Μελέτη περίπτωσης: Edge Computing
Από τα data center στο διάστημα

Πρόσφατα, η εξερεύνηση του διαστήματος, όπως και οι εκτοξεύσεις δορυφόρων, άρχισαν να καλύπτονται τακτικά από τα μέσα ενημέρωσης ανά τον κόσμο. Αν και στο παρελθόν ήταν οι εθνικές κρατικές υπηρεσίες που πρωταγωνιστούσαν, πλέον οι προβολείς έχουν στραφεί στην ολοένα αυξανόμενη συμμετοχή των ιδιωτικών εταιριών στη βιομηχανία της εξερεύνησης του διαστήματος.

Αυξανόμενη χρήση του Edge Computing στη διαστημική βιομηχανία

Οι προκλήσεις των διαστημικών υπολογιστικών εφαρμογών

Περιπτώσεις χρήσης της τεχνολογίας στο διάστημα, όπως η παρατήρηση της γης με χρήση τηλεανίχνευσης και ανάλυσης εμφανίζονται πλέον σε πολλά σημεία ανά τον κόσμο. Οι επίγειες υπολογιστικές εφαρμογές είναι απλές και χωρίς δυσκολίες, αλλά οι εφαρμογές της υπολογιστικής τεχνολογίας στο διάστημα παρουσιάζουν νέες προκλήσεις, καθώς οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι πολύ διαφορετικές. Στο διάστημα δεν υπάρχει cloud, καθώς δεν υπάρχει η δυνατότητα δημιουργίας ενός δικτύου υψηλής ταχύτητας μεταξύ των δορυφόρων και του cloud, τόσο από τεχνικής άποψης όσο και από άποψης κόστους, πόσο μάλλον λόγω της τεράστιας ποσότητας ισχύος που απαιτείται για τη λειτουργία των διακομιστών και των επεξεργαστών.

Απεικόνιση μερικών χαρακτηριστικών περιπτώσεων χρήσης υπολογιστικής τεχνολογίας στο διάστημα Απεικόνιση μερικών χαρακτηριστικών περιπτώσεων χρήσης υπολογιστικής τεχνολογίας στο διάστημα

Γενικά παραδείγματα περιπτώσεων χρήσης υπολογιστικής τεχνολογίας στο διάστημα

Συμβατικό υπολογιστικό μοντέλο

Όντας ένα διαστημικό εργαστήριο που βρίσκεται σε τροχιά σε ύψος 408 χλμ. πάνω από τη Γη, ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός (ISS) μπορεί να μεταδώσει δεδομένα στη Γη σε πραγματικό χρόνο και εάν ο όγκος των δεδομένων είναι μεγάλος αυξάνονται και οι χρόνοι καθυστέρησης για τη μετάδοσή τους. Επιπλέον, μπορούν να προκύψουν ακόμα μεγαλύτεροι χρόνοι καθυστέρησης για μεγαλύτερες αποστάσεις, όπως στην περίπτωση ενός διαστημοπλοίου που ταξιδεύει στον Άρη. Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητο η ανάλυση των δεδομένων να γίνεται στο διάστημα και να στέλνονται στη Γη μόνο τα αποτελέσματα, αντί να στέλνουμε δεδομένα στη Γη για ανάλυση. Στο παρελθόν, τα δεδομένα από διάφορους αισθητήρες στο διάστημα (θερμοκρασία, ιδιότητες αερίων, τοπογραφικά δεδομένα κ.λπ.) και οι εικόνες υψηλής ανάλυσης αποστέλλονταν στη Γη και απαιτούνταν πάνω από 10 ώρες για τη μετάδοση, την ανάλυση και την τελική παραγωγή αποτελεσμάτων. Με τις βελτιώσεις στην τεχνολογία των μέσων αποθήκευσης, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής χωρητικότητας, του μικρού μεγέθους και της υψηλότερης απόδοσης ανάγνωσης και εγγραφής, καθίσταται δυνατή η αποθήκευση των δεδομένων και η εκτέλεση των εφαρμογών στο διάστημα. Έτσι έχουμε την παροχή αποτελεσμάτων εντός δευτερολέπτων ή λεπτών και η ολοκληρωμένη ανάλυση μπορεί να μεταδοθεί στη Γη σε πολύ μικρότερο χρονικό διάστημα από ό,τι προηγουμένως.

