Kosmiczne rachunki za prąd. Dlaczego centra danych nie uciekną na orbitę (a przynajmniej nieprędko)
Giganci technologii coraz częściej wspominają o orbitalnych centrach danych, jakiś czas temu głośno mówił o tym Elon Musk, ale nie on jeden, ostatnio przeczytałem co robi w tym zakresie Google Research, czyli dział badawczy giganta z Mountain View. Wnioski, nie tak prędko panowie…
Entuzjazm technologiczny ma niezmienną właściwość: ignoruje bilans masowy i prawa termodynamiki. Kiedy w 1969 roku Neil Armstrong stawiał stopę w pyle Morza Spokoju, ówcześni futurolodzy z pełnym przekonaniem kreślili wizje samowystarczalnych miast na Księżycu i stałych baz na orbicie Marsa przed końcem XX stulecia. Minęło ćwierć wieku od roku 2000, a stała (podkreślam: stała) ludzka obecność poza niską orbitą okołoziemską wciąż sprowadza się do zera. Dziś te same błędy poznawcze – mylenie wykładniczego wzrostu mocy obliczeniowej z fizyczną infrastrukturą materialną – napędzają narrację o przeniesieniu centrów danych sztucznej inteligencji w przestrzeń kosmiczną.
Energia
W oficjalnym komunikacie Google Research zapowiedziało program badawczy Project Suncatcher. W ramach misji Transporter-18, realizowanej we współpracy ze SpaceX i firmą Planet, na orbitę trafi prototypowy satelita mający sprawdzić zachowanie procesorów TPU (Tensor Processing Unit) szóstej generacji, znanych jako Trillium. Punktem wyjścia dla autorów projektu jest kalkulacja solarna. Otóż według zespołu Google Research, poza gęstą atmosferą ziemską stała słoneczna pozwala wygenerować do ośmiu razy więcej energii z metra kwadratowego panelu fotowoltaicznego niż na powierzchni planety. Z perspektywy Mountain View, zmagającego się z rosnącym oporem lokalnych sieci elektroenergetycznych, perspektywa darmowego, nieprzerwanego zasilania wydaje się logicznym azylem. Ale tu się zatrzymałem po raz pierwszy.
Do ośmiu razy więcej niż na powierzchni? Jak to policzyli? Przyjrzyjmy się temu co wiemy. Tzw. stała irradiancji słonecznej, czyli wartość określająca moc promieniowania słonecznego padającego na jednostkę powierzchni ustawioną prostopadle do kierunku promieniowania, w średniej odległości Ziemi od Słońca, poza atmosferą ziemską wynosi obecnie ok. 1361 W/m2. Tymczasem na powierzchni Ziemi w bezchmurne południe przy słońcu w zenicie (standard AM1.5) dociera około 1000 W/m2 (w porywach do ~1050 W/m2). No to nie jest 8 razy więcej, ale… oni nie popełnili błędu.
Oczywiście Google Research nie porównuje chwilowej irradiancji, tylko całkowity uzysk energii w skali roku (kWh z metra kwadratowego panelu) i to w zestawieniu z przeciętną, realistyczną lokalizacją na Ziemi. Tutaj faktycznie równanie zaczyna się spinać. Na ziemi mamy cykl dobowy i optymalny kąt stacjonarnych paneli na Ziemi tylko przez część dnia, do tego zmienna pogoda, chmury, pył, zanieczyszczenia, wszystko to ścina insolację (czyli ilość energii słonecznej docierającej na jednostkę powierzchni). Tymczasem na odpowiednio dobranej orbicie (np. synchronicznej ze słońcem, typu dawn-dusk na wysokości 600–800 km) satelita leci wzdłuż linii terminatora i może mieć słońce przez 100% czasu w roku.
Zatem orbita z ciągłym nasłonecznieniem przy stałej irradiancji da nam:
1,36 kW × 24 h × 365 dni = ok. 11 900 kWh/m2 rocznie.
