Облака в космосе

Наверное, одной из самых экзотических является тема создания облачных платформ в космосе, вернее, по-крупному ее можно разделить на два основных направления:

создание космических центров хранения и обработки данных (ЦОД);
создание космических сетей и услуг для облачных платформ на Земле.

Естественно, ничто не мешает их взаимной интеграции, и, безусловно, такое взаимодействие вместе с соответствующими сервисами сложится по мере реализации различных проектов в этой сфере, но их особенности удобнее рассматривать по отдельности, как и сами проекты.
Нужно сказать, что если второе направление реализуется преимущественно на базе уже существующих спутников, линий связи, технологических решений и предоставляющих их компаний, а значит, и риски в этих проектах должны быть умеренными, то первое требует создания принципиально новых космических аппаратов и сетей связи и выполняется оно компаниями-стартапами, со всеми вытекающими из этого последствиями.
Первый вопрос, который чаще всего возникает, – в чем смысл использования космоса как среды для облачных платформ? Неужели на Земле не хватает места и ресурсов для ЦОД или космические линии связи лучше наземных?
Вопрос имеет под собой все основания, тем более что практически все проекты в этих направлениях находятся в стадии разработки и апробирования, и точно сказать об их конечной результативности можно будет только в будущем. Но уж больно серьезные игроки рынка взялись за эту тему, чего только стоят имена таких гигантов облачных вычислений, как Amazon, Microsoft и Google. Но не так все просто.
Действительно, космическая среда вовсе не подарок и сулит как опытным игрокам, так и стартаперам много сюрпризов. Энтузиасты облачных космических проектов говорят о том, что в космосе пока нет арендной платы за размещение объектов, электричество можно получать от солнца чуть ли не даром, до самих объектов сложно добраться и нельзя физически похитить данные, а скорости каналов связи, особенно в оптическом диапазоне, будут поистине космическими! Масса плюсов! Космос – это технологично, дешево, надежно, перспективно! Но, увы, в космосе достаточно «дёгтя», способного испортить не одну бочку «облачного меда».
Во-первых, орбиты, на которых планируется размещать космические ЦОД и на которых уже летают спутники, обеспечивающие передачу данных высокоскоростного Интернета, к сожалению, зарастают космическим мусором. И если физически похитить данные прямо в космосе действительно сложно, то физически повредить космический ЦОД или спутник связи вполне можно. С ростом количества мусора медленно, но неуклонно растет и вероятность повреждений. Те, кто разрабатывает эти системы, знают об этом, и для увеличения надежности включают в проекты дополнительные резервные ЦОД и спутники, а это удорожает стоимость системы в целом. Причем касается это как геостационарной, так и средних и низких орбит. К тому же, чтобы данные из космического хранилища попали к потребителю на Земле, они должны пройти по защищенным каналам спутниковой связи, их нужно принять и обработать в специализированном наземном центре, а затем передать по наземным каналам до устройства клиента. Вся эта наземная инфраструктура тоже должна быть надежно защищена от повреждения и нарушения целостности данных.
Во-вторых, для обеспечения каналов передачи данных, действительно сопоставимых по характеристикам с высокоскоростными наземными, спутники должны размещаться как можно ближе к потребителю, проще говоря, к Земле, а это низкие орбиты от 1000 км и ниже, иначе задержки в получении сигнала из облака испортят всю радость от его безопасного размещения. К сожалению, объекты на этих орбитах живут около 3-5 лет, а это значит, что, к примеру, ЦОД вам придется обновлять на орбите каждые 3-5 лет! Тогда как на земле он стоит десятилетиями, да еще и модернизируется. Не говоря уж о том, сколько стоит запуск каждого килограмма на орбиту. Экономика получается совсем другая.
В-третьих, если получение энергии от Солнца через солнечные батареи — вопрос давно отработанный (хотя цена этих батарей, срок их службы, экологичность их производства — это отдельная тема), то вот рассеять тепло, образующееся в процессе работы ЦОД или другого космического «железа», это большая проблема. Космос не океан, толща которого может забрать на себя огромное количество тепла (хотя и по этому поводу я предвижу громкие крики экологов и климатологов: «Долой!»), в космосе энергию можно «отдать» только через тепловое (инфракрасное) излучение. Попросту говоря, большой ЦОД в космосе должен иметь огромные радиаторы, и они не могут находиться «друг за другом», а должны располагаться по поверхности, чтобы не отдавать тепло друг другу, что делает такой ЦОД похожим на огромное тело, практически пустое внутри или же заполненное элементами с эффективным теплоносителем, отводящим тепло от центральных частей наружу. Запустить и собрать такую конструкцию в космосе — отдельная инженерная задача. Собственно, поэтому в действующих проектах речь идет не о полноценных крупных ЦОД, а о системах микро- или мини-ЦОД с распределенными в них мощностями. Многие, наверное, помнят, сколько было шума из-за яркого свечения групп спутников системы StarLink, мешающего астрономическим наблюдениям, представьте теперь себе на соседних с ними орбитах объекты в сотни раз большего размера!
Существуют в космосе и такие неприятные вещи, как вспышки на Солнце и радиация, выводящие аппаратуру спутников из строя. Список отрицательных сторон можно продолжать и дальше.
Проще говоря, реализация проектов космических облачных платформ осуществима с учетом существенного количества самых разных ограничений, каждое из которых создает свои группы рисков.
Начнем с серьезных игроков облачного рынка. Что же привлекло в космосе Amazon, Microsoft и Google?
На самом деле они не ищут рисков и экзотики, а действуют вполне прагматично. Глобальные задачи, которые они преследуют, — это удовлетворить растущие потребности своих действующих клиентов, привлечь к своим облачным сервисам новых клиентов, занять свободные ниши рынка и обеспечить свою конкурентоспособность.

