O alvorecer de uma nova era espacial e a promessa de queda nos custos de lançamento fazem com que muitos procurem mudar a computação do planeta para a órbita.

No limite, startups e bilionários da tecnologia estão considerando a implementação de data centers no espaço, um desafio que enfrenta muitos obstáculos. Independentemente desses esforços elevados, a indústria tradicional de satélites também está adotando semicondutores mais novos e poderosos, com quantidades recordes de computação enchendo os céus.

"É exponencial", disse o arquiteto de sistemas espaciais da AMD, Ken O'Neill, à DCD. "Há muita computação subindo".

Quão baixo você pode ir?

O'Neill passou os últimos 20 anos desenvolvendo hardware para o setor espacial e diz que nos últimos anos houve uma diferença marcante. Graças à SpaceX liderar uma redução dramática nos custos de lançamento, o número de satélites colocados em órbita disparou, assim como seus requisitos individuais.

A maioria desses lançamentos agora é para constelações de órbita terrestre baixa (LEO) que atendem aos esforços globais da Internet, principalmente o próprio serviço Starlink da SpaceX. A proximidade com o planeta permite menor latência e a capacidade de captar sinais mais fracos (incluindo celulares), mas vem com uma desvantagem óbvia.

Com os satélites tão próximos, eles perdem a linha de visão para o usuário final rapidamente, necessitando da vasta rede de sistemas que a Starlink e outros estão implementando. "Então agora você tem que lidar com coisas como reticulação e a transferência do sinal", diz O'Neill.

"Nas comunicações celulares no solo, isso foi resolvido há algumas décadas. Mas fazendo isso no espaço, você precisa ter a potência de computação para fazer essas transferências, bem como a capacidade de transferência".

Essa computação adicional precisa estar em "uma forma tolerante à radiação e de forma que não consuma muita energia e gere muito calor para causar problemas térmicos maciços nos satélites".

Em LEO, os satélites enfrentam uma enxurrada de radiação. "É um ambiente muito rico em prótons", diz O'Neill. "E os prótons podem causar transtornos nos registros de configuração, podem até causar travamentos em certos circuitos integrados".

A necessidade de ser mais tolerante à radiação também empurrou a indústria para um hardware mais novo, pois, quanto menor o nó do processo, menor a tensão operacional.

"A redução da tensão operacional torna você menos suscetível a efeitos destrutivos", explica O'Neill. Um problema, um único evento trava, faz com que o satélite conduza muita corrente da energia para o terra através do circuito integrado, potencialmente fritando-a.

"À medida que você reduz a tensão operacional, você ultrapassa um limite além do qual não obterá travas de evento único". Os circuitos integrados modernos são muito menos suscetíveis a essas travas de evento único, mas não são completamente imunes.

"Embora o núcleo do circuito possa estar operando em uma tensão muito baixa, 0,7 ou 0,8 volts, você ainda tem circuitos de E / S no circuito integrado que podem ser necessários para interoperar com outros ICs a 3,3 volts ou 2,5 volts", acrescenta O'Neill.

Recebendo doses

Embora a destruição de um único satélite possa ser extremamente cara, muito mais preocupante é o risco de efeitos da dose total, o que afetaria todos os satélites com o mesmo design na mesma taxa.

"O que acontece com os CMOS [semicondutores] durante a exposição de longa duração à radiação é que os limites de tensão dos transistores mudam", diz O'Neill. "E assim os transistores ficarão mais lentos e também ficarão mais vazados, consumindo mais energia. Com o CMOS moderno, isso tende a ser menos preocupante do que com as peças CMOS mais antigas".

Isso significa que, mesmo para chips de gerenciamento de energia ou outros componentes que não são intensivos em computação, é preferível um hardware mais moderno. "Se todos os satélites têm esse problema e todos falham na mesma proporção, então há uma falha comum", diz O'Neill.

"Agora isso não está acontecendo, pelo menos até onde sabemos, com nenhuma das constelações que foram implementadas até agora. As pessoas estão obviamente sendo muito cuidadosas, mas você tem que entrar nisso com os olhos abertos e apenas ter certeza de que não está projetando com peças com um problema de dose total”.

Esse desafio de radiação é "o motivo pelo qual você não pode simplesmente voar qualquer coisa antiga no espaço", diz ele. "Uma solução de computação pode estar funcionando muito bem no solo, mas sobreviverá aos efeitos da radiação? Isso não é uma coisa trivial de resolver".

