Fallstudie: Edge-Computing
Vom Rechenzentrum zum Weltraum

In letzter Zeit wurde weltweit regelmäßig in den Medien über die Erforschung des Weltraums, unter anderem über Satellitenstarts, berichtet. Obwohl in der Vergangenheit nationale Regierungsbehörden die Vorreiterrolle spielten, rückt sie jetzt als neue Wachstumsbranche in den Blickpunkt, in der die Weltraumforschung durch private Unternehmen an Bedeutung gewonnen hat.

An unterschiedlichen Stellen wurden geschäftliche Anwendungsfälle im Weltraum, wie z. B. die Erdbeobachtung durch Fernerkundung und -analyse, vorgestellt. Auf der Erde sind Rechenoperationen einfach und unkompliziert, aber im Weltraum stellen sie neue Herausforderungen dar, da sich die Umweltbedingungen grundlegend unterscheiden. Im Weltraum gibt es keine Cloud, da die Technologie für den Aufbau eines Hochgeschwindigkeitsnetzes zwischen den Satelliten und der Cloud sowohl aus technischer Sicht als auch aus Kostengründen nicht existiert, ganz zu schweigen von der enormen Energiemenge, die für den Betrieb der Server und Prozessoren benötigt wird.

Als Weltraumlabor, das in einer Umlaufbahn mit einer Entfernung von ca. 408 km um die Erde kreist, kann die Internationale Raumstation (ISS) Daten in Echtzeit zur Erde übertragen, was bei großen Datenmengen sehr lange dauern kann. Außerdem würde die Kommunikation über größere Entfernungen, wie z. B. bei der Reise eines Raumschiffs zum Mars, eine weitere Verzögerung verursachen. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, die Daten im Weltraum zu analysieren und nur die Ergebnisse zu übermitteln, anstatt die Daten zur Analyse auf die Erde zu schicken. In der Vergangenheit wurden Daten von verschiedenen Sensoren im Weltraum (Temperatur, Gas, topografische Informationen usw.) und hochauflösende Bilder zur Erde übermittelt, wobei die Übermittlung und Analyse mehr als 10 Stunden dauerte und schließlich zu Ergebnissen führte. Mit den verbesserten "Speichern" (Speichermedien), einschließlich hoher Kapazität, geringer Größe und höherer Lese- und Schreibleistung, können Daten gespeichert und Anwendungen im Weltraum ausgeführt werden. Die Ergebnisse liegen innerhalb von Sekunden oder Minuten vor, und die abgeschlossenen Analysen können in viel kürzerer Zeit zur Erde übertragen werden.

Dies könnte man als den ultimativen Anwendungsfall für das "Edge Computing“ bezeichnen. Beim Cloud-Computing werden alle benötigten Informationen aggregiert und die Datenverarbeitung auf Hochleistungsservern in der Cloud durchgeführt. Beim Edge-Computing erfolgt die Datenverarbeitung und -analyse auf Servern, die sich in IoT-Geräten und peripheren Bereichen am Ende des Netzes befinden, wobei nur die Ergebnisse an die Cloud gesendet werden. Dadurch lassen sich unnötige Kommunikation, Verzögerungen und Netzbelastung vermeiden. Edge computing plays an important role in the area of space research and exploration.

KIOXIA nimmt zusammen mit Hewlett Packard Enterprise (HPE) an dem Programm Spaceborne Computer-2 (SBC-2) teil, das auf kommerziell erhältlicher Standardtechnologie basiert. Mit dem SBC-2 gelangt das erste kommerzielle Edge-Computing- und KI-fähige System zur ISS, um einen Beitrag zur Erforschung des Weltraums zu leisten und eine Vielzahl von Experimenten im All durchzuführen.

Die Hauptaufgabe des Programms besteht darin, die Rechentechnnik entscheidend voranzubringen und die Abhängigkeit von der Datenübertragung zur Verarbeitung auf der Erde zu verringern. Insbesondere sollen verschiedene Hochleistungsrechenprozesse im Weltraum durchgeführt werden, darunter Bildverarbeitung in Echtzeit, Deep Learning und wissenschaftliche Simulationen, die zu Fortschritten in den Bereichen Gesundheitswesen, Bildverarbeitung, Wiederherstellung nach Naturkatastrophen, 3D-Druck, 5G, KI und mehr beitragen sollen. Mithilfe der lokalen Hochgeschwindigkeitsverarbeitung oder Edge-Computing-Fähigkeiten auf dem begrenzten Raum der ISS werden Daten von verschiedenen Randgeräten wie Satelliten und Kameras in Echtzeit erfasst und verarbeitet.

