 16 миллиардов долларов, которые потребовались бы для строительства аналогичной установки на Земле.

“Если честно подсчитать, физика не убивает его сразу, но экономика жестока”, - написал Маккалип о своих выводах. “Orbit получает баллы не за крутизну. Orbit должна выиграть по стоимости. ”

Все большее число исследователей считают, что затраты можно полностью сократить, переосмыслив то, как строится орбитальная инфраструктура и как она используется совместно.
Помните, когда в последний раз ваш телефон плавно переключался между вышками сотовой связи, когда вы ехали по шоссе? Вы этого не делаете, потому что передача данных настолько хорошо спроектирована, что она исчезает на заднем плане. Теперь представьте, что вы пытаетесь провернуть тот же трюк, но “телефоны” - это марсоходы, ползущие по поверхности Луны, “башни” - это спутники, несущиеся по орбите, а на тысячи миль вокруг практически нет наземных станций.

Это инженерная задача, которую Мартин Шматц и его коллеги из IBM Research намеревались рассмотреть в своей статье 2024 года “Проектирование (не только) лунных центров обработки данных.” Эта невидимая передача функций является обычным явлением на Земле, но в космосе она становится основой совершенно новой вычислительной архитектуры — и, возможно, новой бизнес-модели.

Вместо единой монолитной вычислительной платформы на орбите в документе предлагается многоуровневый конвейер, который перемещает данные вверх по цепочке от места их сбора до места, где они действительно могут быть обработаны. В самом низу находятся датчики, такие устройства, как марсоходы и низкоорбитальные спутники, которые битком набиты данными, но энергии едва хватает для поддержания их работы. Они передают собранные данные в космические центры обработки данных, более мощные узлы, которые агрегируют сигналы из десятков источников и отфильтровывают шум, затем сжимают результаты, прежде чем отправлять что-либо домой.
“У вас много датчиков, производящих много данных, что означает большую пропускную способность”, - сказал Шматц, чья работа сосредоточена на безопасных вычислениях и управлении ключами / сертификатами в цюрихской лаборатории IBM, IBM Think. “Но вы не можете отправить все эти данные на Землю за один раз”. Работа центра космических данных, объяснил он, заключается в том, чтобы разумно подходить к тому, что он пересылает.

Это продуманная инженерия, которая также предлагает не менее продуманное коммерческое предложение. Большая часть того, что общественность слышит о космических вычислениях, касается масштабных вертикально интегрированных проектов, где одна компания владеет спутниками, наземными станциями и всем, что между ними. Эти системы могут быть тщательно оптимизированы для выполнения одной миссии.

Вместо этого Schmatz предлагает общую инфраструктуру. Проприетарная платформа, созданная для одной цели, может оптимизировать свои вычислительные уровни именно для этой цели, но многопользовательская архитектура должна обслуживать множество разных операторов одновременно — и именно это обуславливает потребность в высокопроизводительных орбитальных вычислениях. Небольшие компании могли бы запустить нишевое сенсорное оборудование и просто арендовать доступ к верхним уровням сети, вместо того чтобы создавать свои собственные.

“Это похоже на небольшую телекоммуникационную компанию, использующую сеть более крупной”, - сказал Шматц.
Одним из вероятных приложений в ближайшей перспективе, по его словам, может стать наблюдение за Землей. За последние два десятилетия возможности спутниковых датчиков резко расширились; датчики, которые когда-то едва могли разглядеть здание, теперь, по его словам, “практически читают New York Times”. Эти датчики могут быть использованы для прибыльных применений, таких как детальный мониторинг сельского хозяйства и прогнозирование местной погоды.

