อดีตนักวิทยาศาสตร์ NASA ตบหน้ามัสก์! สร้างศูนย์ข้อมูลในอวกาศไร้สาระยิ่งกว่าภารกิจนักบินอวกาศ

อดีตวิศวกร NASA และผู้เชี่ยวชาญคลาวด์ของ Google Taranis ได้ออกมาโพสต์วิจารณ์แนวคิดการสร้างศูนย์ข้อมูลในอวกาศอย่างรุนแรง โดยระบุว่านี่คือ “ไอเดียที่แย่และไม่สมจริงอย่างสิ้นเชิง” ในฐานะผู้เชี่ยวชาญที่มีปริญญาเอกด้านอิเล็กทรอนิกส์อวกาศ และทำงานกับ Google มา 10 ปี เขาได้แยกวิเคราะห์ข้อบกพร่อง致命ของแนวคิดนี้ใน 4 ด้านหลัก ได้แก่ พลังงาน การระบายความร้อน ความทนทานต่อรังสี และการสื่อสาร

ภูมิหลังผู้เชี่ยวชาญ NASA และประสบการณ์งานของนักบินอวกาศ ISS

(ที่มา: Boeing)

เพื่อชี้แจงคุณสมบัติ ผู้เขียนบทความนี้เป็นอดีตวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ของ NASA มีปริญญาเอกด้านอิเล็กทรอนิกส์อวกาศ เขายังเคยทำงานที่ Google 10 ปี ในหลายฝ่ายของบริษัท รวมถึง YouTube และฝ่ายคลาวด์ที่รับผิดชอบการปรับใช้ศักยภาพ AI แนวคิดสองสายนี้—ทั้งวิศวกรรมอวกาศและคลาวด์—ทำให้เขามีคุณสมบัติเหมาะสมมากในการออกความเห็นในประเด็นนี้

เขากล่าวอย่างชัดเจนตั้งแต่ต้นบทความว่า “นี่เป็นความคิดที่แย่อย่างแน่นอน มันไม่มีเหตุผลเลยจริงๆ” เหตุผลมีมากมาย แต่สรุปได้ว่า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นต่อการทำงานของศูนย์ข้อมูล—โดยเฉพาะศูนย์ข้อมูลที่ใช้ GPU และ TPU ในการประมวลผล AI—ไม่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในอวกาศ หากคุณไม่เคยทำงานในสาขานี้มาก่อน เขาเตือนผู้อ่านว่าอย่าใช้สัญชาตญาณเป็นตัวตัดสิน เพราะสภาพความเป็นจริงของการให้ฮาร์ดแวร์อวกาศทำงานในอวกาศจริงๆ อาจไม่ชัดเจนอย่างที่คิด

คำเตือนนี้มาจากประสบการณ์จริงของเขากับ NASA สภาพแวดล้อมในอวกาศเป็นความท้าทายต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกินกว่าที่คนทั่วไปจะจินตนาการได้ แม้แต่นักบินอวกาศที่ทำงานบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ก็ต้องรับมือกับปัญหาทางเทคนิคมากมายที่ไม่มีบนโลก ทุกระบบใน ISS ถูกออกแบบอย่างปราณีตเพื่อรับมือกับสุญญากาศ รังสี และอุณหภูมิที่ผันผวนสูง ซึ่งมักหมายถึงการยอมแลกประสิทธิภาพและต้นทุนมหาศาล

แหล่งจ่ายไฟ: แผงโซลาร์เซลล์ขนาด ISS จ่ายไฟได้แค่ 200 GPU

เหตุผลหลักที่คนอยากสร้างศูนย์ข้อมูลในอวกาศดูเหมือนจะเป็นเพราะคิดว่าอวกาศมีพลังงานมหาศาล แต่วิศวกร NASA ชี้ว่าความจริงไม่ใช่อย่างนั้น คุณมีทางเลือกแค่สองอย่าง: พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานนิวเคลียร์ พลังงานแสงอาทิตย์หมายถึงการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์พร้อมโฟโตโวลตาอิก ซึ่งใช้งานได้จริงแต่ไม่ได้วิเศษกว่าการติดตั้งบนโลก พลังงานที่สูญเสียจากการผ่านชั้นบรรยากาศไม่ได้มากมายขนาดนั้น ดังนั้นการประเมินพื้นที่ที่ต้องใช้โดยสัญชาตญาณจึงใกล้เคียงความจริง

แผงโซลาร์เซลล์ที่ใหญ่ที่สุดที่เคยติดตั้งในอวกาศคือระบบของ ISS ให้พลังงานสูงสุดประมาณ 200kW การติดตั้งระบบนี้ต้องใช้เที่ยวบินกระสวยอวกาศหลายเที่ยวและแรงงานนักบินอวกาศจำนวนมาก มีพื้นที่ประมาณ 2,500 ตารางเมตร ใหญ่กว่าครึ่งหนึ่งของสนามอเมริกันฟุตบอล

