Jak společnost Aethero modernizuje vesmírné výpočty pomocí simulací Ansys

Od svého uvedení na trh v roce 2006 se prodalo více než 87,4 milionů kusů konzole Sony PlayStation 3 (PS3). Zatímco většina těchto PS3 byla používána k původnímu účelu (hraní her) několik z nich mělo jedinečné využití: Air Force Research Laboratory (AFRL) spojilo více než 1 700 PS3 a postavilo v Rome ve státě New York superpočítač nazvaný Condor Cluster.

Možná se ptáte, proč se AFRL rozhodlo vyrobit superpočítač poháněný PS3? Cílem bylo použít komerční komponenty (COTS) k vývoji levného a vysoce výkonného superpočítače. Ukázalo se, že to byl velký úspěch, protože Condor Cluster se stal jedním z nejvýkonnějších superpočítačů té doby s výkonem 500 bilionů operací s plovoucí desetinnou čárkou za sekundu (TFLOPS) a cenou daleko nižší než u jiných, konvenčnějších superpočítačů.

Condor Cluster je příkladem distribuovaného výpočetního systému. V nejjednodušším případě distribuované výpočty zahrnují použití více počítačů na distribuovaných místech ke zpracování a ukládání dat, což často přináší výhody, jako je větší flexibilita, redundance a výkon.

Stejný koncept distribuovaných výpočtů lze také použít k pokroku v kosmické technologii. Například v tomto příkladu můžete PS3 nahradit satelity. Jednotlivé satelity a skupiny satelitů mohou provádět distribuované výpočty ve vesmíru, přičemž druhé z nich vytvářejí komunikační cesty mezi satelity, čímž v podstatě vytvářejí datové centrum nebo superpočítač ve vesmíru.

Satelity využívající distribuované výpočty se mohou opírat o extrémně efektivní uzly (jednotlivé okrajové počítače nebo jejich klastry), které se přizpůsobují dostupnému výkonu generovanému na palubě kosmické lodi a tepelným omezením kosmické lodi nebo její konstrukce, což je klíčová výhoda. Tato datová centra distribuovaných výpočtů fungují v podstatě jako obří okrajové počítače, které zkrátka přibližují ukládání dat a výpočty k datovým zdrojům.

Využití edge computingu na palubě kosmických lodí přináší řadu výhod, včetně zvýšení rychlosti zpracování, které je nezbytné pro umožnění misí v reálném čase zahrnujících vysokorychlostní kosmické lodě a autonomní rozhodování, a zabránění přetížení v prostředích s omezenou šířkou pásma díky zpracování na oběžné dráze. Další výhodou kosmických datových center je jejich schopnost řešit problémy s daty a ochranou soukromí díky ukládání dat v distribuovaných datových centrech ve vesmíru.

Na rozdíl od pozemských technologií, jako je superpočítač PS3, musí veškeré výpočty prováděné ve vesmíru odolávat tomuto drsnému prostředí, aby bylo možné těchto výhod dosáhnout. Právě zde vstupuje na scénu společnost Aethero, která je průkopníkem v oblasti vesmírné datové infrastruktury nové generace.

Modernizace vesmírného výpočetního výkonu přináší výhody celému vesmírnému průmyslu

Vesmír je neuvěřitelně náročné prostředí pro provoz a vyžaduje konstrukce složené z komponent, které odolávají intenzivnímu záření a extrémním teplotním podmínkám, jako je intenzivní sluneční záření a hluboký chlad ve stinných oblastech. Společnost Aethero pomáhá řešit tuto obtížnost tím, že poskytuje vysoce výkonné počítače určené pro použití ve vesmíru s architekturou odolnou proti záření. Počítače společnosti Aethero podporují jednotlivé, vícenásobně redundantní a distribuované moduly edge computingu (ECM) i vysoce výkonné výpočetní klastry (HPC).