KIOXIA ist der offizielle SSD-Speicher-Sponsor für dieses SBC-2-System von HPE und stellt drei KIOXIA-SSD-Produktfamilien für die Datenspeicherung zur Verfügung (weitere Einzelheiten siehe unten). Keine dieser SSDs wurde für Weltraumanwendungen angepasst oder entwickelt. Sie werden auch im Rahmen täglicher diagnostischer Gesundheitschecks getestet, um zu sehen, wie sie sich im Laufe der Zeit im Weltraum verhalten.

SSDs kommen ohne bewegliche Teile aus, wodurch sie stoßfest sind und den rauen Bedingungen im Weltraum standhalten, z. B. den Vibrationen beim Start, der Schwerelosigkeit und unerwarteten Stromausfällen.

KIOXIA stellt vier SAS-SSDs der KIOXIA RM-Serie mit 960 Gigabyte (GB), vier SAS-SSDs der KIOXIA PM-Serie mit 30,72 Terabyte (TB) und acht Client-NVMe™-SSDs der KIOXIA XG-Serie mit 1.024 GB im SBC-2 zur Verfügung. Die Gesamtspeicherkapazität beträgt über 130 TB⁽¹⁾, der größte Datenspeicher, der in einer einzigen Mission zur Internationalen Raumstation transportiert wird.⁽²⁾  Die energieeffiziente Hochleistungs-SAS-SSD mit 30,72 TB ermöglicht eine Speicherkapazität von 130 TB in der ISS, wo die Energieversorgung begrenzt ist. Dies wird durch die geringe Größe, das dünne Profil und die hohe Kapazität pro Flächeneinheit der SSDs ermöglicht, die für den Einbau in den begrenzten Raum des SBC-2-Schranks konzipiert sind. Für die Zukunft wird erwartet, dass eine höhere Speicherkapazität im Weltraum genutzt werden wird.

Die Hardwarekonfiguration von KIOXIA, die im SBC-2 verwendet wird, ist unten dargestellt; KIOXIA SSDs sind in HPE Edgeline EL4000 und HPE ProLiant DL360 Gen10 Servern (zusammen als "SBC-2 Server" bezeichnet) an Bord der ISS installiert.

Die Datenübertragung zur Erde dauert bei einer Datenmenge von 1,8 GB, die auf 1/10 der ursprünglichen Größe komprimiert wurde, etwa 12 Stunden. Bei Verwendung des SBC-2-Servers wird die Anwendung auf den SBC-2-Server hochgeladen und in einem Docker-Container ausgeführt, der innerhalb von 6 Minuten die Ergebnisse der hybriden CPU- und GPU-Datenverarbeitung bereitstellt. Die Datenübertragung, die früher mehr als 12 Stunden dauerte, dauert jetzt nur noch etwa 2 Sekunden, d. h. 1/20.000 der ursprünglichen 12 Stunden für die Übertragung einer Datenmenge von nur 92 KB. Durch Edge-Computing im Weltraum können Daten viel schneller berechnet und analysiert werden, ohne dass die unverarbeiteten Rohdaten zur Erde geschickt werden müssen.

Wenn sich die Analyse von Daten im Weltraum durchsetzt, und nicht mehr die Rohdaten zur Verarbeitung auf die Erde geschickt werden, dürfte sich die „Zeit bis zur Erkenntnis“ von Monaten auf Minuten verkürzen. Die durch das HPE SBC-2 Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen zu neuen Weiterentwicklungen der SSD-Produkte von KIOXIA führen. Es werden hohe Erwartungen an Speichertechnologien, einschließlich SSD-Produkte, gestellt, die eine höhere Kapazität und eine schnellere Verarbeitung für potenzielle zukünftige Weltraumexpeditionen ermöglichen.

Mit dem Start der Missionsrakete NG-20 zur ISS flogen KIOXIA SSDs mit einem aktualisierten HPE SBC-2 System, das auf HPE Edgeline und ProLiant Servern basiert.

Die Flashspeicher-Technologie und die SSD-Produkte entwickeln sich ständig weiter, sodass hohe Leistung und große Speicherkapazitäten immer leichter verfügbar sind und das Anwendungsspektrum noch weiter erweitert wird. KIOXIA is also working on a unique research project called "Speicher-zentrierte KI". Diese Technologie wird mit dem Ziel entwickelt, zu einem schnelleren KI-Lernen beizutragen, das auf großen Datenmengen basiert. Außerdem kann sie im Bereich Simulation/HPC eingesetzt werden, um Erkenntnisse aus großen Datenmengen zu gewinnen. Flashspeicher-Technologie und SSD-Produkte sind im Zeitalter von "Daten x KI" und "Daten zuerst" unverzichtbar.