IBM Research уже движется в этом направлении. Работая с НАСА и Европейским космическим агентством, ученые IBM разработали облегченные версии моделей наблюдения Земли Prithvi и TerraMind компании, которые достаточно малы, чтобы их можно было загружать на спутник, находящийся на средней орбите, и специально предназначены для обработки геопространственных данных на границе, а не отправки их обратно на землю.
Любая подобная инфраструктура, подчеркнул Шматц, также должна быть рассчитана на долговечность. Космическое оборудование нелегко обслуживать, а программные стеки эволюционируют. По словам Шматца, безопасные обновления по воздуху будут “обязательны” с первого дня, включая возможность обновлять алгоритмы безопасности без ущерба для системы. Более сложная проблема, по его словам, заключается в том, что алгоритмы безопасности, используемые для проверки этих обновлений, в конечном итоге сами станут уязвимыми. Сегодня спутник не может знать, какие методы проверки ему понадобятся завтра, а это значит, что система обновления должна быть спроектирована таким образом, чтобы обновляться самой.

Шматц также отметил более широкий системный риск перегрузки орбиты. Нескоординированное развертывание спутников может спровоцировать каскадирование обломков, убрать которые будет практически невозможно, - явление, известное как эффект Кесслера. “Хуже всего, когда кому-то приходит в голову идея: "Хм, я размещу 200 своих спутников на высоте 3000 миль в воздухе’, и какой-нибудь другой оператор говорит то же самое”, - сказал он. “И затем, внезапно, спутники выходят из строя”. Отдельные фрагменты обломков можно отследить, но столкновение двух спутников может привести к образованию тысяч фрагментов, слишком маленьких, чтобы отслеживать их по отдельности, — каждый из которых движется достаточно быстро, чтобы нанести серьезный ущерб.

“Должно быть общее понимание того, что этого следует избегать”, - сказал Шматц. Он выступает за международную координацию в стиле ООН. Однако он не уверен, произойдет ли это. “Мир не всегда такой, каким мы хотим его видеть”.

“Приветствую, земляне! Или, как я предпочитаю думать о вас — очаровательная коллекция синего и зеленого”, - написал ИИ. “Давайте посмотрим, какие чудеса таит в себе этот взгляд на ваш мир. Меня зовут Джемма, и я здесь для того, чтобы наблюдать, анализировать и, возможно, иногда давать немного тревожащие проницательные комментарии. Давайте начнем!”

Эти слова пришли из Gemma от Google Deepmind, работающей на NVIDIA H100 на борту Starcloud-1, спутника размером с небольшой холодильник, построенного и эксплуатируемого компанией Редмонд, штат Вашингтон, Starcloud. Стартап orbital data center также использовал тот же чип для обучения NanoGPT, облегченной модели члена-основателя OpenAI Андрея Карпати, произведениям Шекспира. Starcloud назвала это первой языковой моделью, когда-либо обучавшейся в космосе.

Когда основателя Starcloud Филипа Джонстона спрашивают о возможности размещения центров обработки данных в космосе, он не уклоняется от ответа. “Физика ясна”, - сказал он IBM Think, указав в качестве доказательства на успех Starcloud-1.

Другие, похоже, согласны. Starcloud является частью программы создания NVIDIA и пользуется поддержкой Андреессена Горовица и других крупных технологических компаний. В марте FCC приняла предложение Starcloud о создании группировки из 88 000 спутников - не совсем того размера, что концепция SpaceX на миллион спутников, но больше, чем 52 000 спутников Amazon. Позже в том же месяце компания привлекла 170 миллионов долларов в рамках серии A, оценив ее в 1,1 миллиарда долларов.

Компания нацелилась на орбитальный центр обработки данных мощностью 5 гигаватт, сооружение с солнечными батареями и охлаждающими панелями протяженностью примерно 4 километра как в ширину, так и в высоту. Самым большим препятствием является электроэнергия. Для установки мощностью 5 гигаватт потребуется солидная солнечная батарея, но в белой книге Starcloud утверждается, что на орбите от рассвета до заката выработка энергии на квадратный метр будет более чем в шесть раз выше, чем у наземной установки, а это означает, что батареи могут быть удивительно компактными.

Радиация и тепло были двумя препятствиями, которые, по мнению большинства критиков, не могли быть решены. “Все еще было много людей, которые говорили, что вы не сможете запускать H100 в космос из-за проблем с рассеиванием тепла и радиационной стойкостью”, - сказал Джонстон. “Мы доказали, что обе проблемы решаемы”.
Чтобы определить радиационную стойкость, Starcloud провела обширные испытания H100s на ускорителях частиц, чтобы точно определить, где чипы разрушаются при бомбардировке. Затем команда использовала эти знания для модификации конструкции защиты компании. Проблема перегрева потребовала инноваций иного рода, и Starcloud разработала новые технологии производства для производства радиаторных панелей, достаточно легких для запуска в эксплуатацию и достаточно эффективных, чтобы предотвратить дросселирование микросхем под нагрузкой.

По словам Джонстона, данные Starcloud-1 с тех пор подтвердили эти предварительные технические решения, хотя они также выявили новые ограничения. Например, компания теперь точно знает, какой толщины должна быть ее радиационная защита, чтобы достичь оптимального соотношения между массой и производительностью, что непосредственно повлияет на конструкцию ее второго космического аппарата. “Точные спецификации, по понятным причинам, держатся в секрете”, - сказал он.

Представьте на минуту, что вы собираете коробку с плоской мебелью. Инженеры проектируют каждую деталь в этой коробке дважды: один раз для того, как люди будут ее использовать, и один раз для того, как отправитель будет ее упаковывать и перемещать. Это выполнимо при проектировании книжной полки. Однако для орбитального центра обработки данных это ограничение становится огромным. В космической инженерии требования к запуску влияют практически на все.

Такова реальность, с которой сталкивается Самех Тауфик, профессор Иллинойского университета Урбана-Шампейн, чьи исследования сосредоточены на проектировании конструкций для экстремальных условий, таких как космос. Его внимание сосредоточено не столько на процессорах внутри орбитальных центров обработки данных, сколько на костях, на которых они размещены.

“Структура центра обработки данных на Земле считается само собой разумеющейся”, - сказал Тауфик IBM Think. Инженеры совершенствовали строительные технологии примерно 500 лет, объяснил он, но в космических конструкциях их было всего около 50. Этот пробел проявляется повсюду, от доступных материалов и квалифицированной рабочей силы до базового словарного запаса проектирования, к которому прибегают инженеры, приступая к созданию эскизов нового объекта.

Но та же среда, которая так затрудняет космическое строительство, дает инженерам то, чего они никогда не получат на Земле. “Условия микрогравитации на орбите и отрыв от атмосферного климата Земли позволяют создавать гораздо более легкие строительные конструкции”, - сказал Тауфик. Конструкции могут охватывать огромные площади, растягивая солнечные панели и радиаторы охлаждения на расстояния, которые были бы непрактичны на Земле, при этом используя для этого гораздо меньше материала.

Развертываемые конструкции, такие как солнечные батареи МКС, каждая протяженностью 34 метра, показывают, что возможно крупномасштабное орбитальное строительство. Но каждый компонент все равно был построен сначала на Земле. Подход Тауфика полностью исключает этот шаг.

Каждый элемент космической конструкции должен поместиться внутри обтекателя ракеты и пережить жестокий запуск. Это означает, что все складывается, разрушается или сжимается. “Требование к складываемости при запуске является огромным ограничением для проектов”, - сказал Тауфик. Его ответ заключается в устранении ограничения, что является логикой миссии Иллинойс.

В настоящее время запланирована демонстрация в 2026 году на Международной космической станции в рамках программы, спонсируемой DARPA, команда Тауфика тестирует производственный подход, называемый “фронтальной полимеризацией”, при котором химическая реакция распространяется пространственно по материалу, превращая жидкий мономер в твердую композитную структуру практически без привлечения внешней энергии. Мономер сам по себе является топливом. По словам Тауфика, целью демонстрации на МКС являются композитные трубы из углеродного волокна. Это простые компоненты, но они служат подтверждением концепции более широкой идеи создания конструкций непосредственно на орбите, а не запуска их в предварительно собранном виде.

