Когда дата-центры в космосе станут реальностью

Искусственный интеллект, доступный практически каждому на Земле, значительно трансформировал сферу вычислительных услуг. Мощности существующих дата-центров не хватает, при том что им уже требуется около 1% всей электроэнергии в мире. А к 2030 году их потребление может вырасти до 80 ГВт, в то время как в 2024-м оно составляло всего 25 ГВт, согласно данным McKinsey. В отрасли есть и другие проблемы. Например, низкая эффективность использования энергии (PUE), углеродный след в виде выбросов СО₂. И даже неурядицы с выбором подходящей площадки — в одних странах строительство дата-центров строго регулируется, а в других нет доступа к мощной энергетической инфраструктуре. 

В поисках альтернативных устойчивых решений такие крупные игроки, как Google, Amazon, Microsoft и Digital Realty, инвестируют в возобновляемые источники энергии, применяют естественное охлаждение подземных источников и ИИ для управления энергопотреблением. Но в будущем можно ожидать более радикальных методов, к примеру, строительства центров обработки данных в космосе. Сегодня это звучит как нечто фантастическое, но разве не такой же казалась когда-то идея полета человека в космос? 

Почему возникла идея строить дата-центры в космосе

Частные компании демократизировали доступ в космос, положили начало новой эпохе (New Space) и ускорили процесс освоения космоса человеком. Теперь они строят ракеты, спутники, космические станции и организуют коммерческие перелеты. Большую роль в развитии космического туризма сыграла компания SpaceX, которая практикует повторное использование ракет, что снижает стоимость запусков. И то, что раньше было дорого и привилегией крупнейших национальных агентств, теперь могут реализовать предприниматели и энтузиасты с космическими (в прямом смысле) амбициями. 

С одной стороны, космос стал более доступным. С другой — его изучение продолжается. И немаловажную роль в этом играют спутники и автономные космические аппараты, собирающие огромные объемы данных. А ИИ-инструменты помогают с их фильтрацией и поиском наиболее ценных с научной точки зрения, прежде чем отправлять на Землю. Но в целом задача обработки, хранения и транспортировки информации остается сложной и ресурсозатратной, в том числе с учетом энергопотребления. Поэтому перенос таких операций в космос мог бы снизить нагрузку на каналы передачи данных и ускорить реакцию на Земле в критических ситуациях. Например, некоторые данные важно получить в режиме реального времени — когда нужно оперативно действовать в связи с надвигающимся наводнением или извержением вулкана.

Рост нагрузки, связанный с искусственным интеллектом, требует не просто больше серверов, а более мощных процессоров, сейчас активно потребляющих энергию и сильно нагревающихся. Наземные площадки скоро не смогут удовлетворить спрос на вычисления, в то время как в космосе есть практически неограниченный доступ к экологически чистой солнечной энергии. Размещенные в космосе панели могли бы улавливать и накапливать ее еще эффективнее, чем на Земле, обеспечивая питанием орбитальные дата-центры.

По данным Международной энергетической ассоциации, на существующие дата-центры приходится около 0,6% мировых выбросов парниковых газов. А в P&S Intelligence подсчитали, что треть потребляемой дата-центром энергии идет на поддержание работы его системы охлаждения. Перегрев оборудования требует активного охлаждения, которое само по себе привлекает дополнительные ресурсы. В результате растет не только общее энергопотребление дата-центра, но и увеличиваются выбросы CO₂ из-за сжигания ископаемого топлива. Особенно сильно нагреваются новые процессоры с поддержкой искусственного интеллекта, для которых традиционное воздушное охлаждение уже становится неэффективным. В Morgan Stanley предупреждают, что к 2030 году выбросы углекислого газа, источником которых прямо и косвенно будут дата-центры с постоянно растущим энергопотреблением, могут достичь 2,5 млрд тонн.

Важность охлаждения в инфраструктуре дата-центра демонстрируют недавние примеры. В июле 2022 года в Лондоне вследствие рекордной жары — выше 40°C — отказали системы охлаждения, что привело к сбоям в работе дата-центров Google и Oracle. А спустя два месяца жара остановила дата-центр Twitter в Сакраменто. Эти инциденты показывают, насколько уязвимыми могут быть традиционные инфраструктуры перед экстремальными климатическими условиями.

Многие крупные операторы уже взяли курс на декарбонизацию. Но их усилия, вероятно, будут компенсированы стремительным ростом количества нагрузок, связанных с искусственным интеллектом, и даже переход на зеленую энергетику может не успеть за увеличением вычислительных потребностей. Поэтому корпорации уже ищут новые площадки для строительства дата-центров и альтернативные источники энергии. Размещение вычислительных мощностей в космосе может стать решением этой проблемы. Дата-центры получат доступ к постоянному источнику энергии, а их негативное влияние на атмосферу Земли уменьшится благодаря тому, что энергоемкие процессы вынесут за пределы планеты.

