HPC-Server auf Mission im Weltall HPE schickt ein drittes Mal Spaceborne zur ISS

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Hewlett Packard Enterprise hat zum dritten Mal einen „Spaceborne“-Computer zur internationalen Raumstation (ISS) geschickt. Der aus handelsüblichen Servern bestehende Hochleistungsrechner ist an Bord einer „Space-X-Falcon-9“-Rakete ins All gestartet.

Um genau zu sein, handelt es sich bei dieser Mission um eine Rückkehr; denn der HPE Spaceborne Computer-2 war zwischenzeitlich zwecks Aufrüstung auf der Erde. Das Ziel der erneuten Mission ist es, den Umfang und die Komplexität der Berechnungen im All zu erhöhen. So gehören jetzt etwa Anwendungen mit Künstlicher Intelligenz (KI) und Maschinellem Lernen (ML) zum Aufgabenspektrum, darunter Bildverarbeitung in Echtzeit, wissenschaftliche Simulationen, Aufgaben aus dem Gesundheitswesen, bewältigung von Naturkatastrophen, 3D-Druck und 5G.

Zu den Forschungsprojekten mit dem HPE Spaceborne Computer-2 gehört unter anderem ein Experiment mit föderiertem Lernen, bei dem ML-Modelle und Inferenz-Systeme unabhängig voneinander trainiert werden. Das Experiment wird zusammen mit Cloud-Anbietern durchgeführt und dient dem Ziel, ML-Modelle auf der Erde zu trainieren und ein KI-Inferenz-System im Weltraum zu betreiben.

Der Computer besteht aus Servern der Baureihen HPE Spaceborne „Edgeline“ und „Proliant“. Er wurde für seine zweite Mission mit mehr als 130 Terabyte (TB) Flash-Speicher von Kioxia aufgerüstet, der größte Speicher, der jemals in einer Mission zur Raumstation transportiert wurde. Dazu gehören vier Value-SAS-SSDs der „RM“-Serie mit jeweils 960 GB, acht NVMe-Speicher der „XG“-Serie mit jeweils 1.024 GB und vier SAS-Enterprise-SSDs der „PM6“-Serie mit jeweils 30,72 TB.

Frühere Workloads, darunter DNA-Sequenzdaten, hochauflösende Bilder und Referenzdatenbanken, waren auf 2 TB beschränkt. Der zusätzliche Flash-Speicher ermöglicht neue Anwendungen und Forschungen mit größeren Datensätzen durch das ISS National Laboratory an Bord des Forschungsaußenpostens.

Ein Blick in die Entwicklungsphasen

Von einem handelsüblichen „Apollo 40“-Server, der im Spaceborne Computer-1 verwendet wurde, bis hin zu den „Edgeline EL4000“- und „Proliant DL360 Gen10“-Servern, die den Spaceborne Computer-2 antreiben, mussten die HPE-Ingenieure und -Forscher immer wieder neue Lösungen finden und lernen, um die Standards der NASA zu erfüllen.

Das Eckige muss ins Runde - in diesem Fall war es ganz wörtlich zu nehmen. Auf der Erde haben die Komponenten von Rechenzentren eine rechteckige Form, um den Platz im Rack zu optimieren. Die Station in der Erdumlaufbahn hingegen besteht aus zylinderförmigen Modulen.

Das Design von Spaceborne begann daher mit einer Übung in Design und Geometrie, um aus vierseitigen Formen Kreise zu machen. Dazu gehörten die Entwicklung eines maßgeschneiderten Chassis und eine neuartige seitliche Installation.

Montage und Wartung durch Astronauten

Damit IT-versierte Kunden Probleme lösen oder Routinewartungsarbeiten auf der Erde durchführen können, liefert HPE Ersatzteile zusammen mit einer Anleitung für den Einbau. Das Greifen, Ziehen oder Heben von Gegenständen ist eine gängige Praxis bei der Handhabung.

Im Weltraum muss sich ein Astronaut jedoch aufgrund der Schwerelosigkeit an mehreren festen Punkten festhalten, um sich selbst zu stabilisieren. Es ist für einen Astronauten unmöglich, Anweisungen von der Erde aus zu befolgen und dabei Gefahr zu laufen, sich quer durch die Raumstation zu schieben. Daher wurden bereits vor dem Start von Spaceborne alle Betriebs- und Wartungshandbücher überarbeitet, um den NASA-Weltraumstandards für die Besatzungsmitglieder zu entsprechen.

