"Граничные вычисления" в космосе

По расчетам STL, общий размер рынка "граничных вычислений" к 2030 году достигнет $445 млрд. $5 млрд из них, согласно отчету NSR, будет занимать рынок вычислений в космосе. Более консервативны относительно последнего оценки BCG ($300 млн к 2030 году) и CRI ($1,8 млрд к 2033 году). 

Понятие «граничные вычисления» (Edge Computing) подразумевает выполнение счетных операций c данными в непосредственной близости от места их сбора и хранения, в случае с космическим сегментом - на борту спутников.

И хотя один из первых демонстраторов технологии, спутник PhiSat-1, был запущен Европейским космическим агентством еще в 2020 году, реализация граничных вычислений для работы в космосе по-прежнему находится на стадии становления. 

Основными драйверами развития технологии стали следующие факторы:

• снижение порога входа на рынок спутникового мониторинга и ДЗЗ новых игроков за счет миниатюризации аппаратов и уменьшения стоимости пусковых услуг 
• экспоненциальный рост объема данных, получаемых спутниками ДЗЗ, с увеличением числа запусков и объема полезной нагрузки
• возрастающие требования заказчиков к оперативности извлечения из этих данных только значимой информации
• ограниченная скорость передачи данных на Землю
• опережающие темпы развития технологий искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения (ML)

Ключевые барьеры для масштабирования “граничных вычислений” лежат как в технической, так и в финансовой плоскости.

Десятилетиями инженеры, работающие с государственными космическими программами, отвергали возможность замены космических процессоров “земными”, указывая на суровые радиационные и температурные условия, с которыми сталкивается электроника в космосе. Опасаясь многомиллиардных убытков и сокращения госфинансирования из-за возможного отказа аппаратуры, инженеры использовали только те компоненты, которые доказывали свою жизнеспособность многолетней и стабильной работой на орбите, в ущерб технологичности и вне связи с последними достижениями гражданской электроники.

Для научных экспериментов в дальнем космосе такой подход имеет право на существование, но для решения современных задач ДЗЗ и спутникового мониторинга на низких околоземных орбитах требуется смена парадигмы.

Edge Computing не стоит путать с более широким понятием On-Board Computing (OBC, вычислениями на борту). OBC обычно включает в себя три базовые части: микроконтроллер, электронную и интерфейсную подсистемы, - которые, в целом, обеспечивают защиту авионики спутника от температурного, радиационного и магнитного излучения; запускают программное обеспечение: для управления телеметрией и синхронизации времени, обнаружения ошибок и обмена данными с другими модулями, для контроля положения спутника на орбите, хранения и сжатия данных.

Одной из первых частных компаний, обративших внимание на большой потенциал "граничных вычислений" в целях ускорения прогнозов погоды, стал шведский производитель авионики AAC Clyde Space, который с 2021 года поставляет полезную нагрузку для спутника Европейского космического агентства по оценке погоды в Арктике.

В ноябре 2021 года под эгидой канадского стартапа Exodus Orbitals был создан альянс компаний Edge Computing in Space, который к марту 2024 насчитывает 37 членов.

Каждый из них развивает свое направление, которое в конечном итоге служит идее продвижения и популяризации граничных вычислений на коммерческой или научно-образовательной основе. 

Сам Exodus Orbitals работает по сервисной модели (Satellite-as-a-Service), обеспечивая широкий круг заказчиков инструментами создания, тестирования и выполнения программ обработки данных ДЗЗ и радиосигналов на борту собственных спутников Exodus NOVA. Запуск первого спутника запланирован на 2024 год.

Похожую модель с упором на предоставление клиентам в качестве сервиса доступа к космосу и данным (Space and Data As a Service) практикует американская Sidus Space. После покупки в прошлом году стартапа Exo-Space компания получила уникальное решение - FeatherEdge - платформу AI/ML-обработки данных на борту спутников своего перспективного созвездия LizzieSat. Первый спутник группировки отправлен на орбиту в начале марта 2024 года в ходе миссии SpaceX Transporter 10.

Израильская компания Ramon.Space, напротив, ориентируется, на производителей спутников, предоставляя им адаптированные к суровым условиям космоса высокопроизводительные проприетарные платформы хранения и обработки информации для самостоятельного внедрения на свои аппаратах.

Принципиально иной подход к граничным вычислениям демонстрирует пул компаний, работающих в сфере создания систем радиационного и температурного экранирования. Они не разрабатывают собственные процессоры и системы хранения данных, а используют готовые решения на рынке, облекая их в прочную термо-, магнито- и радиоустойчивую оболочку. Примерами таких компаний являются американские Cosmic Shielding Corporation, OrbitsEdge и Aethero. 

Последняя из них осенью прошлого года получила $1,7 млн предпосевных инвестиций. Первое поколение космических компьютеров компании - AetherNxN - основано на графическом процессоре NVidia Orin, вычислительная мощность которого в 20 раз выше производительности существующих решений Edge Computing в космосе, а расчетный срок функционирования достигает 7-10 лет. Начиная со второго поколения, Aethero планирует разрабатывать процессоры на проприетарной основе и амбициозно называет себя “Intel или NVidia космической индустрии будущего”.

В контексте модернизации других секторов космической отрасли и гражданского приборостроения перспективы “граничных вычислений” в космосе действительно выглядят многообещающе: 

Во-первых, за счет тенденции уменьшения стоимости выведения на орбиту 1 кг полезной нагрузки производители спутников при прежнем уровне расходов смогут оснащать свои аппараты более производительными процессорами и устройствами хранения данных, не обращая внимание на их массу и габариты. Эта же тенденция позволит операторам чаще обновлять парк космических аппаратов, используя самые актуальные и передовые идеи приборостроения для создания спутников нового поколения.

Во-вторых, новые технологии лазерной связи, уже сейчас демонстрирующие впечатляющие скорости передачи данных от спутника к спутнику и со спутника на Землю (от 20 до 200 ГБит/с в тестах Chang Guang Satellite Technology и NASA), при необходимости смогут быстро распределять вычислительные задачи между аппаратами на основе их загруженности без ущерба для потребителя.

И, в-третьих, классический закон Мура, в соответствии с которым число транзисторов на кремниевом чипе будет удваиваться каждые года, при всей своей ограниченности и близком подходе к критическим величинам позволяет надеяться, что по крайней мере в ближайшие несколько лет полупроводниковая отрасль будет развиваться теми же темпами, а значит и создавать задел для “граничных вычислений” в космосе.

https://t.me/control_space_channel