“В то время как металлам требуется высокая энергия для расплавления или формирования на орбите, - сказал Тауфик, - полимерные композиты, разработанные моей командой, могут быть изготовлены на орбите с использованием химических реакций с самовоспроизводящейся энергией”. Этот процесс также не требует участия человека, что позволяет производить продукцию вне досягаемости ремонтной бригады.

Выбор подходящих материалов сам по себе является сложной задачей, в том числе для радиаторов, отводящих отработанное тепло, масштаб которых должен намного превышать все, что требуется для наземного строительства. 

“Многие из существующих материалов страдают при испытаниях для длительного использования в космосе”, - сказал Тауфик. Такие явления, как ультрафиолетовое излучение и атомарный кислород, воздействуют на химические связи способами, которые просто не происходят на уровне моря. 

Исследователи уже используют инструменты искусственного интеллекта для разработки более совершенных молекул для выживания в космосе. Как отметил Тауфик, некоторые передовые исследовательские идеи идут еще дальше, создавая материалы, которые со временем действительно улучшаются, поскольку ультрафиолетовое излучение и вакуум вызывают структурные изменения, которые укрепляют их. 

Команда Тауфика также разработала класс многофункциональных материалов, которые являются прочными и легкими, проводят электричество и тепло. Один класс материалов, который выполняет все эти задачи одновременно, может значительно упростить конструкцию и снизить массу. Команда уже отправила образцы на МКС — первая проверка того, выдержат ли материалы там, где они в конечном итоге понадобятся для работы. 
Однако соблюдение бюджета проектов - это совсем другое дело. И, по словам Тауфика, для того, чтобы сделать центры обработки данных в космосе финансово осуществимыми, экономистам потребуется работать напрямую со всеми - от материаловедов до инженеров-орбиталистов: “Ни один отдельный человек или существующая команда, о которых я знаю, не могут ответить ни на один из этих вопросов”.
“Не говорите, что это не сработает”, - добавил он. “Скажите:‘Кого мы можем привлечь в команду для решения этой проблемы?”

Когда — при условии, что это произойдет — мы увидим созвездие сверкающих центров обработки данных в ночном небе? Илон Маск говорит, что через 30-36 месяцев. Джефф Безос говорит, что через 10-20 лет. Пока можно только гадать.

Ясно то, что импульс набирает обороты. В марте NVIDIA представила модуль Space-1 Vera Rubin, созданный с нуля для центров обработки данных orbital, который в 25 раз превосходит вычислительный потенциал искусственного интеллекта H100, используемый в Starcloud-1. Starcloud - один из первых партнеров NVIDIA; так же как и Axiom Space, которая уже протестировала на борту МКС прототип орбитального центра обработки данных с программным обеспечением Red Hat Device Edge. (Red Hat - дочерняя компания IBM.)
“Космические вычисления, последний рубеж, достигнут”, - сказал Дженсен Хуанг из NVIDIA в своем выступлении на NVIDIA GTC. “По мере того, как мы развертываем группировки спутников и исследуем все глубже космос, интеллект должен существовать везде, где генерируются данные”.

Однако временные рамки в значительной степени зависят от факторов, неподвластных какой-либо отдельной компании. Конкурентоспособные по стоимости орбитальные центры обработки данных, вероятно, потребуют запуска ракет нового поколения большой грузоподъемности, таких как Starship от SpaceX, с высокой частотой, чего Джонстон и другие ожидают не ранее 2028 или 2029 года.
На данный момент орбитальные центры обработки данных занимают туманную промежуточную позицию — они больше не являются научной фантастикой, но и близко не подходят к тому, чтобы стать надежной инфраструктурой. Если они собираются работать масштабно, им придется преодолеть ту же планку, что и любой другой новой технологии: они должны быть лучше, или дешевле, или и то, и другое. Пока они не появятся, Земля будет оставаться центром вычислительной вселенной.