Na krawędzi wszechświata #MicrosoftMówi

Przetwarzanie danych na krawędzi w kosmosie ma szansę przybliżyć astronautów do Marsa i pozwoli na poprawę życia na Ziemi.

Kiedy Michael Collins wyjrzał przez okienko w module dowodzenia Apollo 11, orbitującym samotnie wokół Księżyca, podczas gdy Neil Armstrong i Buzz Aldrin odbywali swój historyczny spacer księżycowy, zobaczył błękitno-białą planetę o zatartych granicach. Momentalnie w jego głowie pojawiła się myśl, że ludzie mieliby o wiele lepszą przyszłość, gdyby przywódcy polityczni również potrafili postrzegać świat w ten sposób – jako jedną, całą kulę ziemską – i nauczyli się lepiej współpracować.

Nie był jednak w stanie podzielić się swoimi słynnymi przemyśleniami z ludźmi „w domu”, dopóki nie postawił stopy na Ziemi. Jednym z powodów była poważnie ograniczona łączność między statkiem kosmicznym a kontrolą naziemną.

Inżynierowie oprogramowania i naukowcy z różnych firm pracują wspólnie, aby zmienić ten stan rzeczy. Jednym z takich projektów jest nowe partnerstwo, którego celem ma być właśnie usprawnienie komunikacji i umożliwienie przeprowadzania eksperymentów. W konsekwencji pozwolą one usprawnić podróże i działania astronautów w kosmosie, poprawiając jednocześnie życie ludzi na Ziemi.

Projekt jest oparty o nową platformę, obejmującą superkomputer wielkości małej kuchenki mikrofalowej, który jest podłączony do chmury w przestrzeni kosmicznej.

„Dorastałam w czasach, kiedy w wieczornych wiadomościach pokazywano przestrzeń kosmiczną. Teraz znów mamy do czynienia z kolejnym wyścigiem kosmicznym, napędzanym przez nowoczesne technologie” – mówi Christine Kretz, wiceprezes ds. programów i partnerstwa w Narodowym Laboratorium USA na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. „Nowe rakiety wielokrotnego użytku sprawiają, że eksploracja kosmosu staje się bardziej przystępna cenowo i otwiera się na większą liczbę zainteresowanych – dodaje – i to jest właśnie nowa przestrzeń. To burzy rywalizację i podziały”.

Organizacja, którą zarządza została skierowana przez NASA, za pośrednictwem Kongresu, do zarządzania Narodowym Laboratorium USA na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Jej zadaniem jest polowanie na „grupy specjalistów” – od uniwersytetów po startupy i gigantów technologicznych – które „zrobią najlepszy możliwy użytek z technologii dla tego statku kosmicznego, który stał się pływającym laboratorium okrążającym kulę ziemską”.

Usunięcie grawitacji z równania stało się przełomem dla naukowców badających wszystko, od silników spalinowych, przez systemy oczyszczania powietrza, po terapie antynowotworowe. W ciągu 21 lat obecności ludzi na stacji kosmicznej przeprowadzono ponad 3 000 eksperymentów przez ponad 4 000 naukowców z ponad 100 krajów.

Mając w zanadrzu setki kolejnych pomysłów, naukowcy potrzebują solidnej infrastruktury i sieci, aby móc prowadzić i udostępniać swoje eksperymenty. To właśnie ma zapewnić nowe partnerstwo pomiędzy Hewlett Packard Enterprise (HPE) i Microsoft, dzięki technologii edge computing i chmurze Azure.

Do tej pory dane badawcze zbierane ze stacji kosmicznej były przekazywane w małych paczkach z powodu konkurujących ze sobą priorytetów w środowisku mocno ograniczonej łączności. Zanim naukowcy otrzymali swoje dane, było już za późno, aby wprowadzić niezbędne poprawki do procesu zbierania informacji lub zareagować odpowiednio wcześnie na wszelkie niespodzianki, które mogły pojawić się w środowisku bez wpływu grawitacji.

Ograniczona łączność może również opóźniać przekazywanie krytycznych decyzji astronautom, którzy często muszą czekać, aż informacje dotrą do kontroli naziemnej i zostaną tam przeanalizowane, a następnie powrócą z kluczowymi wnioskami „z dołu”.

Cała ta sytuacja jest już wystarczająco trudna w przypadku stacji kosmicznej, która orbituje aż 250 mil nad Ziemią. Księżyc jest jednak prawie tysiąc razy dalej. A Mars w swojej najdalszej pozycji orbitalnej jest milion razy dalej. Tak więc misje w przestrzeni kosmicznej będą wymagały większej mocy obliczeniowej w zasięgu ręki astronautów i lepszego korytarza do wymiany informacji.

HPE ma już historię projektowania superkomputerów dla NASA, które miały być wykorzystywane do ciężkich obliczeń wymaganych przy planowaniu misji. Firma wzięła więc jeden z setek wysokowydajnych serwerów obliczeniowych, z których składa się superkomputer, upewniła się, że zmieści się w rakiecie, a następnie przetestowała go, aby sprawdzić, czy wytrzyma wstrząsy, wibracje i przeciążenia związane ze startem, czy zostanie zainstalowany przez nieprzeszkolony personel i czy będzie działał w przestrzeni kosmicznej, gdzie zabłąkane promienie kosmiczne mogą zamienić 1 w 0 lub odwrotnie i dokonać spustoszenia w systemie.