Návrhy společnosti Aethero se od konkurence liší v několika zásadních ohledech. Za prvé, stejně jako u clusteru Condor, i společnost Aethero používá komponenty COTS, aby zvýšila výkon a zároveň snížila náklady. „Hybridní přístup společnosti Aethero, který spočívá v použití komponent odolných proti radiaci a komponent COTS, nám umožňuje posouvat hranice vesmírného výpočetního výkonu,“ říká Amit Pinnamaneni, technický ředitel a spoluzakladatel společnosti Aethero. Na rozdíl od tradičních výrobců palubních procesorových systémů, kteří používají komponenty odolné proti radiaci pro kosmické produkty třídy 1 a komponenty COTS pro produkty nižší třídy, hybridní přístup společnosti Aethero – který zahrnuje také stínění a hardwarová/softwarová opatření – umožňuje společnosti optimalizovat výkon, efektivitu a náklady ve všech jejích návrzích.

Modularita je další klíčovou výhodou technologie společnosti Aethero. „Aethero podporuje ekosystém rozšiřujících desek, které každému uživateli umožňují přizpůsobit systém konkrétnímu použití,“ říká Pinnamaneni. „Uživatelé mají možnost vyměnit moduly GPU, flash paměti a řadu kompatibilních rozšiřujících desek vyrobených společností Aethero. Interně je každá rozšiřující deska také modulární, což umožňuje upgrade nebo výměnu jednotlivých komponent – například jednotlivých modulů FPGA (field-programmable gate array) nebo GPS (global positioning system). Systém lze také snadno konfigurovat do modulárních nebo distribuovaných variant výpočetního výkonu.“

Udržování modulárního designu je pro společnost Aethero zásadní, protože její počítače jsou navrženy tak, aby fungovaly na různých platformách, od malého CubeSatu po obrovskou vesmírnou stanici. Designy společnosti Aethero umožňují škálovat počet uzlů v distribuovaném výpočetním datovém centru nebo superpočítači v kosmické lodi tak, aby odpovídaly schopnostem kosmické lodi.

To vše je dosaženo při zachování mnoha funkcí, jako je autonomní provoz kosmické lodi, operace strojového vidění, zpracování videa a obrazu, zpracování rádiových frekvencí (RF), umělá inteligence (AI) a strojové učení (ML), softwarově definované rádio (SDR) a komprese a správa dat. Díky počítačům společnosti Aethero mohou inženýři a operátoři také využívat osvědčené balíčky strojového učení a snadno přeprogramovat své systémy i po nasazení prostřednictvím bezdrátových aktualizací (OTA).

Taková univerzálnost otevírá mnoho možností využití produktů společnosti Aethero v mnoha odvětvích. Mezi mnoho potenciálních případů použití patří například napájení vizuálního polohovacího systému s automatizovaným anotováním, školení a vývoj pro pozorování Země; sledování bodů zájmu, jako jsou vládní snahy o sledování nelegálního rybolovu; a autonomní přesné manévry, dokování a setkání, přiblížení a operace (RPO).

Kromě toho „můžete využít náš přístup distribuovaného výpočetního datového centra k implementaci poskytovatele sítě pro doručování obsahu (CDN), který se může přímo připojit k telefonu nebo jiným pozemním výpočetním zařízením pomocí RF standardů, jako je 5G,“ říká Pinnamaneni. Tento případ použití pomáhá sbližovat lidi a staví na „principech spolupráce a kooperace“, které jsou pro letecký průmysl charakteristické.

Jako konkrétní příklad uvažujme kosmickou loď, která autonomně provádí manévr dokování na oběžné dráze. K dosažení tohoto cíle se kosmická loď spoléhá na své pohonné systémy a fúzi senzorů ze senzorů systému určování a řízení polohy (ADCS). Tento proces zahrnuje použití dat z více kamer, senzorů a modelů AI/ML vision v tandemu k identifikaci aktuální polohy kosmické lodi a navedení ji na vhodné místo dokování.

Ve vesmíru má tento proces několik výzev. Za prvé, odesílání dat ze senzorů na Zemi ke zpracování před jejich odesláním zpět do kosmické lodi by bylo neúnosně pomalé. Místo toho mohou počítače společnosti Aethero určené pro použití ve vesmíru efektivně provádět fúzi senzorů a zpracování obrazu v reálném čase ve vesmíru pomocí palubních výpočetních kapacit společnosti Aethero, čímž se vyhýbají časově náročnému procesu odesílání dat mezi Zemí a vesmírem.

