Las complejidades de la computación satelital

El amanecer de una nueva era espacial y la promesa de una caída en los costos de lanzamiento han hecho que muchos busquen trasladar la computación fuera del planeta y hacia la órbita.

En el extremo extremo, tanto startups como multimillonarios tecnológicos están considerando desplegar centros de datos en el espacio, un desafío que enfrenta numerosos obstáculos. A pesar de estos ambiciosos esfuerzos, la industria satelital tradicional también está adoptando semiconductores más nuevos y potentes, con cantidades récord de computación que inundan los cielos.

«Es exponencial», declara Ken O’Neill, arquitecto de sistemas espaciales de AMD, a DCD. «Hay muchísimos procesos computacionales en aumento».

¿Hasta dónde puedes llegar?

O’Neill ha dedicado los últimos 20 años al desarrollo de hardware para el sector espacial y afirma que en los últimos años se ha observado una marcada diferencia. Gracias a que SpaceX ha liderado una drástica reducción de los costes de lanzamiento, el número de satélites puestos en órbita se ha disparado, al igual que sus necesidades individuales.

La mayoría de estos lanzamientos se dirigen actualmente a constelaciones de órbita baja terrestre (LEO) que prestan servicios a iniciativas globales de internet, en particular al servicio Starlink de SpaceX. La proximidad al planeta permite una menor latencia y la capacidad de captar señales más débiles (incluidas las de móviles), pero conlleva una desventaja obvia.

Con los satélites tan cerca, pierden rápidamente la línea de visión del usuario final, lo que requiere la vasta red de sistemas que Starlink y otras empresas están implementando. «Así que ahora hay que lidiar con aspectos como la interconexión y la transferencia de la señal», afirma O’Neill.

En las comunicaciones celulares terrestres, esto se resolvió hace unas décadas. Pero para hacerlo en el espacio, se necesita la potencia informática necesaria para realizar esas transferencias, además de la capacidad de procesamiento necesaria.

Este cálculo adicional debe realizarse «en una forma tolerante a la radiación y de tal manera que no consuma demasiada energía ni genere demasiado calor como para causar problemas térmicos masivos en los satélites».

En órbita baja (LEO), los satélites se enfrentan a un aluvión de radiación. «Es un entorno muy rico en protones», afirma O’Neill. «Y los protones pueden causar alteraciones en los registros de configuración, incluso pueden causar bloqueos en ciertos circuitos integrados».

La necesidad de ser más tolerante a la radiación también ha impulsado a la industria hacia hardware más nuevo, ya que cuanto más pequeño sea el nodo de proceso, menor será el voltaje operativo.

«Reducir el voltaje de operación reduce la susceptibilidad a efectos destructivos», explica O’Neill. Un problema, un bloqueo de un solo evento, hace que el satélite conduzca mucha corriente de la fuente de alimentación a tierra a través del circuito integrado, lo que podría dañarlo.

Al reducir la tensión de funcionamiento, se supera un umbral más allá del cual no se producen bloqueos de eventos únicos. Los circuitos integrados modernos son mucho menos susceptibles a estos bloqueos de eventos únicos, pero no son completamente inmunes.

«Si bien el núcleo del circuito puede funcionar a un voltaje muy bajo, 0,7 o 0,8 voltios, aún existen circuitos de E/S en el circuito integrado que pueden requerir interoperabilidad con otros circuitos integrados a 3,3 o 2,5 voltios», añade O’Neill.

Recibir una dosis

Si bien la destrucción de un solo satélite puede ser enormemente costosa, mucho más preocupante es el riesgo de efectos de dosis total, que afectarían a todos los satélites con el mismo diseño al mismo ritmo.

«Lo que ocurre con los semiconductores CMOS durante la exposición prolongada a la radiación es que los umbrales de voltaje de los transistores cambian», afirma O’Neill. «Por lo tanto, los transistores se vuelven más lentos y presentan más fugas, consumiendo más energía. Con los CMOS modernos, esto suele ser menos preocupante que con los componentes CMOS más antiguos».

Esto significa que, incluso para chips de gestión energética u otros componentes que no requieren un uso intensivo de recursos computacionales, es preferible un hardware más moderno. «Si todos los satélites tienen este problema y fallan al mismo ritmo, entonces se produce un fallo común», afirma O’Neill.

«Eso no está sucediendo, al menos que sepamos, con ninguna de las constelaciones desplegadas hasta ahora. Obviamente, se está siendo muy cuidadoso, pero hay que analizarlo con atención y asegurarse de no diseñar piezas con un problema de dosis total».

Este desafío de la radiación explica por qué no se puede volar cualquier cosa en el espacio, afirma. «Una solución informática puede funcionar muy bien en tierra, pero ¿sobrevivirá a los efectos de la radiación? No es una cuestión trivial».

Incluso con hardware reforzado contra la radiación, la redundancia a nivel de sistema es imprescindible. La mayoría de los satélites tienen tres copias del mismo circuito que realizan la misma tarea simultáneamente y luego votan el resultado, corrigiéndose automáticamente si se produce un error.