Απεικόνιση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί το συμβατικό υπολογιστικό μοντέλο στο διάστημα

Σύμφωνα με το συμβατικό υπολογιστικό μοντέλο τα ανεπεξέργαστα δεδομένα μεταδίδονται απευθείας στη Γη και μπορεί να απαιτείται πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα για μεγάλους όγκους.

Edge Computing

Οι διαστημικές εφαρμογές θα μπορούσαν να αποτελούν την απόλυτη περίπτωση χρήσης για το «edge computing». Στο cloud computing, τα απαιτούμενα δεδομένα συγκεντρώνονται μαζί και η επεξεργασία τους πραγματοποιείται σε διακομιστές υψηλής απόδοσης, που βρίσκονται στο cloud. Στο edge computing, η επεξεργασία και η ανάλυση των δεδομένων συμβαίνει σε διακομιστές που βρίσκονται σε συσκευές IoT και περιφερειακές περιοχές στο άκρο του δικτύου και μόνο τα αποτελέσματα αποστέλλονται στο cloud. Αυτό μπορεί να μειώσει τις περιττές διαβιβάσεις δεδομένων, την καθυστέρηση και τον φόρτο του δικτύου. Το Edge computing παίζει σημαντικό ρόλο στον τομέα της διαστημικής έρευνας και της εξερεύνησης του διαστήματος.

Απεικόνιση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί το edge computing στο διάστημα

Το edge computing παράγει αποτελέσματα εντός δευτερολέπτων ή λεπτών και η ολοκληρωμένη ανάλυση μπορεί να μεταδοθεί στη Γη σε πολύ μικρότερο χρονικό διάστημα από ό,τι στο συμβατικό μοντέλο υπολογιστικής.

Η προσέγγιση της KIOXIA

Πρόγραμμα Spaceborne Computer-2 (SBC-2)

Η KIOXIA συμμετέχει μαζί με τη Hewlett Packard Enterprise (HPE) στο πρόγραμμα για την κατασκευή του συστήματος Spaceborne Computer-2 (SBC-2), που χρησιμοποιεί εμπορική άμεσα διαθέσιμη τεχνολογία. Το SBC-2 φέρνει στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό το πρώτο εμπορικό σύστημα edge computing που στηρίζεται στην τεχνητή νοημοσύνη για την εξερεύνηση του διαστήματος και τη διεξαγωγή μιας σειράς διαστημικών πειραμάτων.

Το πρόγραμμα έχει ως βασική αποστολή του την εξέλιξη της υπολογιστικής τεχνολογίας και τη μείωση της εξάρτησης από τη διαβίβαση δεδομένων προς τη Γη για επεξεργασία. Συγκεκριμένα, έχει σχεδιαστεί για την εκτέλεση μιας σειράς υπολογιστικών εφαρμογών υψηλής απόδοσης στο διάστημα, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας εικόνας σε πραγματικό χρόνο, της βαθιάς μάθησης και των επιστημονικών προσομοιώσεων, οι οποίες θα συμβάλουν στις εξελίξεις στην υγειονομική περίθαλψη, την επεξεργασία εικόνας, την αποκατάσταση από φυσικές καταστροφές, την τρισδιάστατη εκτύπωση, το 5G, την τεχνητή νοημοσύνη και άλλα. Χρησιμοποιώντας τοπική επεξεργασία υψηλής ταχύτητας ή δυνατότητες edge computing στον περιορισμένο χώρο του ISS, τα δεδομένα από διάφορες συσκευές edge, όπως δορυφόρους και κάμερες, καταγράφονται και υποβάλλονται σε επεξεργασία σε πραγματικό χρόνο.

Η KIOXIA και η HPE ενώνουν τις δυνάμεις τους για να στείλουν μονάδες SSD στο διάστημα

Η KIOXIA είναι ο επίσημος χορηγός μέσων αποθήκευσης SSD για το σύστημα SBC-2 της HPE και παρέχει τρεις οικογένειες προϊόντων KIOXIA SSD για την αποθήκευση δεδομένων (δείτε παρακάτω για λεπτομέρειες). Καμία από αυτές τις μονάδες SSD δεν έχει προσαρμοστεί ή αναπτυχθεί ειδικά για εφαρμογές διαστήματος. Επιπλέον υποβάλλονται σε δοκιμές για να διαπιστωθεί η απόδοσή τους στο διάστημα με την πάροδο του χρόνου μέσω καθημερινών διαγνωστικών ελέγχων.

