Google představil ambiciózní projekt nazvaný Suncatcher, který zkoumá možnosti vybavení konstelací satelitů poháněných sluneční energií procesory TPU (jednotky pro zpracování tensorů) a optickými spoji volného prostoru. Tento přístup by mohl jednoho dne umožnit škálování výpočtů strojového učení přímo v kosmu. Satelity by využívaly sluneční energii, která je v správné oběžné dráze až osmkrát produktivnější než na Zemi. To by minimalizovalo potřebu těžkých baterií a zajistilo téměř nepřetržitou výrobu energie.
Slunce vydává více energie, než je sto bilionkrát celková produkce elektřiny lidstva. V konstelaci satelitů by solární panely fungovaly v oběžné dráze typu slunečně synchronní nízké oběžné dráhy Země, kde je expozice slunečnímu svitu téměř konstantní. Tento design snižuje závislost na pozemských zdrojích a omezuje vliv na životní prostředí. Výzkum se zaměřuje na modulární konstrukci menších, propojených satelitů, což by umožňilo snadné rozšiřování systému.
Výzvy v komunikaci mezi satelity
Pro velké úlohy strojového učení je nutné rozdělit práci mezi mnoho akcelerátorů s vysokorychlostními a nízkolatenčními spoji. Systém vyžaduje spoje mezi satelity s kapacitou desítek terabitů za sekundu, což by odpovídalo výkonu pozemských datových center. Analýza naznačuje, že to lze dosáhnout pomocí vícekanálových transceiverů s hustým multiplexováním vlnových délek (DWDM) a prostorovým multiplexováním.
Přijímaná síla signálu musí být tisíckrát vyšší než u běžných dlouhých spojů, což se řeší létáním satelitů v těsné formaci na vzdálenost řádově v kilometrech a méně. Tým již otestoval bench-scale demonstrátor, který dosáhl přenosu 800 Gbps v každém směru, tedy celkem 1,6 Tbps, pomocí jediného páru transceiverů. Tento přístup uzavírá rozpočet spoje, což je účtování ztrát signálu v komunikačním systému od konce ke konci.
Řízení těsných formací satelitů
Satelity musí létat v mnohem kompaktnější formaci než současné systémy, aby zajistily vysokorychlostní spoje. Tým vyvinul numerické a analytické fyzikální modely pro analýzu orbitálních dynamik. Použili aproximaci z Hill-Clohessy-Wiltshire rovnic, které popisují pohyb satelitu relativně ke kruhové referenční oběžné dráze v keplerovské aproximaci, a JAX-based diferencovatelný model pro numerické upřesnění s ohledem na další poruchy.
Na plánované výšce konstelace, kolem 650 km, jsou dominantními vlivy nesférický tvar gravitačního pole Země a případně atmosférický tah. Modely ilustrují trajektorie pro 81-satelitovou konfiguraci v orbitální rovině s poloměrem klastru 1 km, kde vzdálenost mezi nejbližšími sousedy osciluje mezi přibližně 100 a 200 metry pod vlivem zemské gravitace.
Se satelity vzdálenými jen stovky metrů budou pravděpodobně stačit jen mírné manévry pro udržení stability v požadované výšce oběžné dráhy. Evoluce volného pádu konstelace bez tahu, modelovaná s detaily pro potřebnou výšku oběžné dráhy, zahrnuje neotočivý souřadnicový systém relativně k centrálnímu referenčnímu satelitu S0.
Odolnost TPU vůči radiaci
Akcelerátory strojového učení musí vydržet prostředí nízké oběžné dráhy Země. Tým testoval Trillium, Google’s v6e Cloud TPU, v protonovém paprsku 67 MeV, aby zkoumal vliv celkové ionizující dávky (TID) a jednotlivých událostí (SEE).
Výsledky jsou slibné. Subsystémy s vysokorychlostní pamětí (HBM) byly nejcitlivější, ale nepravidelnosti se objevily až po kumulativní dávce 2 krad(Si), což je téměř třikrát více než očekávaná dávka 750 rad(Si) za pět let mise s ochranou. Žádné tvrdé selhání nebylo připsáno TID až do maximální testované dávky 15 krad(Si) na jediném čipu, což naznačuje, že Trillium TPU jsou překvapivě odolné pro kosmické aplikace. Testy na radiaci jsou klíčové pro hardware v kosmu, a Google’s Trillium prokázal lepší odolnost než očekáváno.
Náklady na start
Vysoké náklady na starty byly historicky hlavní překážkou pro velké kosmické systémy. Analýza historických a projektovaných cen startů naznačuje, že při udržení tempa učení by ceny mohly klesnout pod 200 dolarů za kg do poloviny 30. let. Na této úrovni by náklady na start a provoz kosmického datového centra mohly být srovnatelné s hlášenými energetickými náklady ekvivalentního pozemského datového centra na bázi kilowatt za rok.
Tento výpočet zahrnuje veřejně hlášené energetické náklady pro průmysl datových center. Další informace z internetu ukazují, že klesající ceny startů, díky firmám jako SpaceX, dělají takové projekty realističtějšími, a Google plánuje partnerství s Planet pro start dvou prototypových satelitů na začátku roku 2027.
Další směry vývoje
Počáteční analýza potvrzuje, že základní koncepty kosmických výpočtů strojového učení nejsou vyloučeny fyzikálními zákony nebo nepřekonatelnými ekonomickými bariérami. Zbývají významné inženýrské výzvy, jako je řízení tepla, vysokorychlostní komunikace se Zemí a spolehlivost systémů na oběžné dráze.
Dalším milníkem je učební mise v partnerství s Planet, s plánovaným startem dvou prototypových satelitů na začátku roku 2027. Tento experiment otestuje modely a hardware TPU v kosmu a ověří optické spoje mezi satelity pro distribuované úlohy strojového učení.
Nakonec by gigawattové konstelace mohly využívat radikálnější design satelitů, který kombinuje nové architektury výpočtů přizpůsobené kosmickému prostředí s mechanickou konstrukcí, kde je sběr sluneční energie, výpočty a řízení tepla těsně integrováno. Tento přístup by posunul hranice toho, co je v kosmu možné, podobně jako vývoj komplexních systémů na čipu byl motivován moderními smartphony.
Zdroj: research.google/blog