Tymczasem naprawdę dobrze rozlokowane panele w słonecznych rejonach naszego kontynentu (np. Hiszpania) są w stanie wygenerować jakieś 1500 kWh z metra kwadratowego rocznie. Podzielmy jedno przez drugie i mamy… 7,9 razy większy uzysk orbitalny. Tyle, że energia to zaledwie jeden aspekt. Zderzenie założeń programu Suncatcher z rzeczywistością inżynieryjną ujawnia jednak skalę wyzwania, o którym rzadko wspomina się w materiałach promocyjnych.
Naprężenia i promieniowanie
Gdy myślimy o orbitalnych centrach danych, w głowie już nam się rysuje obraz roju satelitów w stylu Starlinka, z których każdy ma w sobie niewielką serwerownię. Taki rój zapewne zdjął by z ziemskich elektrowni ciężar trenowania kolejnych modeli językowych. Jednak Google nie wysyła w kosmos choćby jednej szafy rackowej. W rzeczywistości ładunek Google składa się z zaledwie czterech procesorów TPU. Cała misja ma charakter elementarnego testu przetrwania materiałowego, a nie budowy węzła obliczeniowego. Koncept może być imponujący, ale najpierw trzeba sprawdzić czy jest on w ogóle wykonalny.
Pierwszą barierą pozostają przeciążenia mechaniczne. Start rakiety nośnej oznacza konieczność przetrwania przyspieszeń sięgających nawet 10 g oraz intensywnych wibracji. Pojedyncze komponenty, takie jak TPU, mogą w ich wyniku doświadczać obciążeń odpowiadających nawet 50–100 g. Tranzystory projektowane z myślą o klimatyzowanych halach w stojących na ziemi serwerowniach muszą zachować spójność strukturalną w środowisku bardzo silnych wibracji wieloosiowych podczas zaledwie 10-minutowego lotu na LEO (low earth orbit).
Drugim problemem jest promieniowanie jonizujące. Ziemska magnetosfera i atmosfera chronią krzem przed wiatrem słonecznym oraz wysokoenergetycznymi promieniami kosmicznymi. Na orbicie pojedyncze ciężkie jony bez przeszkód penetrują struktury półprzewodnikowe, powodując tzw. zjawiska SEU (Single Event Upset), czyli błędne zmiany stanów logicznych – potoczne bitflipy. Aby sprawdzić odporność architektury Trillium, inżynierowie Google poddali ją bombardowaniu wiązką protonów w Crocker Nuclear Laboratory na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis. Choć testy laboratoryjne wykazały odporność na dawkę odpowiadającą pięcioletniej misji, rzeczywiste zachowanie pamięci HBM pod ciągłym obciążeniem obliczeniowym w warunkach kosmicznych pozostaje niewiadomą.
Moc obliczeniowa vs błędy
Z tego wynika jeszcze jeden interesujący paradoks. Promieniowanie dosłownie wybija układ obliczeniowy z poprawności działania. To właśnie dlatego w wielu długotrwałych misjach kosmicznych celowo stosuje się układy scalone wykonane z wykorzystaniem technologii fotolitograficznych o kilka generacji starszych niż to co dziś mamy w elektronice konsumenckiej. Chip Apple Silicon A20 Pro obecny w nowym iPhone 18 Pro i Pro Max to układ wykonany w procesie 2 nm. Tymczasem zarówno NASA jak i ESA w długotrwałych misjach kosmicznych stosują elektronikę wykonaną w procesach znacznie starszych, o znacznie większych tranzystorach. Dlaczego?
iPhone 18 Pro – pierwsze testy i nowy aparat ze zmienną przysłoną
Cóż, gdy tranzystory robią się mniejsze, w pojedynczej komórce przechowywany jest mniejszy ładunek elektryczny, napięcia robocze są niższe, odległości między elementami są mniejsze, rośnie gęstość upakowania. W efekcie pojedyncza, wysokoenergetyczna cząstka promieniowania (a tych w kosmosie nie brakuje) może łatwiej zmienić stan logiczny układu niż w przypadku chipu wykonanego w starszej technologii. Niestety stosowanie starszych chipów w kontekście orbitalnych centrów danych mija się z celem, przecież chodzi o moc obliczeniową i zużycie energii! W olbrzymim uproszczeniu: moc wzrasta wraz z gęstością upakowania elementów, a im mniejszy tranzystor tym mniej energii potrzebuje. Ale promieniowanie to nie jest partner negocjacyjny. A to nie jest wciąż koniec problemów.