Aby společnost Aethero úspěšně dosáhla tohoto a dalších přínosů a zároveň pokračovala v rozvoji vesmírného výpočetního výkonu, spoléhá se na simulační software Ansys.

Dosahování nových výšin pomocí simulace

Jako člen programu Ansys Startup Program využívá společnost Aethero simulační řešení v celém procesu návrhu a vývoje softwaru a hardwaru, stejně jako v provozu, aby překonala několik klíčových výzev, kterým čelí při vytváření výpočetních řešení pro vesmírné podmínky odolných proti radiaci.

Zkrácení doby návrhu a výroby

Návrh pro prostředí vesmíru odolné proti radiaci je historicky zdlouhavý proces, který zahrnuje vytváření a testování fyzických prototypů s dlouhými vývojovými cykly. Aby tuto dobu zkrátila, společnost Aethero použila ve svých procesech návrhu a vývoje simulační řešení.

Konkrétním příkladem je použití simulace k analýze účinků radiace na počítače společnosti Aethero, což jí umožňuje identifikovat slabá místa před zahájením výroby. To pomáhá snížit náklady a zkrátit dobu vývoje a testování. „Výsledky simulace jsou ověřovány naším přístupem testování za letu prostřednictvím testování v reálných podmínkách a zjistili jsme, že výsledky jsou identické,“ říká Pinnamaneni.

Zajištění optimalizovaných návrhů v rychle se rozvíjejícím odvětví

Vzhledem k tomu, že hardware používaný ve vesmíru je stále miniaturizovanější, výkonnější a energeticky účinnější, roste také jeho složitost. To vede k potřebě výkonných analytických nástrojů pro optimalizaci takových složitých návrhů. Jedním ze způsobů, jakým tým Aethero tuto potřebu řeší, je použití simulačního softwaru Ansys. „Nástroje Ansys nám umožňují vyvážit a optimalizovat požadované stínění, tloušťku krytu a návrh hardwaru tak, aby vyhovovaly požadavkům provozu ve vesmírném prostředí,“ říká Pinnamaneni.

Pro elektrické analýzy použila společnost Aethero zejména vysokofrekvenční elektromagnetický simulační software Ansys HFSS pro 3D rozvržení a analýzy elektromagnetického pole a nástroj Ansys SIwave pro analýzu integrity signálu, integrity napájení a EMI pro návrh desek plošných spojů pro ověření integrity napájení a signálu. Společnost Aethero také použila simulační software Ansys EMC Plus pro elektromagnetické rušení a kompatibilitu pro analýzy odolnosti proti záření na úrovni jednotlivých komponent a simulační software Ansys Icepak pro chlazení elektroniky pro tepelné simulace jednotlivých komponent a desek plošných spojů.

Analýza celého prostředí mise

Při plánování vesmírné mise není snadné zajistit, aby bylo zohledněno celé vesmírné prostředí. Proto se společnost Aethero obrátila na digitální software pro inženýrství misí Ansys Systems Tool Kit (STK), aby studovala celkový výkon systému ve vesmírném prostředí. Díky simulaci Ansys, včetně funkce Ansys Systems Tool Kit Space Environment and Effects Tool (STK-SEET), mohou dosáhnout všeho od předpovídání satelitní komunikace s pozemními stanicemi a účinků záření a slunečního tepla v různých bodech až po plánování postupů koncepce operací (ConOps).

V rámci této komplexní analýzy použil tým společnosti Aethero software Ansys Thermal Desktop pro modelování tepelného toku pro simulaci celkových toků a teplot systému.

Zajištění přesného a včasného rozhodování v reálném čase ve vesmíru

Pro autonomní vesmírnou technologii je nezbytné přijímat okamžitá (nebo téměř okamžitá) rozhodnutí. Například když satelit potřebuje učinit kritické rozhodnutí, provozovatelé satelitů se chtějí vyhnout tomu, aby sami odesílali každý jednotlivý příkaz – zejména u základních funkcí. Místo toho chtějí vytvořit satelity, které mohou autonomně přijímat rozhodnutí a provádět opravy v reálném čase.

