L'interno del modulo Destiny della ISS. Credits: NASA
Le comunicazioni sulla ISS e verso la ISS continuano a migliorare, grazie al recente successo del collegamento al cloud Azure Space dello Spaceborne Computer-2. Questo è il supercomputer che ha aumentato notevolmente la capacità di calcolo disponibile per gli esperimenti nello spazio, presente sulla ISS dal febbraio del 2021. L’ottimizzazione delle trasmissioni e dell’analisi dei dati effettuate da questo sistema sono ora una missione della collaborazione tra HPE (Hewlett Packard Enterprise) e Microsoft.
Il primo supercomputer a bordo della ISS è stato lanciato nel febbraio 2017 con la missione di rifornimento SpaceX CRS-12. Nel 2018, dopo circa un anno ricco di test, lo Spaceborne Computer ha fatto ritorno sulla terra. L’obbiettivo principale era verificare il corretto funzionamento di un supercomputer nello spazio nel medio-lungo periodo, un dato utile per i futuri viaggi verso Marte, ma anche per la gestione attuale della Stazione Spaziale.
Durante i suoi 21 anni di servizio, la ISS ha ospitato più di 3000 esperimenti di oltre 4000 ricercatori provenienti da più di 100 paesi, numeri destinati a crescere ancora. Per questo è necessario avere infrastrutture e connessioni sempre piu efficienti e affidabili. Sarà compito della partnership tra HPE e Microsoft aumentare la capacità di elaborazione dati grazie ad un nuovo supercomputer, che sfrutterà l’edge computing, e all’uso del cloud Azure Space di Microsoft. L’architettura edge computing elabora i dati direttamente sulla macchina di calcolo, senza il bisogno di trasmissioni con la Terra, dove invia solo i dati necessari. Questo consente di ridurre ampiamente l’utilizzo della larghezza di banda internet.
Fino ad oggi i dati raccolti a bordo della ISS sono infatti stati trasmessi un po’ alla volta, a causa della scarsa disponibilità di comunicazioni. Questa limitazione può causare problemi, ad esempio nel caso in cui gli astronauti debbano prendere decisioni critiche. Dopo la larghezza di banda, è giusto considerare anche la distanza da superare per lo scambio di dati. Nel caso della ISS, che orbita in media a 410 km di quota, viene impiegato meno di 1 secondo nella trasmissione di un segnale tra andata e ritorno dalla Terra;
Quando saremo operativi in orbita attorno alla Luna, a circa 385 mila km di distanza, saranno necessari 6 secondi; Infine, per Marte, nel caso peggiore quando si troverà in opposizione al sole (ovvero a 400 milioni di km), bisognerà attendere ben 44 minuti. Quindi le missioni con mete più lontane dovranno avere una maggiore potenza di calcolo a portata di mano degli astronauti, per l’elaborazione immediata delle informazioni.
A bordo della ISS da febbraio, lo Spaceborne Computer-2 prende il posto del suo predecessore, entrambi di proprietà HPE. Il nuovo computer sfrutterà in modo ancora più efficace la sua potenza di calcolo. “Con un sistema significativamente più avanzato, appositamente progettato per ambienti difficili e per l’elaborazione di intelligenza artificiale e analisi”. Così spiega Mark Fernandez, ricercatore principale di HPE per il progetto.
Già dal 2013, i computer a bordo della ISS possiedono un sistema operativo Linux. L’uso di software open source, che qualsiasi programmatore può sviluppare e personalizzare, ha reso più semplice la creazione di software che possono essere eseguiti sulla ISS, sostiene Glenn Musa, ingegnere informatico senior per Azure Space. Infatti, pure lo Spaceborne Computer-2 utilizzerà software open-source. Inoltre, con la connessione del supercomputer al cloud, i programmatori avranno gli stessi strumenti e linguaggi disponibili a Terra.
Uno degli esempi migliori dell’utilizzo dello Spaceborne Computer-2 riguarda un esperimento sulla salute degli astronauti. Gli effetti di lunghi soggiorni nello spazio sul corpo umano non sono ancora pienamente conosciuti, rendendo molto importanti le tecnologie che permettono il frequente monitoraggio della salute nel tempo.
L’obbiettivo è verificare se gli astronauti possono monitorare autonomamente e costantemente la loro salute. Comprese le conseguenze di essere esposti alle radiazioni a bordo di un veicolo spaziale. L’esperimento consiste nell’analizzare i genomi degli astronauti per controllare se ci sono delle anomalie, confrontandoli con il database del National Institute for Health. Sembra abbastanza semplice, ma il sequenziamento di un singolo genoma umano, circa 6 miliardi di caratteri, genera circa 200 GB di dati, e allo Spaceborne Computer-2 vengono assegnate solo due ore di larghezza di banda di comunicazione a settimana per la trasmissione di dati sulla Terra, con una velocità massima di 250 KB/s, si impiegherebbe circa due anni per trasmettere un solo set di dati genomici.
Fernandez ricorda alcune lamentele da parte di un ricercatore, il quale avrebbe impiegato mesi per ottenere i propri dati dalla stazione spaziale. Con lo Spaceborne computer-2, i dati sono stati elaborati in sei minuti direttamente sulla ISS. E’ stato a tutti gli effetti possibile diminuire l’attesa da mesi a minuti.
Per gli esperimenti più complessi, la potenza di calcolo dello Spaceborne potrebbe non bastare. Il team di David Weinstein, ingegnere del software responsabile di Microsoft Azure Space, ha ben pensato di agire come molte aziende fanno quando si verifica un overflow (ovvero superare la capacità di memoria o di calcolo) collegandosi momentaneamente al cloud e raggiungendo la capacità necessaria. Quando la ISS si troverà in questa situazione durante un esperimento, verrà automaticamente connessa alla rete di Azure per ottenere aiuto, collegando così lo spazio e la Terra per risolvere il problema.
Gli scienziati di ogni parte del mondo possono utilizzare la potenza del cloud computing per eseguire i propri algoritmi per analisi e decisioni, accedendo a milioni di computer in esecuzione in parallelo. La rete di Azure dispone di data center sparsi in 65 regioni del mondo, collegati da 265 mila km di cavi in fibra ottica. Con la collaborazione tra HPE e Microsoft vogliono dimostrare l’utilità dei supercomputer legati al cloud. Non solo per lo spazio, ma anche per applicazioni terrestri in luoghi remoti. Come sostiene Fernandez, se si può fare nello spazio, possiamo farlo sulla Terra.
Finora HPE ha completato quattro esperimenti, incluso il trasferimento di dati al cloud, con la trasmissione del messaggio “Hello world”. Ci sono altri 4 esperimenti in corso e 29 in coda ma altri potranno aggiungersi in questi 2-3 anni di servizio di Spaceborne Computer-2. Alcuni dei test hanno a che fare con l’assistenza sanitaria, come l’analisi dei genomi specificata prima, altri nel campo della biologia, come l’analisi dei raccolti coltivati a bordo, e altri ancora si occuperanno di sicurezza e comunicazioni tra satelliti.
La velocità nel completare gli esperimenti, che come abbiamo visto è legata a quella di calcolo e trasmissione dati, è molto importante perché il Congresso ha autorizzato un badget per la ISS fino al 2024. “Dobbiamo ottenere il più possibile nel tempo che ci rimane”, afferma Christine Kretz, vicepresidente dei programmi e delle partnership presso l’International Space Station US National Laboratory.
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