Kosmiskie datu centri: enerģija bez maksas, ūdens nav vajadzīgs

Strauji augošais skaitļošanas apjoms — galvenokārt ģeneratīvā mākslīgā intelekta (MI) mērogā — liek meklēt jaunus risinājumus datu centru (DC) organizēšanā. Rekordlieli klasteri, kas glabās un apstrādās iepriekš neiedomājami lielus datu apjomus, jau tiek būvēti uz Zemes.

Taču pastāv arī īpašs tendenču vilnis: šādu kompleksu izvietošana planētas orbītā. Izpētām, kāpēc tas nepieciešams un ar kādām problēmām saskaras tehnoloģiju uzņēmumi jaunajā sektorā.

Pēc «Structure Research» analītiķu aprēķiniem, 2024. gadā datu centru īpatsvars globālajā enerģijas patēriņā pārsniedza 1,1 % — 310,6 TWh. Tas jau ir vairāk nekā atsevišķām valstīm, un nākamo piecu gadu laikā šis rādītājs var pārsniegt 1000 TWh un sasniegt līdz 3 % no globālā apjoma. Vidējie rādītāji: valstīs — MI attīstības līderēs, ASV un Ķīnā — akumulējas 69 % no kopējās datu centru patērētās enerģijas, tādēļ tur enerģijas izmaksas būs krietni augstākas nekā citur.

Neskatoties uz pieaugošo pieprasījumu pēc datortehnoloģijām (un līdz ar to arī skaitļošanas), šai medaļai ir arī otra puse. Pirmkārt, ietekme uz vidi.

Analītiķu prognozes liecina, ka CO2 emisijas ASV līdz 2030. gadam var pārsniegt 80 milj. t, kas ir aptuveni ekvivalents 10 milj. iekšdedzes automašīnu izmešiem. Tāpat pieaug ūdens izmaksas, ko izmanto aprīkojuma dzesēšanai. Mediju aprēķini rāda, ka šobrīd datu centri patērē 560 miljardus litru gadā, un līdz 2030. gadam nepieciešams vismaz divkāršot šo apjomu.

Vēl viens aspekts, kas netieši saistīts ar vides jautājumiem, — atkritumu apjoms. IT korporācijas ik gadu prezentē jaunu “dzelzi”, un MI kompānijas, protams, vēlas izmantot modernāko aprīkojumu, jo tas sniedz konkurences priekšrocības. Rezultātā pieaug novecojušu grafisko paātrinātāju, serveru u. c. ierīču utilizācija.

Tātad nav pārsteigums, ka radusies ideja pārnest daļu datu apstrādes ārpus Zemes atmosfēras.

Šādas koncepcijas dzīvotspēju apliecināja, starp citu, Nanjangas tehnoloģiju universitātes (NTU) zinātnieki Singapūrā 2025. gada rudenī, taču projektu izstrāde sākās vēl agrāk.

Piesardzīgi orbītā bāzētas skaitļošanas tehnoloģijas testi notiek jau vairākus gadus. Starp tiem izceļama «Axiom Space» — ASV kosmosa korporācija, kas kopš 2022. gada attīsta projektu ODC (Orbital Data Center, orbītā izvietots datu centrs). Tas paredzēts kā daļa no nākotnes orbitālās stacijas; pagaidām metode tiek testēta Starptautiskajā kosmosa stacijā (SKS) lielu datu apjomu apmaiņai ar Zemi.

Amerikāņu startaps «Starcloud» novembrī orbītā nosūtīja savu pirmo satelītu ar «Nvidia» H100 grafisko paātrinātāju (GPU). Tas liecina par mērķi tieši MI segmentā: šādi čipi tiek izmantoti tieši neironu tīklu darbībai. Startapa mērķis ir veidot orbītā MI datu centru tīklu. Nākamais starts plānots 2026. gadā.

Ķīna, kā ierasts, izvēlējās pieiet jautājumam plašā mērogā. Maijā kompānija «Chengdu Guoxing Aerospace Technology», pazīstama arī kā «Adaspace», palaida uzreiz 12 satelītus, uz katra no kuriem var izvietot MI modeli ar 8 miljardiem parametru. Tas no industrijas skatu punkta nav īpaši daudz, tomēr galvenais efekts ir citur: grupējuma kopējais sastāvs perspektīvā var sasniegt 2800 ierīču, savienotas vienotā tīklā. Kad un kādos patiesos apjomos projekts tiks īstenots, pagaidām nav skaidrs. Plānots, ka pirmie reālie, nevis testa, aprēķini iespējami 2027. gadā, bet mērķa jaudu paredzēts sasniegt līdz 2030. gadam. Norādīts, ka satelīti galvenokārt strādās ar astronomiskajiem datiem: apstrādās informāciju par kosmosu, analizēs Zemes attēlus utt.