ถ้าอ้างอิง NVIDIA H200 แต่ละ GPU ต้องการพลังงานประมาณ 0.7kW ต่อชิป ซึ่งไม่สามารถทำงานเดี่ยวได้ และการแปลงพลังงานไม่ได้มีประสิทธิภาพ 100% ดังนั้นจริงๆ แล้ว 1kW ต่อ GPU น่าจะเป็นฐานที่เหมาะสมกว่า ดังนั้น แผงขนาด ISS ขนาดใหญ่มากนี้ จ่ายไฟได้ประมาณ 200 GPU เท่านั้น

เปรียบเทียบความต้องการพลังงาน

แผงโซลาร์เซลล์ ISS: กำลังสูงสุด 200kW, พื้นที่ 2,500 ตร.ม.

H200 GPU หนึ่งตัว: กินไฟจริง 1kW

จำนวน GPU ที่แผงขนาด ISS จ่ายไฟได้: ราว 200 ตัว (เทียบเท่า 3 แร็คเซิร์ฟเวอร์บนโลก)

โครงการศูนย์ข้อมูล OpenAI ใน Norway: 100,000 GPU

ถ้าจะได้ความจุเท่า OpenAI คุณต้องยิงดาวเทียมขนาด ISS ขึ้นไป 500 ดวง เมื่อเทียบกันแล้ว แร็คเซิร์ฟเวอร์เดี่ยวบรรจุ GPU ได้ 72 ตัว ดังนั้นดาวเทียมยักษ์ 1 ดวงเท่ากับแค่ 3 แร็ค พลังงานนิวเคลียร์ก็ไม่ช่วยอะไร เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความร้อนจากไอโซโทปรังสี (RTG) มีพลังงานแค่ 50W ถึง 150W เท่านั้น ยังไม่พอให้ GPU ตัวเดียวทำงานได้ด้วยซ้ำ

ฝันร้ายการระบายความร้อน: สุญญากาศทำให้การระบายความร้อนด้วยคอนเวกชันไร้ผลสิ้นเชิง

หลายคนตอบสนองต่อแนวคิดนี้ด้วย “อวกาศมันเย็น ดังนั้นน่าจะระบายความร้อนได้ง่าย?” วิศวกร NASA ตอบว่า “เอ่อ…ไม่…ไม่จริงเลย”

บนโลก การระบายความร้อนค่อนข้างง่าย อากาศช่วยถ่ายเทความร้อนได้ดีมาก เป่าลมผ่านฮีตซิงก์ก็ถ่ายเทความร้อนไปสู่อากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ ถ้าต้องการความหนาแน่นกำลังสูงขึ้น ก็ใช้การระบายความร้อนด้วยของเหลวเพื่อถ่ายเทความร้อนจากชิปไปยังฮีตซิงก์ขนาดใหญ่ขึ้นที่อื่น แต่ในอวกาศ ไม่มีอากาศ สภาพเกือบเป็นสุญญากาศสมบูรณ์ ดังนั้นคอนเวกชันจะไม่เกิดขึ้นเลย

อวกาศเองไม่มีอุณหภูมิ มีแต่สสารเท่านั้นที่มีอุณหภูมิ ในระบบโลก-ดวงจันทร์ อุณหภูมิเฉลี่ยของทุกอย่างแทบจะเท่ากับอุณหภูมิเฉลี่ยของโลก ถ้าดาวเทียมไม่หมุน ด้านที่หันหลังให้ดวงอาทิตย์จะเย็นลงไปเรื่อยๆ เหลือราว 4 เคลวิน ใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ ด้านที่หันเข้าหาดวงอาทิตย์อาจร้อนจัดหลายร้อยองศาเซลเซียส การจัดการความร้อนจึงต้องออกแบบอย่างละเอียดมาก

ผู้เขียนเคยออกแบบระบบกล้องบินในอวกาศ การจัดการความร้อนเป็นหัวใจของงานออกแบบ เขาออกแบบระบบให้กินไฟสูงสุดแค่ 1 วัตต์ และเหลือ 10% ตอนกล้องว่างเปล่า พลังงานทั้งหมดจะกลายเป็นความร้อน ต้องถ่ายเทความร้อนผ่านการยึดขอบบอร์ดเข้ากับโครงสร้าง

แม้แต่การระบายความร้อนให้กับ H200 ตัวเดียวก็จะเป็นฝันร้าย ฮีตซิงก์และพัดลมจะไร้ประโยชน์ แม้แต่รุ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวก็ยังต้องถ่ายเทความร้อนไปยังแผ่นระบายความร้อน ซึ่งจะต้องแผ่รังสีความร้อนไปสู่ห้วงอวกาศ ระบบควบคุมอุณหภูมิแบบแอคทีฟ (ATCS) ของ ISS ใช้วงจรหล่อเย็นแอมโมเนียและแผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่ มีขีดจำกัดการระบายความร้อนที่ 16kW ดังนั้นรองรับ H200 ได้ราว 16 ตัว แค่หนึ่งในสี่ของแร็คบนโลก แผ่นระบายความร้อนมีขนาด 13.6m x 3.12m หรือประมาณ 42.5 ตร.ม.