Но есть и другие преимущества. Низкие температуры и способность эффективно рассеивать тепло в вакууме помогут решить острую проблему охлаждения серверов. А отправка данных по лазерным линиям передачи выглядит более безопасной, чем по подводным оптоволоконным кабелям. Как показали недавние события, глубинная прокладка кабелей не защищает их от диверсий: перерезанные в Красном море четыре кабеля (инцидент случился в январе 2025 года) повлияли на 25% трафика в Африке, Азии и на Ближнем Востоке.

Как может быть реализован дата-центр в космосе?

Орбитальные дата-центры, вероятно, будут с мощным оборудованием, включая DPU (специальные процессоры для обработки данных), устройства для развертывания сетей и графические карты, хорошо зарекомендовавшие себя в задачах искусственного интеллекта, машинного обучения, аналитики и прогнозирования. Аппаратные компоненты могут размещаться в отдельном модуле, прикрепленном к спутнику, а питание обеспечат батареи, аккумулирующие энергию солнечного света. 

Недавно в Европейском космическом агентстве описали три возможных сценария реализации дата-центров в космосе. В первом два спутника размещают на одной орбите — один собирает данные, а второй их обрабатывает, то есть выполняет функцию дата-центра. Это позволит обойтись без отправки данных на Землю, как это происходит сейчас в большинстве случаев. 

Во втором сценарии тоже участвуют два спутника: один располагается на низкой околоземной орбите, а второй — на геостационарной. Из-за технических особенностей первый не может непрерывно передавать данные на Землю, поэтому это делает второй, геостационарный, но после предварительной обработки данных. Таким образом обеспечивается постоянная и стабильная связь, даже если наблюдательный спутник перемещается очень быстро и уходит из зоны видимости наземных станций.

Третий сценарий предполагает, что функцию космического дата-центра будет выполнять лунный посадочный модуль. Ему предстоит обрабатывать данные, переданные марсоходами и лунными роверами, автономно исследующими поверхности небесных тел.

Передавать данные в космос в режиме онлайн — задача, которую еще надо решить

Постоянная отправка данных из космического дата-центра на Землю и обратно грозит стать серьезной проблемой. Сейчас обеспечивать передачу данных в режиме реального времени лучше всего получается у геостационарных и ретрансляционных спутников. Но как им это делать наилучшим образом, чтобы избежать потерь и обеспечить приемлемую скорость при работе с орбитальным вычислительным центром, — еще предстоит выяснить.

Наиболее реалистично выглядит идея использовать лазерные системы связи для спутниковых сетей (Laser Communications Relay Demonstration, LCRD), которые уже тестируют NASA и несколько частных компаний. Отправку и прием данных осуществляют невидимые инфракрасные лазеры, благодаря которым стандартная пропускная способность возрастает в 10-100 раз в сравнении с традиционными радиочастотными системами. Также у системы лазерной связи меньше вес и требования к питанию, а уменьшенная мощность означает более экономный расход заряда батарей. Первым пользователем LCRD стал терминал ILLUMA-T, в виде полезной нагрузки размещенный на МКС. Он генерировал научные данные высокого разрешения и передавал их на наземную станцию. Спустя несколько экспериментальных операций удалось достичь впечатляющей скорости передачи — 200 Гбит/с!

Не только NASA, компания Google также видит большие перспективы в транспортировке космических данных с помощью лазерной интернет-сети. Ее IT-корпорация собирается построить в рамках проекта Taara, чтобы обеспечить связью отдаленные регионы. Но учитывая, что сейчас у компании уже более сотни наземных дата-центров, ее амбиции вполне могут распространиться и на космическое пространство.

Первые дата-центры в космосе: будущее наступает

В феврале 2025 года компания Lonestar Data Holdings отправила на Луну систему хранения данных, размещенную в корпусе размером с коробку для обуви. Полезная нагрузка в виде центра обработки данных Freedom прибыла на естественный спутник Земли на борту посадочного модуля Athena компании Intuitive Machines. Президент Lonestar Стив Эйзель считает, что, «в конечном итоге, Луна может быть самым безопасным местом, где можно хранить резервную копию своих данных». По его словам, в такое хранилище не проникнуть третьим лицам, его сложно взломать программным способом, к тому же оно защищено от стихийных бедствий, отключений электроэнергии и военных действий.

Система Lonestar получила 8 Тб памяти, а заряда ее батарей хватит на пару недель, прежде чем наступит лунная ночь, температура резко упадет, а солнечная энергия исчерпается. Но даже этого достаточно для проверки жизнеспособности идеи загрузки и выгрузки данных, а также работы протоколов безопасной их передачи на Луне. В 2027 году Lonestar планирует запустить еще одну коммерческую систему хранения данных и расположить ее в 65 000 км от Луны. Она будет обслуживать одну из спутниковых группировок и получит постоянный доступ к собираемым нею данным.