Udało się

„A teraz druga odsłona – Spaceborne Computer-2, wysłany na ISS w lutym – uwzględnia sprawdzone podejście po pierwszej misji, ze znacznie bardziej zaawansowanym systemem, który jest specjalnie zaprojektowany do pracy w trudnych warunkach oraz do przetwarzania sztucznej inteligencji i analityki” – mówi Mark Fernandez, główny badacz projektu z HPE.

Spaceborne Computer-2 jest wystarczająco potężny, aby wykonywać pracę polegającą na analizowaniu danych u źródła ich gromadzenia – właśnie w przestrzeni kosmicznej – w procesie zwanym przetwarzaniem danych na krawędzi sieci (edge computing). To tak jakby ludzka ręka normalnie wysyłała informacje do mózgu i musiała czekać na analizę i odpowiedź zanim dała sygnał do cofnięcia się od gorącego pieca, a potem nagle uzyskała zdolność do analizy temperatury tuż przy samym opuszku palca i podjęcia decyzji o natychmiastowym cofnięciu się od gorąca.

Na stacji kosmicznej znajdują się setki urządzeń. Niektóre z nich zbierają dane w sposób ciągły, a inne wymagają częstego przesyłania obrazów video. Zmniejszenie ilości danych, które muszą być przesyłane, uwolni przepustowość dla większej ilości eksperymentów naukowych.

Mimo to, bardziej skomplikowane obliczenia nadal muszą być wysyłane na Ziemię. Jeden z eksperymentów, które obecnie prowadzą partnerzy, dotyczy potrzeb opieki zdrowotnej dla astronautów biorących udział w dłuższych misjach kosmicznych. Wpływ długiego pobytu w przestrzeni kosmicznej na organizm ludzki nie jest do końca znany, dlatego szczególnie ważna jest technologia pozwalająca na częste monitorowanie zmian zachodzących w czasie.

Eksperyment ma za zadanie sprawdzić, czy astronauci mogą stale monitorować swoje zdrowie w obliczu potencjalnego zagrożenia związanego z dodatkowym narażeniem na promieniowanie na pokładzie statku kosmicznego, co może okazać się jeszcze bardziej ryzykowne, gdy planeta taka jak np. Mars jest oddalona o siedem miesięcy podróży z dala od regularnej opieki medycznej. Astronauci biorący udział w eksperymencie pobierają swoje genomy i analizują je pod kątem anomalii. Następnie porównują je z bazą danych Narodowego Instytutu Zdrowia, aby dowiedzieć się, czy są jakieś nowe mutacje, i czy są one łagodne a misja może być kontynuowana, czy też są to mutacje często związane niestety z rakiem, które mogą wymagać natychmiastowej opieki na Ziemi. Jest to test telemedycyny najwyższej próby, który ma być stosowany w odległych miejscach na całym świecie.

Jednak sekwencjonowanie pojedynczego ludzkiego genomu, około 6 miliardów znaków, generuje około 200 gigabajtów surowych danych, a Spaceborne Computer-2 ma przydzielone jedynie dwie godziny pasma komunikacyjnego tygodniowo na przesyłanie danych na Ziemię, z maksymalną prędkością pobierania 250 kilobajtów na sekundę. To mniej niż 2 gigabajty tygodniowo – nie wystarczy nawet na ściągnięcie filmu z platformy vod, co oznacza, że przesłanie tylko jednego zestawu danych genomowych zajęłoby dwa lata.

„To jak powrót do modemu telefonicznego w latach 90-tych” – mówi David Weinstein, główny inżynier oprogramowania w dziale Azure Space w Microsoft, który został utworzony w zeszłym roku, aby wspierać tych, którzy już działają w sektorze kosmicznym, a jednocześnie przyciągać nowych uczestników poprzez integrację chmury z platformami satelitarnymi innych firm.

Zespół Weinsteina opracował pomysł, aby odwrócić to, co wiele organizacji robi teraz, gdy zabraknie im miejsca na obliczenia w ich własnych systemach komputerowych i „przerzucić” nadmiar tymczasowo do chmury – to ten sam wzór, mówi, tylko w tym wypadku dane będą przerzucane „w dół do chmury z kosmosu”. Kiedy na stacji kosmicznej zabraknie miejsca na obliczenia podczas eksperymentu, projekt automatycznie „przejdzie” do ogromnej sieci komputerów w chmurze Azure, aby uzyskać pomoc, łącząc przestrzeń kosmiczną i Ziemię w celu rozwiązania problemu w chmurze.