Zudem schwebt nicht nur jedes Wesen sondern auch jedes Ding, wenn es nicht an einem festen Punkt befestigt ist. Die Experten von HPE hatten zwar die Weitsicht, ein strukturelles Docking zu entwickeln, um zu verhindern, dass der Computer sich frei durch die Raumstation bewegt, aber sie haben dennoch nicht alle Folgen der fehlenden Schwerkraft auf die inneren Teile vorausgesehen.

Schwerelos

Denn auch hier im Inneren der Gehäuse schweben ohne Schwerkraft die nicht befestigten Komponenten, insbesondere die internen Verkabelung. Diese Drähte kamen den Kühlungslüftern des Systems zu nahe, wodurch die Drähte im Laufe der Zeit abgeschliffen wurden und Staub im System freigesetzt wurde, der dann in den Filtern hängen bleiben.

Das HPE Team entwickelte und implementierte daraufhin eine Sicherung der Kabel und dokumentierte Problem und Lösung. Das wiederum wurde eingerichtet, um bei zukünftigen Produktdesigns berücksichtigt werden zu können, etwa bei Komponenten in Fahrzeugen.

Datentransfer an die Erde um das 30.000-fache reduziert

Zu früheren Zeiten wurden die an Bord der Raumstation erfassten Daten zwecks Verarbeitung und Analyse zur Erde geschickt. Die Raumstation umrundet die Erde etwa alle 90 Minuten. Daher sind zu jeder Tageszeit nur maximal zwei Satelliten auf sie gerichtet. Und es gibt Zeitpunkte, an denen eine Kommunikation mit der Erde unmöglich ist.

Sobald die Kommunikation mit der Raumstation wieder funktioniert, will jeder auf der Erde sie erreichen, was die ohnehin schon strapazierte Bandbreite reduziert und die Astronauten in ihrer Forschungsarbeit beeinträchtigt. Diese Engpässe beweisen die Notwendigkeit von Edge Computing im Weltraum.

Ein physisches Gerät auf der Raumstation, das die DNA-Sequenzierung lokal durchführt, erzeugt jedes Mal 22 GB an Daten. Anstatt alle 22 GB Daten zur Erde zu senden, verarbeitete der HPE Spaceborne Computer die Daten an Bord und erzeugte schließlich eine Ausgabedatei mit einer Größe von 235 KB.

Der jetzige Hochleistungsrechner ermöglicht die Auswertung der Daten nahezu in Echtzeit. Da nur die Analyse-Ergebnisse zur Erde geschickt werden, reduziert sich das zu übertragende Datenvolumen um das 30.000-fache, und die Übertragungszeit sinkt drastisch. Dazu noch ein Beispiel: Im März 2022 benötigte die Übertragung von 2,8 GB biowissenschaftlicher Daten von der ISS zur Erde etwa 18 Stunden – Spaceborn-2 verarbeitet diese Daten an Bord der ISS zu 92 KB, und deren Übertragung zur Erde dauerte etwa 2 Sekunden.

In 13 Monaten vom Reißbrett ins All

Die erste Iteration des HPE Spaceborne Computer, der rückwirkend als HPE Spaceborne Computer-1 bezeichnet wird, war eines der zeitlich am stärksten eingeschränkten Projekte, mit denen HPE je konfrontiert war. Von Null bis zur Schwerelosigkeit in 13 Monaten. Letztendlich wurden einige Komponenten und Ideen verworfen.

Spaceborn-2 verfügt nun über 10-Gigabit-Ethernet. Und obwohl HPE USB-Anschlüsse an der Hardware von Rechenzentren im Allgemeinen als Schwachstelle betrachtet, kommt die Raumstation nicht ohne aus. Dem Computer wurden externe USB-Anschlüsse hinzugefügt.

Der HPE Spaceborne Computer-2 wurde außerdem mit einem aktualisierten Betriebssystem, mit Software zur Unterstützung der NASA-Raumfahrt und neuer Systemsicherheit ausgestattet. An Bord der Raumstation wird der Zustand des Computers laufend überwacht, um die Leistung unter den rauen Bedingungen des Weltraums zu bewerten.

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