Protams, pats aprīkojuma serviss un izvietošana kosmosā ir tehniski izdarāma. Jautājums ir — par kādu cenu: lētākā 1 kg kravas nogādāšana zemā Zemes orbītā šobrīd maksā aptuveni 1500 USD. Pēc dažādiem aprēķiniem šo projektu ekonomika ilgtermiņā var sākt darboties, ja palaides izmaksas samazināsies līdz aptuveni 100 USD par kilogramu vai mazāk. Tāds rādītājs pagaidām tiek prognozēts attīstāmajai «SpaceX» «Starship» sistēmai.

Vai korporācijai izdosies sasniegt šo cenu, grūti pateikt. Tomēr, ņemot vērā tās vadītāja Īlona Maska ambīcijas — viņš paralēli attīsta arī MI uzņēmumu xAI un tādējādi ir ieinteresēts skaitļošanas jaudu palielināšanā — viss ir iespējams. Turklāt Maskam jau ir reāla pieredze kosmisko sistēmu izvietošanā: internets, kas darbojas, pateicoties tūkstošiem «Starlink» satelītu, ir arī viņa projekts.

Protams, kosmiskās skaitļošanas ekonomiku ietekmēs ne tikai palaides izmaksas. Gan radiācijas problēmu, gan dzesēšanas jautājumus kosmosā nevar novērtēt par zemu. Aprīkojums, kas nav aizsargāts ar Zemes atmosfēru, ir pakļauts Saules starojumam, un parasti izmantotie čipi — piemēram, «Nvidia» H100, ko orbītā nosūtīja «Starcloud» — ļoti ātri kļūs nelietojami, ja tos neaizsargās.

Augstas enerģija daļiņas no Saules un galaktiskie kosmiskie stari, kas atnāk no supernovām, spēj bojāt elektroniku un izraisīt kļūmes. «Mēs «Skoltech» pētām, kā modelēt un prognozēt kosmisko laiku, lai minimizētu šos riskus. Orbītā izvietotiem datu centriem jāprot „slēpties” no saules vētrām tāpat kā mūsdienu satelītiem, tikai daudz lielākā mērogā,» norāda Podladčikova.

Citiem vārdiem, ir divas iespējas: vai nu uzreiz izstrādāt radiācijizturīgu elektroniku (kā tas tiek darīts daudzos satelītos; šāds aprīkojums parasti maksā 1–2 reizes vairāk nekā parastais), vai radīt speciālas antiradiācijas aizsargierīces (kā uz SKS).

Ar dzesēšanu ir arī sarežģījumi. Uz Zemes tas ir salīdzinoši vienkārši: sakarsusī elektronika tiek dzesēta, saskaroties ar ūdeni vai pat gaisu. Kosmosā nav ne tā, ne tā — faktiski nav nekā, kas varētu aizvadīt siltumu. Tāpēc inženieri izstrādā īpašus radiatorus, kas izkliedēs siltuma enerģiju vakuumā. Piemēram, «Starcloud» projektē kilometru garus radiatorus saviem nākotnes datu centriem, kurus arī nāksies nogādāt orbītā.

Viena no galvenajām orbītā izvietoto DC efektivitātes sastāvdaļām, protams, būs kvalitatīva komunikācija. Labākais pašreizējo tehnoloģiju demonstrētājs ir «Starlink» sistēma — tūkstošiem tās satelītu nodrošina ātru internetu dažādos Zemes reģionos. Tas ir iespējams, pateicoties starpsatelītu optiskajai (lāzera) komunikācijai ar kanāla ātrumu 100 Gbit/s. Maksimālais attālums starp satelītiem (t.i., signāla veicamais attālums) šajā sistēmā pārsniedz 5000 km.

Līdzīgas sistēmas izstrādā daudzas inženieru komandas un pakalpojumu sniedzēji. Ķīnas «Chang Guang Satellite Technology» (CGST), piemēram, 2025. gadā spēja panākt 100 Gbit/s ātrumu signāla pārsūtīšanai uz Zemi, bet septembrī sasniedza rekordu ģeostacionāra tipa satelītiem (36 000 km attālumā). Acīmredzot lāzeri kļūs par sakaru standartu orbītā izvietotajiem datu centriem. Nākamais solis operatoriem būs terabitu kanāli un kvantu šifrēšanas tehnoloģiju ieviešana.

Var šķist, ka, ņemot vērā izaicinājumus un ierobežojumus, koncepts ir apšaubāms: pārāk sarežģīts un ārkārtīgi dārgs. Kāpēc tad vispār to izstrādāt — vienīgi vides apsvērumu dēļ (kas, starp citu, nav maz)? Protams, nē.

Pirmkārt, viss saistīts ar enerģiju. Orbītā izvietoti datu centri varēs saņemt to tieši no Saules, bez atmosfēras izkliedes (t.i., aptuveni par 40 % vairāk) un bez nakts vai sliktu laikapstākļu pārtraukumiem. Rezultātā šādas enerģijas izmantošanas koeficients — turklāt ļoti lētas, jo saules gaisma tiek ražota dabīgi — pieaugs aptuveni no 29 % līdz vairāk nekā 99 %.