Другая компания, Axiom Space, известная своими короткими коммерческими миссиями на МКС, решила разместить на станции прототип сервера. К концу текущего года она хочет вывести на орбиту два дата-центра, которые будут обрабатывать данные спутниковой оптической сети Kepler Communications. Их уже используют в оборонных целях, для обеспечения миссий в космос и наблюдения за Землей. А до 2027 года Axiom Space намерена развернуть вычислительный узел на борту собственного модуля. Ожидается, что ее орбитальный вычислительный центр будет собирать и обрабатывать данные от нескольких спутников в режиме реального времени, и анализировать их с помощью искусственного интеллекта. 

По мнению Джейсона Аспиотиса, директора по космическим данным и безопасности в Axiom, у центров обработки данных в космосе будут разные варианты использования, что особенно важно и для национальной безопасности, и для научных приложений. Также, по его словам, вычислительные мощности в космосе помогут сократить затраты космических агентств и отдельных компаний, ведь им не понадобится оплачивать передачу больших массивов данных на Землю. 

Аналогично ставку на обработку данных в космосе делает Starcloud (ранее известная как Lumen Orbit), которая занимается разработкой и развертыванием орбитальных дата-центров. Среди ее амбициозных планов — создание сети дата-центров в космосе и последующее масштабирование их мощности до нескольких гигаватт. В Starcloud считают, что именно так человечество удовлетворит потребность в вычислениях, растущую ввиду необходимости обучать большие модели искусственного интеллекта — такие как GPT-6. А пока Starcloud сотрудничает с NVIDIA, и при поддержке этого вендора собирается запустить в космос первый демонстрационный спутник с графическими процессорами, мощность которых в сто раз превосходит ранее используемые для этого чипы. Миссия намечена на июль 2025 года.

Вызовы и ограничения

Для стабильной работы в условиях космоса дата-центры должны соответствовать ряду специфических требований, получать достаточно солнечной энергии для питания и быть экономически выгодными. То есть с их развертыванием и эксплуатацией тоже есть сложности, но характер этих проблем отличается от тех, что возникают на Земле. 

Солнечная энергия в космосе бесплатна и всегда доступна, однако еще нет успешных примеров ее использования для энергоснабжения инфраструктуры, даже если речь идет о небольших дата-центрах. Их работе могут угрожать противоспутниковые ракеты и ядерные взрывы, но в наибольшей степени — космический мусор, объемы которого растут экспоненциально. От него не всегда можно защититься или уклониться даже с помощью специальных конструкций. Аналогичная ситуация с солнечными частицами, способными повредить чувствительную электронику. Чтобы не допустить этого, в Axiom планируют использовать военное оборудование, адаптированное для работы в экстремальных условиях. А в Lonestar — защищать свое оборудование от солнечной радиации, размещая дата-центры в лавовых трубках под поверхностью Луны. 

Даже если космические дата-центры расположатся на низкой околоземной орбите (LEO), ее необходимо будет постоянно корректировать. Все вследствие атмосферного торможения и гравитационных возмущений, из-за которых космический аппарат будет плавно снижаться. Чтобы удержаться на заданной орбите, традиционные ракетные двигатели (это они отвечают за маневры, и соответственно, коррекцию орбиты) расходуют много топлива, а это дорого и заметно увеличивает вес космического аппарата. Выходом может стать переход на электрические двигатели, работа которых основана на эффекте Холла. Они с минимальными затратами придают двигателю кинетическое ускорение, достаточное для орбитальных маневров и поддержания орбиты. 

Такие двигатели уже проектирует и производит SETS (Space Electric Thruster Systems), которая входит в группу проектов Noosphere, основанную Максом Поляковым. Эти разработки дополнительно решают ряд других задач: уменьшают вес космического аппарата, сокращают количество мусора благодаря уходу от столкновений и снижают стоимость запусков. При этом SETS индивидуально настраивает двигательные системы для каждой миссии, то есть потенциально их можно использовать для поддержания орбиты спутников, которые в качестве полезной нагрузки несут космические дата-центры. 

Несмотря на серьезные вызовы и ограничения, интерес к выносу вычислительных мощностей за пределы Земли неуклонно растет. По мнению Доменико Вичинанца, доцента Университета Англии Раскина, полноценное перемещение дата-центров в космос все еще сравнимо с полетом человека на Луну. В целом сложные условия на орбите неизменно вызывают опасения в том, что касается стабильной работы таких объектов. Однако есть и поводы для оптимизма: уже сегодня частные компании и научные институты работают над технологиями, способными сделать космические дата-центры рядовым явлением в ближайшие несколько лет.