Próżnia i chłodzenie
Największa iluzja związana z przestrzenią kosmiczną dotyczy temperatury. Powszechne przekonanie, że w kosmosie „jest zimno”, prowadzi do błędnego wniosku, iż chłodzenie układów scalonych staje się tam trywialne. No nie. Nie jest.
W próżni panuje skrajna izolacja termiczna. Brak cząsteczek gazu eliminuje konwekcję oraz przewodzenie – dwa mechanizmy, na których opiera się 100 procent ziemskich systemów chłodzenia powietrznego i cieczowego. Na orbicie nie ma niczego (poza samym satelitą) w czym można rozproszyć ciepło. W efekcie ciepło generowane przez krzem o gęstości mocy rzędu setek watów na centymetr kwadratowy można odprowadzić w przestrzeń kosmiczną wyłącznie poprzez promieniowanie podczerwone, opisywane prawem Stefana-Boltzmanna, w myśl którego strumień oddawanego ciepła rośnie z czwartą potęgą temperatury bezwzględnej, co oznacza, że aby radiator o rozsądnych gabarytach oddał moc generowaną przez nowoczesny akcelerator, musiałby rozgrzać się do temperatur grożących degradacją złączy lutowniczych, albo osiągnąć gigantyczną powierzchnię. Zespół Google bada więc hybrydowe układy rurek cieplnych i wielkogabarytowych radiatorów, które znacznie zwiększają masę startową całego systemu, niwecząc zyski z miniaturyzacji. To będzie droższe? Będzie, ale – jak wspomniałem – fizyka nie negocjuje.
Problem ze skalowaniem
Równie skomplikowanie wygląda kwestia skalowania. Pojedynczy procesor nie ma wartości w zaawansowanych obliczeniach uczenia maszynowego; wymaga setek gigabajtów przepustowości w komunikacji z sąsiednimi węzłami. Ziemskie klastry łączone są miedzianymi magistralami lub światłowodami o minimalnych opóźnieniach.
Wizja Google zakłada docelowo formację satelitów poruszających się w ciasnej grupie na niskiej orbicie i komunikujących się za pomocą bezpośrednich łączy optycznych. Wyzwanie polega na tym, że dotychczasowa fotonika satelitarna optymalizowana była pod kątem przesyłu małych ilości danych na odległości tysięcy kilometrów. W architekturze klastra obliczeniowego wymagana jest ekstremalna przepustowość na dystansach rzędu kilkuset metrów. Google definiuje to w ten sposób, że utrzymanie stabilnego łącza wymaga precyzji porównywalnej z trafieniem w cel wielkości monety z odległości wielu kilometrów, gdy oba obiekty pędzą z prędkością 27 000 km/h w warunkach mikrograwitacji. Komercyjne testy tej technologii zaplanowano najwcześniej na 2027 rok.
Gdy opadnie marketingowy pył, pozostaje rachunek materiałowy. Koszt wyniesienia kilograma ładunku na orbitę, nawet przy spadających stawkach rakiet wielokrotnego użytku, w połączeniu z masą niezbędnych osłon radiacyjnych i radiatorów sprawia, że ekstrapolacja obecnych trendów jest publicystyczną mrzonką. Przez najbliższe dekady gigawaty na potrzeby sztucznej inteligencji będą musiały pochodzić z ziemskich turbin gazowych, reaktorów jądrowych i konwencjonalnych farm fotowoltaicznych.
Project Suncatcher nie jest zwiastunem bliskiej ewakuacji serwerowni w przestrzeń kosmiczną. To laboratoryjny poligon badający granice wytrzymałości krzemu w skrajnie wrogim środowisku – przypominający, że prawa fizyki pozostają niewzruszone na deklaracje liderów Doliny Krzemowej.