Galu galā, izslēdzot kosmiskos DC no zemes enerģētiskajiem tīkliem, kopējās izmaksas orbitālajiem klasteriem var izrādīties par kārtu zemākas nekā uz Zemes. Plus ūdens ietaupījums (miljoniem litru nav lēti): lai gan vakuuma radiatorus ražot ir dārgāk, tos uzstāda vienreiz, un tie nepārtraukti novada siltumu uz bezgalīgo kosmosu.

Starp citu, par bezgalību: potenciāli Visuma plašumi nodrošina mērogojamības iespējas. Tomēr pastāv ierobežojums — zinātnieki norāda, ka orbīta jau tagad ir piesārņota un, kad satelītu grupējumi pieaugs par tūkstošiem jaunu ierīču, problēma kļūs vēl kritiskāka. Taču nekas īsti neliedz izvietot šādus DC tālāk no Zemes, piemēram, relatīvi brīvā ģeostacionārā orbītā.

Uzskata, ka orbītā izvietotie datu centri cita starpā būs arī labāk aizsargāti nekā uz zemes esošā infrastruktūra. Tajā ir loģika: pašam satelītam nav paredzēts pastāvīgs personāls, un ļaundari tur fiziski netiks. Turklāt visi sakaru kanāli, pirmkārt, tiek šifrēti (tai skaitā ar kvantu kriptogrāfiju), otrkārt, lokalizēti: operators pats lemj, kur lāzers „nogādā datus” no satelīta.

Tomēr pilnībā draudi nepazūd. Galvenais ievainojamības punkts būs tieši zemes stacijas. Ja hakeriem izdosies uzlauzt, teiksim, centrālo vadības punktu un nosūtīt uz satelītiem neatļautas, bet it kā verificētas komandas, sekas ir grūti paredzamas. Citiem vārdiem sakot, iespēju logs ļaundariem sašaurinās, taču, ja uzbrukums notiks, tā sekas būs daudz nopietnākas nekā uz zemes izvietotiem DC.

Minētais «gandrīz» daļēji nosaka arī ierobežojumus uzdevumiem, ko orbītā izvietotie DC var veikt. Kā atceramies, Ķīna mērķē galvenokārt uz astronomisko datu apstrādi. Šādi materiāli — parametri, attēli utt. — parasti vispirms tiek uzkrāti orbītā: sakaru satelītos, attālās izpētes ierīcēs, stacijās, zinātniskajos aparātos utt. Šodien, lai apstrādātu datus, visus masīvus ir nepieciešams pārsūtīt uz Zemi.

Pareizāk būtu uzreiz orbītā, izmantojot gudrus algoritmus, atlasīt lielāko daļu «tukšumu», veikt nepieciešamās operācijas ar to, kas palicis, un uz Zemi sūtīt tikai darba rezultātus.

Ar «zemes» uzdevumiem tas ir sarežģītāk. Nedaudz dīvaini izklausās sistēma, kad lietotāja pieprasījums aiziet uz orbītu, tur apstrādes gaitā „lēkā” pa satelītiem un tikai pēc tam rezultāts tiek atgriezts. Nozaru gadījumā, kur ātrums ir izšķirošs (piemēram, finanšu tirdzniecība, tiešsaistes spēles), šāds piegājiens principā nav dzīvotspējīgs.

Citās situācijās, ja tas gala rezultātā padarīs skaitļošanu lētāku, kāpēc gan ne? Pieņemsim, atbilde kādam «ChatGPT» lietotājam būs jāgaida sekundi vai divas ilgāk. Bet ja gaidīšana būs bez maksas, lielākajai daļai lietotāju (kuru skaits pasaulē, atgādināsim, mēneša griezumā strauji pieaug) tas derēs.

Maksas abonementus — jā, tos var atstāt „uz Zemes”: patērētājs maksā par ātru rezultātu, izmantojot dārgāku un mazāk videi draudzīgu infrastruktūru. Bet arī šeit ir nianses: pēdējais neironu tīklu atjauninājums koda ģenerēšanai (bieži maksas pakalpojumi) var stundām ilgi risināt sarežģītus lietotāja uzdevumus. Šādā kontekstā aizkavēšanās par dažām sekundēm būs nemanāma — tāpēc arī šādus procesus var novirzīt uz orbitālajiem DC.

Patiesībā tehnoloģiju līderi jau sākuši īstenot līdzīgas iniciatīvas. Ievērojamākais projekts ir «Suncatcher» («Saules ķērājs»), ko «Google» izstrādā kopā ar startapu «Planet». Korporācija plāno 2027. gadā palaist orbītā vairākus satelītus ar «Trillium TPU v6e» neiroprocesoriem, kuri, pēc testu rādītājiem, spēj darboties agresīvā radiācijas vidē līdz pieciem gadiem. Misijas galvenā sastāvdaļa, kā to nosaka nosaukums, būs aparātu tīkla pieslēgšana saules enerģijai un datu apmaiņa terabitu ātrumos.

Kopumā nevienā no orbītā izvietošanas posmiem vairs nav nepārvaramu šķēršļu, tāpēc atliek vien gaidīt, kad koncepcija tiks īstenota. Un pēc tam — vērot jaunas, patiesi kosmiskā mēroga MI gigantu sacensības.