Otro enfoque es tener más capacidad de procesamiento en un sistema y realizar la misma carga de trabajo tres veces simultáneamente, que es lo que hizo la supercomputadora HPE Spaceborne en la ISS, algo protegida de la radiación.

No hay aire acondicionado en el espacio

Con cualquiera de los dos métodos, todavía queda otro desafío: cómo enfriar los chips.

«No hay aire acondicionado en el espacio», recuerda O’Neill. «Así que, con los ventiladores, hay que lidiar con la refrigeración conductiva», que consiste básicamente en usar un radiador para irradiar el calor en forma de infrarrojos.

Esto significa que la capacidad de un satélite para enfriarse es proporcional a su tamaño. «Cuanto más grande es el satélite, más calor se puede disipar. Pero cuanto más grande es el satélite, más costoso es construirlo y lanzarlo».

Los satélites más grandes también suelen ser más grandes por una razón: tienen ópticas o antenas u otros requisitos que pueden requerir energía y producir calor.

Si bien los centros de datos terrestres han visto aumentar los puntos de diseño térmico (TDP) de los chips, esta capacidad térmica fundamental hace que una densificación similar sea todo un desafío.

«Tener 800 vatios en un solo dispositivo es una gran amenaza para la mayoría de los usuarios de la tecnología espacial», afirma O’Neill. «Existen límites a la cantidad de energía que se puede concentrar en un solo circuito integrado antes de que su uso se vuelva prácticamente inviable».

Existen limitaciones físicas en el rango de 100 a más de 200 vatios. No diré que sean imposibles, diré que no son prácticos porque siempre hay maneras de hacer las cosas, pero conllevan costos y complejidades que aumentan exponencialmente, y potencialmente, también conllevan problemas de confiabilidad que deben abordarse.

¿Un centro de datos espacial de 5 GW?

Ha surgido una nueva industria de aspirantes espaciales con la visión de superar este límite mediante el despliegue de satélites verdaderamente masivos. Starcloud, que ha recaudado decenas de millones, espera algún día desplegar un centro de datos espacial de 5 GW, lo que, según afirma, requeriría un radiador de 2 km².

Para que este y otros enfoques a gran escala resulten exitosos es necesario que los costos de lanzamiento caigan otro orden de magnitud.

Un informe técnico de Starcloud se basa en un costo de lanzamiento de $30/kg para alcanzar su cifra de implementación de $8,2 millones/40 MW, pero los costos actualmente rondan los $1,520/kg en el Falcon Heavy.

La nave espacial Starship de SpaceX espera elevar ese precio a unos 150 dólares por kilo para cohetes de un solo uso, y potencialmente a entre 10 y 30 dólares por kilo una vez que sea reutilizable y los costes de fabricación se hayan reducido. También podrá transportar satélites más grandes en una sola pieza.

Nueve vuelos de prueba han terminado en explosiones hasta la fecha, y un décimo, la semana pasada, no logró despegar de la plataforma de lanzamiento. Cada uno ha aportado información crucial, pero aún es demasiado pronto para saber cuándo prestará servicio a los clientes ni su coste.

Incluso mientras esperamos que se produzca ese cambio generacional, el sector satelital está viviendo una transformación informática.

«El gran cambio que estoy notando es la reconfigurabilidad y reprogramabilidad del cómputo», dice O’Neill. «Históricamente, cuando se desplegaba una gran cantidad de cómputo en el espacio, se hacía con un gran número de ASIC».

Tomando el ejemplo de los satélites de comunicación regenerativos, estas empresas han construido ASIC para procesar las comunicaciones como un hardware de función fija. «Cualquier cambio en el protocolo de comunicación simplemente no se puede adaptar», afirma. «Y la transformación que está experimentando este tipo de satélites es que ahora intentan hacer todo lo posible para que sean configurables en vuelo, de modo que puedan adaptarse a los cambios en las actualizaciones del protocolo de comunicación, las formas de onda de las comunicaciones, etc.»

«Quieren tener el rendimiento informático, pero en lugar de tener una función fija, tenerlo reconfigurable», dice O’Neill, señalando convenientemente que los SOC de grado espacial Versal de AMD pueden hacer exactamente eso.

Nos acercamos a la era de los satélites definidos por software. Ahora puedo reprogramarlo y reconfigurarlo, experimentar con él en el modelo terrestre, acertar y desplegar el cambio en el espacio, sin modificar el satélite.

Les estaremos informando con mucho más detalle, en el marco del informe especial: “Soluciones y productos de infraestructura para edificios y ciudades inteligentes (Sistemas BIM y BMS), POL (Passive Optical LAN). Seguridad integrada, video vigilancia y control de acceso. Casos de uso y aplicabilidad de cada solución y producto, incluyendo la colaboración digital (relacionado a realidad virtual sistema BIM) (Gemelos digitales). Buenas prácticas ambientales.», que estamos preparando para nuestra edición 216 y publicaremos en el mes de julio.

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