Mesmo com hardware reforçado por radiação, a redundância no nível do sistema é uma obrigação. A maioria dos satélites tem três cópias do mesmo circuito fazendo a mesma coisa ao mesmo tempo e, em seguida, votando no resultado - auto-corrigindo se houver um erro.

Outra abordagem é ter mais computação em um sistema e fazer a mesma carga de trabalho três vezes simultaneamente - que é o que o supercomputador HPE Spaceborne fez na ISS, protegida contra radiação.

Sem ar-condicionado no espaço

Com qualquer um dos métodos, você ainda enfrenta outro desafio - como resfriar os chips.

"Não há ar-condicionado no espaço", lembra O'Neill. "Então, ventiladores de resfriamento, você tem que lidar com resfriamento condutivo", essencialmente usando um radiador para irradiar o calor como infravermelho.

Isso significa que a capacidade de um satélite resfriar é proporcional ao seu tamanho. "Quanto maior for o satélite, mais você pode dissipar o calor. Mas quanto maior o satélite, mais caro é construir e lançar."

Os satélites maiores também são geralmente maiores por um motivo - com óptica ou antenas, ou outros requisitos que podem exigir energia e produzir calor.

Embora os data centers terrestres tenham visto os pontos de design térmico (TDPs) do chip dispararem, esse limite térmico fundamental torna um desafio de densificação semelhante.

"Ter 800 watts em um único dispositivo - isso está muito além do limite da morte para a maioria dos clientes espaciais", diz O'Neill. "Há limites para quanta energia pode ser concentrada em um único circuito integrado antes que se torne impraticável usá-lo”.

"Existem limitações físicas na faixa de mais de 100 a 200 watts. Não vou dizer impossível, vou dizer impraticável porque sempre há maneiras de fazer as coisas, mas elas vêm com custos exponencialmente crescentes e complexidade exponencialmente crescente, e potencialmente com preocupações de confiabilidade que também precisam ser abordadas".

Um data center espacial de 5 GW?

Uma nova indústria de aspirantes espaciais surgiu com a visão de quebrar esse limite implantando satélites verdadeiramente maciços. A Starcloud, que arrecadou dezenas de milhões, espera um dia implementar um data center espacial de 5 GW - o que, segundo ela, exigiria um radiador de 2 km quadrados.

Para que esta e outras abordagens de grande escala sejam bem-sucedidas, é necessário que os custos de lançamento caiam mais uma ordem de magnitude.

Um whitepaper da Starcloud indica que a empresa tem custo de lançamento de 30 dólares (165 reais) /kg para atingir seu valor de implementação de 8,2 milhões de dólares (45,3 milhões de reais) /40 MW, mas os custos estão atualmente em torno de 1.520 dólares (8.405 reais) /kg no Falcon Heavy.

A Starship da SpaceX espera trazer isso para cerca de 150 dólares (829 reais) / kg para foguetes de uso único e, potencialmente, 10-30dólares (55-165 reais) / kg, uma vez que seja reutilizável e os custos de fabricação tenham caído. Ele também será capaz de transportar satélites maiores inteiros.

Nove voos de teste até agora terminaram em explosões, com um décimo na semana passada não conseguindo sair da plataforma de lançamento. Cada um rendeu informações cruciais, mas ainda é muito cedo para saber quando atenderá aos clientes, nem quanto custará.

Mesmo enquanto esperamos que essa mudança geracional ocorra, o setor de satélites está em uma reviravolta na computação.

"A grande mudança que estou percebendo é a reconfigurabilidade e a reprogramabilidade da computação", diz O'Neill. "Historicamente, quando uma grande quantidade de computação estava sendo implantada no espaço, isso foi feito com um grande número de ASICs".

Tomando o exemplo dos satélites de comunicação regenerativa, essas empresas construíram ASICs para fazer o processamento de comunicações como uma peça de hardware de função fixa. "Qualquer mudança no protocolo de comunicação simplesmente não pode ser acomodada", diz ele. "E como as coisas estão se transformando é que essas classes de satélites agora estão tentando fazer tudo o que podem para torná-los configuráveis em voo, para que possam acomodar mudanças nas atualizações do protocolo de comunicação e nas formas de onda de comunicação, coisas assim”.

"Eles querem ter a taxa de transferência de computação, mas em vez de ter uma função fixa, reconfigurá-la", diz O'Neill, observando convenientemente que os SOCs de nível espacial Versal da AMD podem fazer exatamente isso.

"Estamos chegando à era dos satélites definidos por software. Agora posso reprogramá-lo e reconfigurá-lo, brincar com ele no modelo terrestre, acertar e implementar a mudança no espaço - sem alterar o satélite”.