Рис. 1. Схема организации доступа терминала клиента к облачной платформе и предоставляемым ею услугам через спутники.

К примеру, Amazon в настоящее время продолжает реализовывать проект AWS Ground Station, в рамках которого создал и развивает собственную наземную сеть спутниковой связи, с ее помощью обеспечивая своим клиентам доступ к облачной платформе Amazon Web Services (AWS). Это, прежде всего, те потребители, для которых доступ к AWS по наземным сетям связи ограничен или невозможен в силу недостаточности или отсутствия соответствующей наземной инфраструктуры, а также широкий спектр потребителей, которые заинтересованы в максимально быстром внедрении облачных технологий как в свои собственные технологические процессы, так и в пакеты предоставляемых ими сервисов для клиентов. Однако создавая свою сеть наземных спутниковых станций, Amazon вступает в конкуренцию с другими операторами спутниковых услуг, и эти вложения носят довольно рисковый характер, так как на данном рынке активно работает внушительное число специализированных предприятий. Помимо этого, Amazon приступил к реализации проекта Project Kuiper – создания своей низкоорбитальной спутниковой сети высокоскоростного доступа в Интернет из 3236 аппаратов, по сути, будущего конкурента сети Starlink Илона Маска. Таким образом, Amazon идет по пути создания собственной полносвязной спутниковой инфраструктуры, пытаясь расширить спектр уже оказываемых услуг, а также открыть для себя новый сектор услуг спутникового широкополосного доступа в Интернет и услуг Интернета вещей (IoT).

Рис. 2. Наземная станция проекта AWS Ground Station, обеспечивающая взаимодействие клиентов со спутниками и облачной платформой.