Spaceborne Computer-2 może przeszukiwać dane na pokładzie, podążając za kodem napisanym przez inżynierów, aby znaleźć zdarzenia lub anomalie, które wymagają dodatkowej kontroli – takie jak mutacje, w przypadku eksperymentu genomu – a następnie może wydzielić i wysłać tylko te bity w dół na Ziemię do chmury Azure, zamiast męczyć się z wysyłaniem miliardów informacji. Stamtąd naukowcy w dowolnym miejscu na świecie mogą korzystać z mocy chmury obliczeniowej, aby uruchomić swoje algorytmy do analizy i podejmowania decyzji, uzyskując dostęp do milionów komputerów działających równolegle i połączonych 165 000 milami światłowodów łączących centra danych Azure rozproszone w 65 regionach na całym świecie.

Fernandez wspomina, że słyszał o frustracji jednej z badaczek, której zajęłoby miesiące, aby uzyskać dane ze stacji kosmicznej. Zaoferował pomoc, a „kosmiczny komputer” przetworzył jej zestaw danych w sześć minut, skompresował go, a następnie pobrał plik, który był 20 000 razy mniejszy.

„No więc przeszliśmy od miesięcy do minut” – mówi Fernandez. „I właśnie wtedy zapaliła się żarówka”.

Szybkość działania jest tym ważniejsza, że Kongres zatwierdził budżet dla stacji kosmicznej tylko do 2024 roku.

„Musimy zrobić jak najwięcej w czasie, który nam pozostał” – dodaje Kretz.

HPE zakończyło do tej pory cztery pierwsze eksperymenty – w tym przesyłanie danych do chmury Microsoft z udaną wiadomością “hello world” – i ma cztery kolejne w trakcie realizacji oraz 29 kolejnych w kolejce, mówi Fernandez. Niektóre z tych testów mają związek z opieką zdrowotną, jak np. eksperyment z genomem oraz przesyłanie badań USG i zdjęć rentgenowskich astronautów. Inne dotyczą nauk przyrodniczych, takich jak analiza roślin uprawianych na pokładzie podczas dłuższych misji w celu określenia, czy dziwnie wyglądający ziemniak jest po prostu zdeformowany z powodu braku grawitacji – nowej zmiennej w biologii – czy też jest czymś zainfekowany i musi zostać zniszczony. A jeszcze inne zajmują się podróżami kosmicznymi i komunikacją między satelitami.

Działalność i eksploracja kosmosu mają ogromny wpływ na codzienne życie na Ziemi, czy to w przypadku szerokopasmowego Internetu, czy sygnałów GPS z satelitów, które zapewniają nawigację, jak również sygnałów czasowych, takich jak te dla sieci finansowych, dzięki którym kierowca może uruchomić swoją kartę kredytową przy dystrybutorze paliwa. Ograniczenia związane ze statkami kosmicznymi, które stają się coraz mniejsze i potężniejsze, ale nadal muszą być lekkie i w pełni autonomiczne, zmuszają inżynierów i deweloperów do ponownego przemyślenia założeń dotyczących ich projektów.

„To skłania do innowacji, które prowadzą do przełomów w nauce stosowanej z różnych perspektyw z powrotem na ziemi” – mówi Steve Kitay, który był zastępcą asystenta sekretarza ds. polityki kosmicznej w Departamencie Obrony USA przed dołączeniem do Microsoft w zeszłym roku, aby prowadzić program Azure Space. Boom technologicznych i wyścig zbrojeń na tym polu jest jeszcze szybszy odkąd SpaceX i inne firmy wprowadziły nowe rakiety, w tym niektóre, które mogą być ponownie wykorzystane, znacząco zmniejszając koszty ich uruchomienia.

„Przestrzeń kosmiczna przechodzi okres poważnej transformacji” – mówi Kitay. „W przeszłości było to środowisko zdominowane przez duże państwa i rządy, ponieważ budowa i uruchomienie systemów kosmicznych było bardzo kosztowne. Ale to, co dzieje się teraz, to szybka komercjalizacja przestrzeni kosmicznej, która otwiera nowe możliwości dla wielu innych podmiotów.”

„Nowatorskie wykorzystanie oprogramowania open-source, z kodem, który jest dostępny publicznie dla każdego programisty, aby mógł go rozwijać i dostosowywać, ułatwiło tworzenie programów, które mogą działać na stacji kosmicznej” – mówi Glenn Musa, starszy inżynier oprogramowania w Azure Space. „A ponieważ Spaceborne Computer-2 ma połączenie Azure z tymi samymi narzędziami i językami, co komputery na Ziemi, programiści „nie muszą już być specjalnymi inżynierami kosmicznymi lub naukowcami rakietowymi”, aby tworzyć aplikacje dla ISS, ale mogą to robić z umiejętnościami ucznia szkoły średniej w dziedzinie informatyki”.

Osoby pracujące obecnie nad eksploracją kosmosu “urodziły się za późno na wyścig kosmiczny w ubiegłym wieku, ale jednocześnie za wcześnie, aby wyruszyć w kosmos we własnej rakiecie” – mówi Musa. „Ale kiedy będziemy w stanie podłączyć urządzenia z kosmosu do komputerów, które mamy tutaj na Ziemi, otworzymy wielką piaskownicę technologiczną i wszyscy będziemy mogli brać udział w eksperymentach w kosmosie i rozwijać nowe technologie, które będziemy wykorzystywać w przyszłości”.