Studium przypadku: Przetwarzanie brzegowe
Od centrum danych do przestrzeni kosmicznej

Ostatnio w mediach na całym świecie często pojawiał się temat eksploracji kosmosu, w tym wystrzeliwania satelitów. Mimo że agencje rządowe były w przeszłości liderem w tej dziedzinie, obecnie przyciąga ona uwagę jako nowa branża rozwijająca się, a eksploracja przestrzeni kosmicznej przez firmy prywatne wzrasta.

Biznesowe przypadki użycia w kosmosie, takie jak obserwacja Ziemi za pomocą zdalnego wykrywania i analizy, wprowadzono w różnych miejscach. Obliczenia komputerowe na Ziemi są proste i łatwe, ale przetwarzanie danych w przestrzeni kosmicznej stwarza nowe wyzwania, ze względu na panujące tam, zupełnie inne warunki środowiskowe. W przestrzeni kosmicznej niedostępne są rozwiązania chmurowe, ponieważ nie istnieje technologia umożliwiająca zbudowanie szybkiej sieci między satelitami a chmurą, zarówno z technicznego, jak i kosztowego punktu widzenia, nie wspominając o dużej ilości mocy potrzebnej do zasilania serwerów i procesorów.

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) jako laboratorium kosmiczne orbitujące 408 km (254 mile) nad Ziemią może przesyłać dane na Ziemię w czasie rzeczywistym, ale może to długo potrwać, jeśli ilość danych jest duża. Ponadto na dłuższych dystansach spowodowałoby to dalsze opóźnienia w komunikacji, na przykład podczas podróży statku kosmicznego do Marsa. Dlatego konieczne jest analizowanie danych w przestrzeni kosmicznej i wysyłanie tylko wyników — a nie danych aż na Ziemię w celu analizy. W przeszłości dane z różnych czujników w kosmosie (temperatura, gaz, informacje topograficzne itp.) i obrazy o wysokiej rozdzielczości były wysyłane na Ziemię, a ich przesyłanie, analizowanie i ostatecznie generowanie wyników zajmowało ponad 10 godzin. Dzięki udoskonaleniom w zakresie pamięci masowej (nośników pamięci), w tym dużej pojemności, małych rozmiarów oraz większej wydajności odczytu i zapisu, możliwe jest przechowywanie danych i uruchamianie aplikacji w przestrzeni kosmicznej. Powoduje to uzyskanie wyników w kilka sekund lub minut, a ukończoną analizę można przesłać na Ziemię w znacznie krótszym czasie.

Można to nazwać najbardziej skrajnym przypadkiem wykorzystania „przetwarzania brzegowego”. W przypadku przetwarzania w chmurze wszystkie wymagane informacje są agregowane, a przetwarzanie danych odbywa się na wysokowydajnych serwerach, czyli wszystko dzieje się w chmurze. W przypadku przetwarzania brzegowego dane są przetwarzane i analizowane na serwerach znajdujących się w urządzeniach IoT i obszarach peryferyjnych na końcu sieci, a tylko wyniki są przesyłane do chmury. Może to zmniejszyć niepotrzebną komunikację, opóźnienia oraz obciążenie sieci. Przetwarzanie brzegowe odgrywa ważną rolę w obszarze badań i eksploracji przestrzeni kosmicznej.

KIOXIA uczestniczy w programie Spaceborne Computer-2 (SBC-2) z firmą Hewlett Packard Enterprise (HPE), stworzonym przy pomocy ogólnodostępnej technologii komercyjnej. SBC-2 wprowadza na stację kosmiczną ISS pierwsze komercyjne przetwarzanie brzegowe i system oparty na sztucznej inteligencji w celu eksploracji kosmosu i przeprowadzania różnych eksperymentów w przestrzeni kosmicznej.

Główna misja tego programu polega na znacznym rozwoju technologii komputerowych i zmniejszeniu zależności od przekazywania danych na Ziemię do przetwarzania. Program został stworzony do wykonywania szeregu wysokowydajnych procesów obliczeniowych w przestrzeni kosmicznej, w tym przetwarzania obrazu w czasie rzeczywistym, uczenia głębokiego i symulacji naukowych, które przyczynią się do postępów w dziedzinach, takich jak opieka zdrowotna, przetwarzanie obrazu, przywracanie gotowości po klęskach żywiołowych, druk 3D, 5G i AI. Dzięki wykorzystaniu lokalnego przetwarzania szybkiego lub funkcji przetwarzania brzegowego w ograniczonej przestrzeni stacji ISS dane pochodzące z różnych urządzeń brzegowych, takich jak satelity i kamery, są rejestrowane i przetwarzane w czasie rzeczywistym.