Компания Microsoft реализует проект вычислительной платформы, предназначенной для обработки и хранения данных, получаемых от спутников Земли – Azure Orbital. По сути, это расширение облачной платформы Microsoft Azure, запущенной в 2010 году (до 2014 года она носила название Windows Azure), которое предоставляет потребителям возможности наземной спутниковой станции «в формате услуги» (Ground Station As-a-Service, GSaaS). Этот сервис позволяет потребителям обмениваться данными с космическими аппаратами или группировками спутников, а затем обрабатывать эту информацию с использованием облачных хранилищ и вычислительных комплексов. Через платформу клиенты получают доступ к данным спутников различного предназначения, включая спутники связи, наблюдения и дистанционного зондирования Земли.

Рис. 3. Инфографика проекта Microsoft Azure Orbital.

Нужно сказать, что для реализации проекта Microsoft, в отличие от Amazon, построившего свою наземную инфраструктуру, использует наземные спутниковые станции партнеров – операторов спутниковых систем, таких как Viasat, SES, KSAT и др., владеющих крупными группировками спутников и сетями наземных спутниковых станций, тем самым не вступая с ними в конкуренцию, а напротив, стремясь сделать их своими клиентами и сформировать для них новый сектор специализированных вычислительных услуг. В числе последних к проекту также присоединилась корпорация Space-X, владеющая многоспутниковой системой низкоорбитальных спутников распространения высокоскоростных потоков Интернета Starlink, которая объявила, что видит свою миссию в том, чтобы инновационные решения устраняли барьеры на пути доступа общественных и частных компаний в космическое пространство. Эти амбициозные планы предполагают, что платформа Azure Space должна сделать совместимость и вычисления в космосе более достижимыми для таких отраслей, как сельское хозяйство, энергетика, телекоммуникации и управление, тем самым еще больше внедряя услуги облачных платформ в мировую экономическую систему. Спутниковый оператор SES объявил, что Microsoft станет первым облачным провайдером работающей на средней околоземной орбите группировки O3b mPOWER. В рамках глобальной инициативы Azure Space компания Microsoft вместе со SpaceX, спутниковым оператором SES, компаниями KSAT, Viasat и US EIectrodynamics разрабатывает решения, связывающие космические и наземные объекты, в том числе дата-центры. Использование облака MS Azure позволяет хранить и анализировать огромные объемы данных для контроля орбит коммерческих спутников и наблюдения за космическим мусором.
В отличие от Amazon и Microsoft, Google не инвестирует средства в спутниковые системы, а прагматично развивает свою Google Cloud Platform с прицелом на обработку спутниковых данных и различных геосервисов в кооперации с облачными услугами. К примеру, тот же SpaceX активно использует Google Cloud для обработки данных с низкоорбитальных спутников Stаrlink. Как и конкуренты, Google стремится расширить спектр своих услуг за счет различной информации и данных, получаемых из космоса, но с минимальными для себя рисками.
А что же делают стартаперы, занимающиеся развитием первого направления, о котором мы говорили в начале статьи? Что представляют из себя их спутники и ЦОД?
В традиционных спутниках программное обеспечение (ПО) создавалось для специализированного серверного оборудования космических объектов, так называемых бортовых машин. Использование стандартного серверного оборудования позволяет применять обычное коммерческое ПО, в том числе средства виртуализации и облачные платформы, и перейти к программно определяемым гиперконвергентным системам, дающим возможность разным компаниям совместно использовать орбитальные вычислительные ресурсы и программно перепрофилировать спутники для своих задач. В частности, они могут создавать периферийные edge-облачка для совместной эксплуатации спутника несколькими пользователями, например, для обработки данных спутниковой съемки или мониторинга распределенных датчиков для приложений Интернета вещей.