Jedním ze scénářů, kdy k tomu dochází, je situace, kdy kosmická loď během dokování nebo RPO zažívá otáčení nebo přetáčení. V tomto případě může být kosmická loď navržena tak, aby se autonomně vymanila z přetáčení a znovu se orientovala. Pomocí softwaru STK a Ansys Orbit Determination Tool Kit (ODTK) mohou inženýři na zemi předem analyzovat převrácení a navrhnout postup ConOps pro řešení této situace. Poté lze postup před startem zadat do edge počítače Aethero, aby byl připraven k nasazení v případě potřeby, což umožní kosmické lodi autonomně a okamžitě problém vyřešit. Tímto způsobem umožňuje edge computing ve vesmíru autonomní rozhodování v reálném čase. Tyto produkty navíc umožňují autonomní sebezdokonalování v přesném a precizním manévrování v průběhu času prostřednictvím posilujícího učení s modelem odměn.

Náhled do budoucnosti Aethero a edge computingu ve vesmíru

S rozvojem vesmírného průmyslu se inženýři a operátoři budou stále více snažit udržovat své modely aktuální pomocí školení a interference prostřednictvím edge computingu. Stávající systémy založené na FPGA, které používá mnoho jiných produktů, však tento computing nedokážou efektivně podporovat. Aethero již nyní poskytuje progresivní alternativu v podobě systému NxN-ECM, který podporuje 20–157 tera operací za sekundu (TOPS). Ve čtvrtém čtvrtletí roku 2025 Aethero uvede na trh NxA-ECM, který podporuje 275 TOPS s jedním výpočetním prvkem v rámci modulu Edge Computing Module nebo až 550 TOPS se dvěma prvky.

Tým společnosti Aethero předpokládá, že růst technologie AI povede k většímu využití výpočetní techniky ve vesmíru se zaměřením na inferenci a trénink. „Umožnit kosmickým lodím doladit jejich palubní modely AI/ML je jediný způsob, jak dosáhnout pokročilých aplikací pro automatizaci a adaptivní vesmírné platformy, o které usilujeme ve společnosti Aethero,“ říká Pinnamaneni. „Otevírá to aplikace pro edge computing v dalších destinacích, jako je geostacionární dráha (GEO), cislunární nebo dokonce marsovské prostředí.“

Zlepšení v této oblasti mohou také vést k využití edge computingu pro těžbu surovin, montáž a výrobu na oběžné dráze (ISAM) a další dynamické situace, které budou mít zásadní význam pro budoucnost vesmírného hospodářství, říká Pinnamaneni. Tuto předpověď podporuje skutečnost, že jsme již stejný technologický vývoj zaznamenali na Zemi.

Součástí vynikajícího výkonu v této práci bude i spolupráce se společnostmi, které mohou lépe plnit své úkoly pomocí produktů společnosti Aethero. To umožní společnosti Aethero „předem integrovat naše edge počítače do osvědčených satelitních platforem, aby zákazníci získali kompletní a rychle nasaditelné řešení s minimálními jednorázovými náklady na vývoj (NRE)“, říká Pinnamaneni.

Aby dále podpořila tento růst, společnost Aethero usiluje o získání grantu Small Business Innovation Research (SBIR) s podporou společnosti Ansys. Díky tomuto partnerství by společnost Aethero mohla spustit software STK na jednom ze svých modulů na palubě kosmické lodi a simulovat ConOps před jejich provedením. Tímto způsobem bude tým Aethero schopen provádět kritické předpovědi, například výkon komunikace, „s mnohem větší přesností, protože STK přijímá data z kosmické lodi v reálném čase,“ říká Pinnamaneni.

Pokud vás zajímají další informace o vzrušujících pokrocích ve vesmíru, podívejte se, jak simulace revolučním způsobem mění vesmírný sektor.

Převzato od Ansys. Překlad s využitím DeepL.