Firma KIOXIA jest oficjalnym sponsorem pamięci masowej SSD dla tego systemu HPE SBC-2 i dostarcza trzy rodziny produktów SSD KIOXIA do przechowywania danych (szczegóły poniżej). Żaden z tych dysków SSD nie został dostosowany ani opracowany pod kątem zastosowań w przestrzeni kosmicznej. Jest to również okazja do testów w celu sprawdzenia, jak dyski radzą sobie w przestrzeni kosmicznej wraz z upływem czasu, poprzez codzienne diagnostyczne kontrole ich stanu.

Dyski SSD nie mają ruchomych części, co zapewnia odporność na wstrząsy i trudne warunki w przestrzeni, takie jak wibracje podczas wystrzelenia, nieważkość i nieoczekiwane przerwy w zasilaniu.

Firma KIOXIA dostarcza cztery dyski SSD KIOXIA RM Series Value SAS o pojemności 960 gigabajtów (GB), cztery dyski SSD KIOXIA PM Series Enterprise SAS o pojemności 30,72 terabajta (TB) i osiem dysków SSD KIOXIA XG Series Client NVMe™ o pojemności 1024 GB w urządzeniu SBC-2. Całkowita pojemność pamięci masowej wynosi ponad 130 TB⁽¹⁾, co jest największą pojemnością, jaka kiedykolwiek została przetransportowana na Międzynarodową Stację Kosmiczną w ramach jednej misji.⁽²⁾  Wydajny dysk Enterprise SAS SSD o pojemności 30,72 TB zapewnia 130 TB miejsca na stacji ISS, gdzie zasilanie jest ograniczone. Jest to możliwe dzięki niewielkim rozmiarom, cienkiemu profilowi i dużej pojemności na powierzchnię jednostki dysków SSD przeznaczonych do instalacji w ograniczonej przestrzeni obudowy komputera SBC-2. Oczekuje się, że w przyszłości w kosmosie będzie wykorzystywana pamięć masowa o większej pojemności.

Konfigurację sprzętową KIOXIA używaną w komputerze SBC-2 przedstawiono poniżej — dyski SSD KIOXIA są instalowane na serwerach HPE Edgeline EL4000 i HPE ProLiant DL360 Gen10 (łącznie zwanych „serwerem SBC-2”) na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Transmisja danych na ziemię ze skompresowanymi do 1/10 pierwotnego rozmiaru danymi o wielkości 1,8 GB zajmuje około 12 godzin. Przy użyciu serwera SBC-2 aplikacja jest przesyłana na serwer SBC-2 i uruchamiana w kontenerze Docker, co zapewnia wyniki w ciągu 6 minut przetwarzania danych przez hybrydowy układ procesorów i kart graficznych. Transmisja danych, która wcześniej trwała ponad 12 godzin, teraz zajmuje tylko około 2 sekund, co stanowi 1/20 000 z pierwotnego czasu 12 godzin i wymaga wysłania zaledwie 92 KB danych. Znacznie szybsze jest obliczanie i analizowanie danych za pomocą przetwarzania brzegowego w przestrzeni kosmicznej bez wysyłania nieprzetworzonych surowych danych na Ziemię.

Oczekuje się, że gdy analizowanie danych w przestrzeni kosmicznej stanie się powszechną praktyką zamiast wysyłania surowych danych na ziemię w celu ich przetwarzania, skróci to „czas do uzyskania wiedzy” z miesięcy do minut. Wiedza zdobywana dzięki projektowi HPE SBC-2 doprowadzi do nowych postępów w produktach SSD KIOXIA. Ogromne oczekiwania stoją przed technologiami pamięci masowej, w tym produktami SSD, które umożliwiają zwiększenie pojemności i szybsze przetwarzanie w przypadku potencjalnych przyszłych wypraw kosmicznych.

Dyski SSD KIOXIA wzięły udział w starcie rakiety misji NG-20 na Międzynarodową Stację Kosmiczną, dostarczając zaktualizowany system HPE SBC-2 oparty na serwerach HPE Edgeline i ProLiant.

Technologia pamięci flash i produkty SSD wciąż ewoluują, dzięki czemu wysoka wydajność i duża pojemność są łatwiej dostępne i jeszcze bardziej rozszerzają zakres ich zastosowań. KIOXIA pracuje również nad unikalnym projektem badawczym o nazwie „Memory-centric AI” (sztuczna inteligencja skupiona na pamięci). Technologia ta jest opracowywana, aby przyczynić się do szybszego uczenia sztucznej inteligencji, która wykorzystuje duże ilości danych, a także jest skuteczna w dziedzinie symulacji / wysokowydajnych obliczeń w celu uzyskania wniosków z dużych ilości danych. Technologia pamięci flash i dyski SSD są niezbędne w dobie „danych x AI” i „danych przede wszystkim”.