อดีตวิศวกร NASA: การสร้างศูนย์ข้อมูลในอวกาศคือความคิดที่แย่ที่สุดที่ฉันเคยได้ยิน

อดีตวิศวกรนาซาและผู้เชี่ยวชาญด้านคลาวด์ของ Google อธิบายว่าเหตุใดการสร้างศูนย์ข้อมูลในอวกาศจึงเป็นแนวคิดที่ไม่สมจริงอย่างสมบูรณ์ซึ่งท้าทายในทุกสิ่งตั้งแต่การกระจายพลังงานและความร้อนไปจนถึงความทนทานต่อรังสี บทความนี้ได้มาจากบทความที่เขียนโดย Taranis และได้รับการรวบรวมรวบรวมและเขียน (เรื่องย่อ: ชายคนนี้ต้องการส่งเครื่องขุด bitcoin สู่อวกาศ: แสงแดดไม่ จํากัด + ค่าทําความเย็นเป็นศูนย์เป็นเมกกะการขุด BTC) (เสริมพื้นหลัง: ย้ายเขื่อน Three Gorges สู่อวกาศ) จีนวางแผนที่จะสร้างสถานีอวกาศพลังงานแสงอาทิตย์และมนุษยชาติจะต้อนรับอิสรภาพด้านพลังงานหรือไม่? เพื่อชี้แจงฉันเป็นอดีตวิศวกร / นักวิทยาศาสตร์ของ NASA ที่มีปริญญาเอกด้านอิเล็กทรอนิกส์อวกาศ ฉันยังทํางานที่ Google มา 10 ปีโดยทํางานในส่วนต่างๆของ บริษัท รวมถึง YouTube และแผนกคลาวด์ที่รับผิดชอบในการปรับใช้พลังการประมวลผล AI ดังนั้นฉันจึงมีคุณสมบัติที่จะพูดในหัวข้อนี้ พูดง่ายๆก็คือนี่เป็นความคิดที่แย่มากและมันไม่สมเหตุสมผลเลย มีเหตุผลหลายประการสําหรับเรื่องนี้ แต่บรรทัดล่างคืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จําเป็นในการทําให้ศูนย์ข้อมูลทํางานได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่ปรับใช้พลังการประมวลผล AI ในรูปแบบของ GPU และ TPU นั้นไม่เหมาะที่จะทํางานในอวกาศ หากคุณไม่เคยทํางานในสาขานี้มาก่อนฉันเตือนไม่ให้ตั้งสมมติฐานที่ใช้งานง่ายเพราะความเป็นจริงของการทําให้ฮาร์ดแวร์อวกาศใช้งานได้จริงในอวกาศไม่จําเป็นต้องชัดเจน เหตุผลอันดับหนึ่งที่ผู้คนต้องการทําเช่นนี้ดูเหมือนว่ามีไฟฟ้ามากมายในอวกาศ นี่ไม่ใช่กรณี โดยทั่วไปคุณมีเพียงสองตัวเลือก: พลังงานแสงอาทิตย์และนิวเคลียร์ พลังงานแสงอาทิตย์หมายถึงการปรับใช้แผงโซลาร์เซลล์ที่มีโฟโตเซลล์ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเทียบเท่ากับอุปกรณ์บนหลังคาบ้านของฉันในไอร์แลนด์ในอวกาศ มันใช้งานได้ แต่ก็ไม่ได้ดีกว่าการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์บนพื้นดินอย่างน่าอัศจรรย์ - คุณจะไม่สูญเสียไฟฟ้าผ่านชั้นบรรยากาศมากนักดังนั้นสัญชาตญาณของคุณเกี่ยวกับพื้นที่ที่ต้องการจึงถูกต้อง แผงโซลาร์เซลล์ที่ใหญ่ที่สุดที่เคยนําไปใช้ในอวกาศคือระบบสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ซึ่งให้พลังงานมากกว่า 200kW ที่จุดสูงสุด สิ่งสําคัญคือต้องพูดถึงว่าการปรับใช้ระบบต้องใช้เที่ยวบินกระสวยอวกาศหลายเที่ยวบินและงานจํานวนมาก — ประมาณ 2,500 ตารางเมตร ซึ่งมากกว่าครึ่งหนึ่งของสนามอเมริกันฟุตบอล การใช้ NVIDIA H200 เป็นข้อมูลอ้างอิงความต้องการพลังงานของอุปกรณ์ GPU แต่ละเครื่องอยู่ที่ประมาณ 0.7kW ต่อชิป สิ่งเหล่านี้ไม่สามารถทํางานคนเดียวได้และการแปลงพลังงานไม่ได้มีประสิทธิภาพ 100% ดังนั้น 1kW ต่อ GPU อาจเป็นเกณฑ์มาตรฐานที่ดีกว่า ด้วยเหตุนี้ อาร์เรย์ขนาดใหญ่ขนาด ISS จึงสามารถจ่ายไฟให้กับ GPU ได้ประมาณ 200 ตัว ฟังดูเหมือนมาก แต่เรามาดูกันดีกว่า: ศูนย์ข้อมูลที่กําลังจะมาถึงของ OpenAI ในนอร์เวย์มีจุดประสงค์เพื่อรองรับ GPU 100,000 ตัวซึ่งแต่ละตัวมีแนวโน้มที่จะหิวพลังงานมากกว่า H200 ในการเข้าถึงความจุนี้คุณต้องเปิดตัวดาวเทียมขนาด ISS 500 ดวง จากการเปรียบเทียบชั้นวางเซิร์ฟเวอร์เดียว (เช่นยอดขายที่กําหนดค่าไว้ล่วงหน้าของ NVIDIA) จะมี GPU 72 ตัวดังนั้นดาวเทียมขนาดยักษ์แต่ละดวงจึงเทียบเท่ากับชั้นวางเพียงสามชั้นเท่านั้น พลังงานนิวเคลียร์จะไม่ช่วยเช่นกัน เราไม่ได้พูดถึงเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่นี่ - เรากําลังพูดถึงเครื่องกําเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกไอโซโทปรังสี (RTGs) ซึ่งมีกําลังขับทั่วไปประมาณ 50W - 150W ดังนั้นจึงไม่เพียงพอที่จะเรียกใช้ GPU ตัวเดียวแม้ว่าคุณจะสามารถโน้มน้าวให้ใครบางคนให้พลูโทเนียมแบบ subcritical แก่คุณและอย่ารังเกียจว่าคุณมีโอกาสหลายร้อยครั้งที่จะแพร่กระจายไปทั่วพื้นที่กว้างเมื่อเปิดตัวยานพาหนะเพื่อระเบิดการทําลายตัวเอง ระบบควบคุมความร้อนขั้นสูงของ ISS (Boeing) ฉันเคยเห็นคนจํานวนไม่น้อยแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับแนวคิดนี้ว่า “พื้นที่เย็นดังนั้นการระบายความร้อนจะง่ายใช่ไหม” เรอ ไม่ใช่ ไม่จริง การระบายความร้อนบนโลกนั้นค่อนข้างง่าย การพาความร้อนของอากาศทํางานได้ดี - ปล่อยให้อากาศพัดผ่านพื้นผิวโดยเฉพาะอย่างยิ่งแผ่นระบายความร้อนที่ออกแบบด้วยอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรขนาดใหญ่สามารถถ่ายเทความร้อนจากแผ่นระบายความร้อนไปยังอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากคุณต้องการความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่าการระบายความร้อนโดยตรง (และ GPU กําลังสูงตกอยู่ในหมวดหมู่นี้อย่างแน่นอน) คุณสามารถใช้การระบายความร้อนด้วยของเหลวเพื่อถ่ายเทความร้อนจากชิปไปยังฮีทซิงค์ / ฮีทซิงค์ขนาดใหญ่ที่อื่น ในศูนย์ข้อมูลบนโลกมักจะมีการตั้งค่ารอบการทําความเย็นซึ่งเครื่องจักรจะถูกทําให้เย็นลงด้วยสารหล่อเย็น (โดยปกติคือน้ํา) ซึ่งจะถูกสูบไปรอบ ๆ ชั้นวางดึงความร้อนและคืนสารหล่อเย็นกลับสู่วงจร โดยปกติแล้วสารหล่อเย็นจะถูกทําให้เย็นลงในอากาศโดยการพาความร้อนดังนั้นนั่นคือวิธีการทํางานบนโลก ในอวกาศไม่มีอากาศ สภาพแวดล้อมอยู่ใกล้กับสูญญากาศสูญญากาศสัมบูรณ์และไม่มีความแตกต่างในทางปฏิบัติดังนั้นการพาความร้อนจึงไม่เกิดขึ้นเลย เมื่อพูดถึงวิศวกรรมอวกาศเรามักจะคิดถึงการจัดการความร้อนไม่ใช่แค่การระบายความร้อน ความจริงก็คือพื้นที่นั้นไม่มีอุณหภูมิ เฉพาะสารที่มีอุณหภูมิ สิ่งนี้อาจทําให้คุณประหลาดใจ แต่ในระบบโลก - ดวงจันทร์อุณหภูมิเฉลี่ยของเกือบทุกอย่างนั้นเหมือนกับอุณหภูมิเฉลี่ยของโลกเพราะนั่นเป็นสาเหตุที่โลกมีอุณหภูมิเฉพาะนั้น