Οι μονάδες SSD δεν διαθέτουν κινούμενα μέρη, γεγονός που τις καθιστά ανθεκτικές σε κραδασμούς για να αντέχουν στις ιδιαίτερες συνθήκες που επικρατούν στο διάστημα, όπως είναι οι δονήσεις κατά την εκτόξευση, η έλλειψη βαρύτητας και οι απρόσμενες διακοπές ρεύματος.

Aπεικόνιση των δυνατοτήτων των μονάδων SSD που έχουν επιλεγεί για το πρόγραμμα HPE SBC-2

Δυνατότητες των μονάδων SSD πουόν έχουν επιλεγεί για το πρόγραμμα HPE SBC-2 

Η KIOXIA διαθέτει για το πρόγραμμα SBC‑2 τέσσερις SSD Value SAS 960 gigabyte (GB) της σειράς KIOXIA RM, τέσσερις SSD Enterprise SAS 30,72 terabyte (TB) της σειράς KIOXIA PM και οκτώ SSD Client NVMe™ 1.024 GB της σειράς KIOXIA XG. Η συνολική χωρητικότητα αποθήκευσης δεδομένων είναι πάνω από 130 TB (1), που είναι η μέγιστη χωρητικότητα μέσων αποθήκευσης δεδομένων που έχει ταξιδέψει ποτέ προς τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό σε μία μόνο αποστολή.(2)  Η υψηλής χωρητικότητας και υψηλής ενεργειακής απόδοσης μονάδα SSD Enterprise SAS 30,72 TB παρέχει συνολική χωρητικότητα αποθήκευσης 130 TB στον ISS, όπου η παροχή ισχύος είναι περιορισμένη. Αυτό καθίσταται δυνατό χάρη στο μικρό μέγεθος, το λεπτό προφίλ και την υψηλή χωρητικότητα ανά μονάδα επιφάνειας των μονάδων SSD που έχουν σχεδιαστεί για εγκατάσταση στον περιορισμένο χώρο του συστήματος SBC‑2. Στο μέλλον, αναμένεται να χρησιμοποιηθεί ακόμα μεγαλύτερη χωρητικότητα αποθήκευσης στο διάστημα.

  1. Το 1 TB ισοδυναμεί με 32.000 κομμάτια μουσικής (υπολογισμένα ως 5 MB ανά 4 λεπτά μουσικών δεδομένων).
  2. 31 Ιανουαρίου 2024. Έρευνα της Kioxia Corporation.
Απεικόνιση της διαμόρφωσης ανανέωσης υλικού για το SBC‑2

Η διαμόρφωση υλικού για την ανανέωση του Spaceborne Computer‑2

Από τις 12 ώρες στα 2 δευτερόλεπτα χρόνου επεξεργασίας

Διιαμόρφωση του υλικού KIOXIA που χρησιμοποιείται στο SBC‑2 σύμφωνα με το παρακάτω σχήμα: Οι μονάδες KIOXIA SSD εγκαθίστανται στους διακομιστές HPE Edgeline EL4000 και HPE ProLiant DL360 Gen10 (από κοινού ονομαζόμενοι ως οι «διακομιστές SBC‑2») του σταθμού ISS.

Η μετάδοση 1,8 GB δεδομένων προς τη γη με συμπίεση στο 1/10 του αρχικού μεγέθους διαρκεί περίπου 12 ώρες. Κατά τη χρήση των διακομιστών SBC‑2, η εφαρμογή μεταφορτώνεται στον διακομιστή και εκτελείται σε έναν περιέκτη Docker, ο οποίος παρέχει αποτελέσματα μετά από 6 λεπτά υβριδικής επεξεργασίας δεδομένων CPU και GPU. Η διαδικασία της μετάδοσης δεδομένων που προηγουμένως χρειαζόταν περισσότερες από 12 ώρες, τώρα χρειάζεται περίπου 2 δευτερόλεπτα, δηλαδή το 1/20.000 του αρχικού χρόνου καθώς μιλάμε μόλις για 92 KB δεδομένων. Η επεξεργασία και η ανάλυση δεδομένων στο διάστημα μέσω του edge computing είναι πολύ ταχύτερη χωρίς την ανάγκη αποστολής των ανεπεξέργαστων δεδομένων στη γη.

Μόλις η ανάλυση των δεδομένων στο διάστημα γίνει κοινή πρακτική αντί να αποστέλλονται τα ανεπεξέργαστα δεδομένα στη γη για επεξεργασία, ο «χρόνος γνώσης» αναμένεται να μειωθεί από μήνες σε λεπτά. Η τεχνογνωσία που θα αποκτηθεί από το πρόγραμμα HPE SBC-2 θα οδηγήσει σε περαιτέρω βελτιώσεις στα προϊόντα SSD της KIOXIA. Υπάρχουν υψηλές προσδοκίες χάρη στις τεχνολογίες αποθήκευσης, όπως είναι οι μονάδες SSD, που επιτρέπουν υψηλότερη χωρητικότητα και ταχύτερη επεξεργασία για τις μελλοντικές διαστημικές αποστολές.

