1. Problem - Stromversorgung
Stellen Sie sich vor, Sie möchten ein Rechenzentrum im Weltraum errichten, weil es dort reichlich Sonnenenergie geben soll. Doch die Realität sieht völlig anders aus. Der Autor des Artikels, ein ehemaliger NASA-Ingenieur mit einem Doktortitel in Weltraumelektronik und zehn Jahren Erfahrung bei Google, darunter bei YouTube und in dem für die Bereitstellung von Kapazitäten für künstliche Intelligenz (KI) zuständigen Bereich von Cloud, erklärt, warum das Unsinn ist. Die für ein Rechenzentrum benötigte Elektronik, insbesondere Grafikprozessoren (GPU) und Tensor-Prozessoren (TPU) für KI, ist genau das Gegenteil dessen, was im Weltraum funktioniert.
Für die Stromversorgung gibt es nur zwei Möglichkeiten: Solar- oder Kernenergie. Solarmodule funktionieren ähnlich wie jene auf einem Hausdach in Irland, nur eben im Weltraum. Sie sind nicht wesentlich besser als auf der Erde, weil die Atmosphäre nicht so viel Energie blockiert, wie man vielleicht denkt. Das größte Solarfeld im Weltraum befindet sich auf der Internationalen Raumstation (ISS) und kann maximal etwas mehr als 200 Kilowatt (kW) erzeugen. Dieses Feld misst etwa 2500 Quadratmeter, was mehr als der Hälfte der Größe eines American-Football-Feldes entspricht, das ungefähr 5350 Quadratmeter groß ist. Die Installation eines solchen Systems erforderte mehrere Space-Shuttle-Flüge und sehr viel Arbeit.
Zum Vergleich betrachten wir den Grafikprozessor NVIDIA H200 – jeder Chip verbraucht etwa 0,7 kW, doch unter Berücksichtigung der Energieumwandlung und weiterer Verluste wird tatsächlich 1 kW pro Chip benötigt. Ein solch riesiges Feld wie das der ISS könnte also ungefähr 200 GPUs versorgen. Das klingt nach viel, aber das Rechenzentrum von OpenAI in Norwegen plant mit 100.000 GPUs, die wahrscheinlich jeweils noch mehr Energie benötigen. Um das zu erreichen, wären 500 Satelliten von der Größe der ISS erforderlich. Ein standardmäßiges Server-Rack auf der Erde fasst 72 GPUs, sodass jeder dieser riesigen Satelliten lediglich drei solcher Racks ersetzen würde.
Kernenergiequellen helfen ebenfalls nicht. Dabei handelt es sich nicht um Reaktoren, sondern um thermoelektrische Radioisotopengeneratoren (RTG), die lediglich 50 bis 150 Watt liefern. Das reicht nicht einmal für eine GPU, und außerdem müsste man Plutonium beschaffen und das Risiko eingehen, dass es sich bei einem Raketenstart in der Umgebung verteilt.
2. Problem - Temperaturregelung
Oft wird angenommen, dass es im Weltraum kalt ist und die Kühlung daher einfach sein müsse. Doch das ist ein Irrtum. Im Weltraum gibt es keine Luft, er ist ein nahezu perfektes Vakuum, sodass Konvektion – die Wärmeübertragung durch Luftströmung – nicht funktioniert. Auf der Erde kühlt man Elektronik mit Luft über Kühlkörper oder mit einer Flüssigkeit, die die Wärme an die Luft abgibt. Im Weltraum muss die Temperatur sorgfältig geregelt werden, weil sich Materialien erwärmen oder abkühlen, je nachdem, ob sie rotieren oder zur Sonne ausgerichtet sind. Die von der Sonne abgewandte Seite kann sich auf bis zu 4 Kelvin, also fast bis zum absoluten Nullpunkt, abkühlen, während sich die der Sonne zugewandte Seite auf Hunderte Grad Celsius aufheizen kann.
Der Autor entwickelte ein Kamerasystem für den Weltraum, das während der Aufnahme höchstens 1 Watt verbrauchte und anschließend abgeschaltet wurde, um Energie zu sparen und die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Die Wärme wurde lediglich über die Metallkonstruktion abgeführt. Für H200-Chips wäre das ein Albtraum. Eine flüssigkeitsgekühlte Version würde die Wärme zu einem Radiator transportieren, der sie in den Weltraum abstrahlt und idealerweise von der Sonne abgewandt ist.
Das aktive Temperaturregelungssystem (ATCS) auf der ISS verwendet einen Ammoniakkreislauf und Radiatoren mit Abmessungen von 13,6 x 3,12 Metern, also etwa 42,5 Quadratmetern. Es kann 16 kW abführen, was für 16 H200 und damit für ein Viertel eines Racks auf der Erde ausreicht. Für 200 kW wäre ein 12,5-mal größeres System mit etwa 531 Quadratmetern erforderlich – 2,6-mal größer als das Solarfeld. Der Satellit wäre riesig, größer als die ISS, und all das nur für drei Racks.
3. Problem - Strahlungsresistenz
Ein weiteres Problem ist die Strahlung. In einer niedrigen Erdumlaufbahn ist sie mit der Strahlung in großer Flughöhe vergleichbar, stärker als in einem Verkehrsflugzeug, aber noch erträglich. In einer mittleren Erdumlaufbahn, in der sich die GPS-Satelliten befinden, ist sie stärker, weil diese innerhalb der Van-Allen-Gürtel liegen. Weiter draußen herrschen Bedingungen wie im tiefen Weltraum.
Die Strahlung kommt von der Sonne und aus dem tiefen Weltraum – geladene Teilchen wie Elektronen oder Atomkerne, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sie können Chips direkt oder indirekt beschädigen, beispielsweise durch einzelne Störungen, bei denen ein Datenbit umkippt, oder durch einen Kurzschluss, der den Chip zerstören kann.
Bei Langzeitmissionen summiert sich die Gesamtdosis, wodurch Transistoren langsamer werden und mehr Energie verbrauchen. Die Chips müssen entsprechend angepasst werden, beispielsweise durch eine Verringerung der Taktfrequenz. Eine Abschirmung hilft nicht viel, weil sie einen Teilchenschauer erzeugen kann und Masse im Weltraum teuer ist.
GPU und TPU sind in Bezug auf Strahlung am schlechtesten aufgestellt – kleine Transistoren und eine große Chipfläche erhöhen das Risiko. Chips für den Weltraum besitzen größere Strukturen und eine Leistung, die mit 20 Jahre alten PowerPC-Prozessoren vergleichbar ist. Eine entsprechende Anpassung würde die Leistung auf einen Bruchteil reduzieren.
4. Problem - Kommunikation
Satelliten kommunizieren per Funk mit maximal 1 Gigabit pro Sekunde (Gbps). Laser befinden sich noch im Experimentalstadium und sind vom Wetter abhängig. Auf der Erde verfügen Racks über 100 Gbps, was einen gewaltigen Unterschied darstellt.
Es ist möglich, aber extrem schwierig, teuer und bietet im Vergleich zu Rechenzentren auf der Erde eine miserable Leistung. Der Weltraum ist eine raue Umgebung. Andererseits muss man irgendwo anfangen, wenn wir uns eines Tages in unserem Sonnensystem ausbreiten wollen.