หากดาวเทียมหมุนคล้ายกับไก่บนตะแกรงมันมักจะรักษาอุณหภูมิที่สม่ําเสมอใกล้เคียงกับพื้นผิวโลก หากไม่หมุนด้านข้างที่หันหน้าออกจากดวงอาทิตย์จะค่อยๆเย็นลงประมาณ 4 เคลวินเนื่องจากข้อ จํากัด ของพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาลซึ่งสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เล็กน้อย ด้านแดดจัดสถานการณ์จะค่อนข้างร้อนถึงหลายร้อยองศาเซลเซียส ดังนั้นการจัดการความร้อนจึงต้องการการออกแบบอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าความร้อนจะถูกนําไปยังที่ที่ต้องการอย่างระมัดระวัง เนื่องจากไม่มีการพาความร้อนในสุญญากาศจึงสามารถทําได้โดยการนําไฟฟ้าหรือปั๊มความร้อนบางชนิดเท่านั้น ฉันได้ออกแบบฮาร์ดแวร์อวกาศเพื่อบินในอวกาศ ในกรณีหนึ่งผมออกแบบระบบกล้องที่มีขนาดเล็กและน้ําหนักเบามากในขณะที่ยังคงให้ความสามารถในการถ่ายภาพระดับวิทยาศาสตร์ การจัดการความร้อนเป็นหัวใจสําคัญของกระบวนการออกแบบ ต้องเป็นกรณีนี้เนื่องจากพลังงานขาดแคลนสําหรับยานอวกาศขนาดเล็กและต้องจัดการความร้อนในขณะที่รักษามวลให้น้อยที่สุด ดังนั้นสําหรับฉันไม่มีปั๊มความร้อนหรือสิ่งที่แฟนซี : ฉันไปในทิศทางอื่น ๆ และออกแบบระบบที่จะใช้ประมาณ 1 วัตต์ที่จุดสูงสุดและลงไปประมาณ 10% เมื่อกล้องไม่ได้ใช้งาน ไฟฟ้าทั้งหมดนี้จะถูกแปลงเป็นความร้อนดังนั้นหากฉันใช้เพียง 1 วัตต์เมื่อถ่ายภาพแล้วปิดเซ็นเซอร์ภาพทันทีที่ข้อมูลเข้าสู่ RAM ฉันสามารถลดการใช้พลังงานลงครึ่งหนึ่งจากนั้นเมื่อดาวน์โหลดภาพลงในคอมพิวเตอร์เที่ยวบินฉันสามารถปิด RAM ลดการใช้พลังงานให้อยู่ในระดับที่ค่อนข้างเล็ก การจัดการความร้อนเพียงอย่างเดียวที่จําเป็นคือการยึดขอบของบอร์ดเข้ากับชั้นวางเพื่อให้ชั้นทองแดงภายในบอร์ดสามารถถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นได้ การระบายความร้อนแม้แต่ H200 เดียวจะเป็นฝันร้ายอย่างแน่นอน เห็นได้ชัดว่าฮีทซิงค์และพัดลมจะไม่ทํางานเลย แต่มี H200 รุ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว สมมติว่าใช้เวอร์ชันนี้ ความร้อนนี้จะต้องถูกถ่ายโอนไปยังแผงระบายความร้อน - มันไม่เหมือนกับหม้อน้ําในรถของคุณจําไว้ว่าไม่มีการพาความร้อน? มันต้องแผ่ความร้อนออกสู่อวกาศ สมมติว่าเราสามารถชี้มันออกไปจากดวงอาทิตย์ได้ ระบบควบคุมความร้อนแบบแอคทีฟ (ATCS) บนสถานีอวกาศนานาชาติเป็นตัวอย่างของระบบควบคุมความร้อนดังกล่าว นี่เป็นระบบที่ซับซ้อนมากที่ใช้วงจรระบายความร้อนด้วยแอมโมเนียและระบบแผ่นกระจายความร้อนขนาดใหญ่ มีขีด จํากัด ความร้อน 16kW ดังนั้น GPU ประมาณ 16 H200 ซึ่งมากกว่าหนึ่งในสี่ของชั้นวางบนพื้นดินเล็กน้อย ระบบแผงรังสีความร้อนมีขนาด 13.6 ม. x 3.12 ม. ซึ่งมีขนาดประมาณ 42.5 ตารางเมตร หากเราใช้ 200kW เป็นเกณฑ์มาตรฐานและสมมติว่าพลังงานทั้งหมดนี้จะไปที่ GPU เราต้องการระบบที่ใหญ่กว่า 12.5 เท่าเช่น ประมาณ 531 …