Παράδειγμα Edge computing στο διάστημα

Φτιάχνοντας αναμνήσεις από το Spaceborne Computer‑2 - Το όραμα για το μέλλον της αποθήκευσης.

Οι μονάδες SSD της KIOXIA απογειώθηκαν προς τον ISS με τον πύραυλο της αποστολής NG-20, συμβάλλοντας σε ένα ανανεωμένο σύστημα HPE SBC-2, που βασίζεται στους διακομιστές HPE Edgeline και ProLiant.

Η τεχνολογία μνήμης Flash και τα προϊόντα SSD συνεχίζουν να εξελίσσονται, καθιστώντας την υψηλή απόδοση και τη μεγάλη χωρητικότητα πιο άμεσα διαθέσιμες και διευρύνοντας ακόμη περισσότερο το φάσμα των εφαρμογών. Η KIOXIA εργάζεται επίσης πάνω σε ένα μοναδικό ερευνητικό πρόγραμμα που ονομάζεται «Memory-centric AIΘα ανοίξει νέο παράθυρο.». Αυτή η τεχνολογία αναπτύσσεται με σκοπό να συμβάλει στην ταχύτερη εκπαίδευση της τεχνητής νοημοσύνης που χρησιμοποιεί μεγάλους όγκους δεδομένων καθώς και στο να είναι αποτελεσματική στο πεδίο προσομοιώσεων ή HPC ώστε να αποκτά πληροφορίες από μεγάλους όγκους δεδομένων. Η τεχνολογία μνήμης flash και τα προϊόντα SSD είναι ζωτικής σημασίας σε μια εποχή που κυριαρχούν τα δεδομένα για την τεχνητή νοημοσύνη.

  • Ορισμός της χωρητικότητας: Η KIOXIA Corporation ορίζει το ένα megabyte (MB) ως 1.000.000 byte, το ένα gigabyte (GB) ως 1.000.000.000 byte και το ένα terabyte (TB) ως 1.000.000.000.000 byte. Το λειτουργικό σύστημα ενός υπολογιστή, ωστόσο, χρησιμοποιεί δυνάμεις του 2 για να δηλώσει χωρητικότητα αποθήκευσης, ορίζοντας έτσι 1 GB = 2^30 byte = 1.073.741.824 byte και 1TB = 2^40 byte = 1.099.511.627.776 byte και κατά συνέπεια εμφανίζει μικρότερη χωρητικότητα αποθήκευσης. Η διαθέσιμη χωρητικότητα αποθήκευσης (συμπεριλαμβανομένων παραδειγμάτων διαφόρων αρχείων πολυμέσων) θα ποικίλει ανάλογα με το μέγεθος των αρχείων, τη μορφοποίηση, τις ρυθμίσεις, το λογισμικό και το λειτουργικό σύστημα, και/ή τις προεγκατεστημένες εφαρμογές λογισμικού ή το περιεχόμενο πολυμέσων. Η πραγματική διαμορφωμένη χωρητικότητα μπορεί να διαφέρει.
  • Το NVMe είναι εμπορικό σήμα κατατεθέν ή μη της NVM Express, Inc. στις Ηνωμένες Πολιτείες και σε άλλες χώρες.
  • Τα HPE, ProLiant και Edgeline είναι σήματα κατατεθέντα της Hewlett Packard Enterprise ή/και των θυγατρικών της.
  • Η ονομασία Docker και το λογότυπο Docker είναι εμπορικά σήματα ή σήματα κατατεθέντα της Docker, Inc. στις Ηνωμένες Πολιτείες ή/και σε άλλες χώρες. Η Docker, Inc. και άλλα μέρη ενδέχεται επίσης να έχουν δικαιώματα εμπορικής χρήσης και επί άλλων όρων που χρησιμοποιούνται στο παρόν.
  • Η φωτογραφία του προϊόντος ενδέχεται να αντιστοιχεί σε σχεδιαστικό πρότυπο.
  • Άλλες εταιρικές επωνυμίες, ονόματα προϊόντων και ονόματα υπηρεσιών μπορεί να αποτελούν εμπορικά σήματα τρίτων εταιρειών.