ถ้าใช้ 200kW เป็นฐาน จะต้องใช้ระบบขนาดใหญ่ขึ้น 12.5 เท่า หรือประมาณ 531 ตร.ม. หรือประมาณ 2.6 เท่าของขนาดแผงโซลาร์เซลล์ดังกล่าว ตอนนี้จะเป็นดาวเทียมขนาดใหญ่กว่าพื้นที่ ISS ทั้งหมด และทั้งหมดนี้ยังเทียบเท่าแค่ 3 แร็คเซิร์ฟเวอร์มาตรฐานบนโลก

ภัยรังสี: ชิป GPU ในรังสีคอสมิกราวกับนักบินอวกาศไร้การป้องกัน

(ที่มา: วิกิพีเดีย)

นี่เข้าสู่ขอบเขตงานวิจัยปริญญาเอกของผู้เขียน สมมติว่าคุณจ่ายไฟและระบายความร้อนได้ ยังมีปัญหาความทนทานต่อรังสี อวกาศมีแหล่งรังสีหลักสองแหล่ง: มาจากดวงอาทิตย์ และจากห้วงอวกาศ ซึ่งก็คืออนุภาคมีประจุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเป็นเปอร์เซ็นต์สูงของแสง ตั้งแต่อิเล็กตรอนไปจนถึงนิวเคลียสอนุภาค สิ่งเหล่านี้เมื่อชนกับวัสดุของชิปจะสร้างความเสียหายโดยตรง

ผลกระทบที่พบบ่อยสุดคือการพลิกบิตเดี่ยว (SEU) ซึ่งอนุภาควิ่งผ่านทรานซิสเตอร์ชั่วขณะจนเกิดพัลส์ที่ไม่ควรเกิดขึ้น ถ้าทำให้บิตเปลี่ยน เราเรียกว่า SEU ที่แย่กว่าคือ Single Event Latchup หากพัลส์จากอนุภาคมีประจุทำให้แรงดันไฟเกินรางจ่ายไฟของชิป อาจสร้างทางเชื่อมระหว่างรางไฟที่ไม่ควรเชื่อมกัน เผาเกตถาวร

สำหรับภารกิจระยะยาว ยังต้องพิจารณาผลสะสม (Total Ionizing Dose effects) เมื่อเวลาผ่านไป ประสิทธิภาพของชิปในอวกาศลดลง เพราะการชนซ้ำๆ ทำให้ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าเล็กๆ ทำงานช้าลง ในทางปฏิบัติคืออัตราความถี่สัญญาณสูงสุดที่ใช้งานได้จะลดลงเรื่อยๆ และกินไฟมากขึ้น

GPU, TPU และ RAM แบนด์วิดท์สูงที่พึ่งพากันล้วนแย่ที่สุดในแง่ความทนทานต่อรังสี ขนาดทรานซิสเตอร์เล็กๆ ไวต่อ SEU และ Latchup มาก ชิปที่ออกแบบมาสำหรับอวกาศจริงใช้โครงสร้างเกตแบบต่างออกไปและขนาดเรขาคณิตใหญ่กว่า ซีพียูที่ใช้โดยทั่วไปมีประสิทธิภาพเทียบเท่า PowerPC สมัยปี 2005 ถ้าจะผลิต GPU หรือ TPU แบบนี้ก็ทำได้ แต่ประสิทธิภาพจะเหลือเพียงส่วนเสี้ยวของ GPU/TPU รุ่นใหม่บนโลก

คอขวดการสื่อสารและข้อสรุป

ดาวเทียมส่วนใหญ่สื่อสารกับพื้นโลกผ่านคลื่นวิทยุ ซึ่งยากมากที่จะได้แบนด์วิดท์เกิน 1Gbps เมื่อเทียบกับแร็คเซิร์ฟเวอร์บนโลกที่เชื่อมต่อกันด้วย 100Gbps ระหว่างแร็คด้วยซ้ำ นี่จึงเป็นช่องว่างใหญ่เช่นกัน วิศวกร NASA คนนี้สรุปว่า “ถ้าคุณอยากทำจริงๆ ก็น่าจะพอทำได้แบบฝืนๆ แต่จะยากมาก, ต้นทุนสูงเกินเหตุเมื่อเทียบกับศูนย์ข้อมูลบนโลก, และประสิทธิภาพยังแย่กว่าอีก สำหรับผม นี่คือไอเดียที่แย่แบบหายนะ”