Появились стартапы, занимающиеся созданием спутниковых микро-ЦОД. В 2019 году калифорнийская компания Vector анонсировала планы запуска программно определяемого спутника GSky-1. Цель проекта, выполняемого совместно с Университетом Южной Калифорнии (USC), – развертывание на микроспутниках облачной платформы Galactic Sky и предоставление космических вычислительных мощностей пользователям по сервисной модели. Легкая ракета-носитель Vector должна была вывести на орбиту созвездие соединенных между собой каналами связи микроспутников, представлявших собою помещенные в прочные контейнеры микро-ЦОД (до 16 виртуальных машин в каждом). Такой микроспутник-контейнер может кувыркаться, терять связь с Землей, ломаться, но работоспособность одного контейнерного ЦОД не скажется на работе системы в целом. На основе кластера микроспутников с одинаковыми орбитами предполагалось развернуть облачную платформу Galactic Sky.

Запланированный на конец 2019 года запуск не состоялся. Но усилия не пропали даром – Lockheed Martin приобрела обанкротившуюся компанию Vector, продолжила сотрудничество с USC и в январе 2022 года все же запустила Gsky-1, правда, под названием Dodona. Компания позиционирует его как первый спутник, использующий программно определяемую спутниковую архитектуру SmartSat. Система работает на платформе NVIDIA Jetson и включает решение для создания приложений искусственного интеллекта NVIDIA JetPack. Системы искусственного интеллекта задействуются для обработки изображений и цифровых сигналов.

В мае 2021 года стартап из Сан-Франциско Loft Orbital в рамках программы инновационных исследований для малого бизнеса получил контракт с Космическими силами США для разработки edge-компьютера, который способен анализировать данные в космосе. Loft Orbital предлагает заказчикам размещать полезную нагрузку на борту своих спутников и управлять ею через веб-портал Cockpit, а также планирует самостоятельно разрабатывать космические сервисы, которые будут предоставляться со спутника по модели SaaS.

Базирующаяся во Флориде компания OrbitsEdge предлагает использовать на орбите модель colocation, монтируя серверы в стандартную 19-дюймовую серверную стойку с объемом для оборудования 5U и подключая их к защищенной от неблагоприятного воздействия космоса запатентованной компанией шине OrbitsEdge SatFrame Constellation. По сути, стандартные серверы будут размещаться в космическом микро-ЦОД.

Рис. 4. Состав подсистем микро-ЦОД.

Разработчики дата-центров смотрят дальше земных орбит и уже планируют разместить их на других космических объектах. Для начала – на Луне. Принимавшая участие в работах на МКС американская компания Lonestar Data Holdings в апреле 2022 года объявила о создании серии ЦОД на лунной поверхности. Компания заключила контракт на два первых полета на Луну и сборку на ней первого дата-центра. Lonestar занимается разработкой сервера, а за проект спускаемого аппарата Nova-C и его посадку отвечает компания Intuitive Machines.

Пилотный «лунный ЦОД» предполагается доставить на поверхность нашего спутника до конца 2024 года и разместить вблизи холмов Мариус в океане Процелларум в вырытой роботами шахте. Активного обмена данными с Землей на первом этапе не планируется – микро-ЦОД, скорее, будет играть роль резервного бэкапа с самой важной и неизменяемой информацией планеты.

Это только ряд примеров различных проектов, нацеленных на использование космоса как среды для развития будущих облачных платформ. Все проекты описать в одной статье невозможно, но надеюсь, мне удалось показать основные направления, проблемы и диапазон задач «космических облаков».

Литература:

[1] https://22century.ru/space/91486?ysclid=lnkfvtg88w970219808
[2] https://3dnews.ru/1081700/amazon-poluchila-razreshenie-regulyatora-na-zapusk-internetsputnikov-project-kuiper
[3] https://www.iksmedia.ru/articles/5924215-.html?ysclid=lnkfwlesnj190707276
[4] https://servernews.ru/1084837?ysclid=lnkfs8yr18752427237
[5] https://tass.ru/kosmos/9777767?ysclid=lnkfv143q361626357
[6] https://habr.com/ru/companies/1cloud/articles/439624/

Об авторе:

Владимир Леонидович Глебский, директор отдела развития региональных проектов Международной организации космической связи «Интерспутник».