Будущие космические телескопы, предназначенные для поиска планет, похожих на Землю, столкнутся с необычной для астрономии проблемой: чтобы увидеть слабый свет далёкой планеты рядом с гораздо более яркой звездой, недостаточно просто получить изображение. Телескопу придётся практически в реальном времени обрабатывать огромный поток данных и постоянно корректировать мельчайшие оптические искажения.
Инженеры Мичиганского университета предложили два варианта специализированных вычислительных чипов, в которых основное внимание уделено не увеличению вычислительной мощности как таковой, а сокращению перемещения данных между памятью и процессором. Компьютерные модели показали, что такой подход может существенно уменьшить энергопотребление систем обработки изображений будущих космических обсерваторий.
В наиболее эффективном из рассмотренных вариантов расчётное энергопотребление удалось снизить с примерно 3000 ватт для системы на основе графических процессоров до 51 ватта. Это почти в 60 раз меньше. При этом речь пока идёт о проектировании и компьютерном моделировании: сами SRAM-чиплеты исследователи планируют изготовить и испытать в лаборатории.
Почему будущему телескопу понадобится очень быстрый компьютер
Одной из главных задач следующего поколения космических обсерваторий станет непосредственное получение изображений экзопланет, то есть планет, обращающихся вокруг других звёзд.
Такая задача значительно сложнее обычной регистрации света звезды.
Звезда во много раз ярче находящейся рядом с ней планеты. Поэтому свет планеты буквально теряется на фоне звёздного излучения. Чтобы получить изображение небольшого тусклого объекта, телескопу необходимо очень точно подавлять свет центральной звезды.
Для этого недостаточно один раз настроить оптическую систему перед запуском.
Будущий аппарат должен будет постоянно отслеживать мельчайшие изменения искажения оптического пути и оперативно корректировать их. Следовательно, вычислительная система должна анализировать данные практически в реальном времени.
Именно здесь возникает проблема, которую исследователи называют «узким местом» перемещения данных.
Процессор не всегда является главным ограничением
Современный компьютер обычно разделяет вычислительный процессор и оперативную память.
Процессор выполняет операции над данными, а память хранит сами данные. Поэтому при работе программы информация постоянно перемещается между двумя частями системы.
Для многих задач такой подход вполне эффективен.
Однако некоторые алгоритмы обработки изображений требуют огромного количества операций с большими массивами данных. В этом случае значительная часть энергии расходуется не непосредственно на вычисления, а на передачу информации между памятью и вычислительными блоками.
Именно поэтому увеличение мощности процессора не всегда решает проблему.
Если данные приходится постоянно перемещать, более быстрый процессор может оказаться недостаточно эффективным: вычислительная часть системы способна работать быстрее, чем память успевает предоставлять ей необходимую информацию.
Для космического телескопа это особенно важно из-за жёстких ограничений по энергии.
Что такое память-центричная архитектура
Предлагаемый подход заключается в том, чтобы изменить сам принцип организации вычислений.
Вместо того чтобы постоянно переносить данные из памяти в отдельный процессор, вычисления выполняются максимально близко к месту хранения информации.
Такую концепцию называют memory-centric computing — память-центричными вычислениями.
Она не является исключительно космической технологией. Подобные архитектуры уже исследуются для задач искусственного интеллекта, анализа больших данных и других вычислительно интенсивных приложений.
Для космических аппаратов эта идея особенно привлекательна из-за ограниченного энергетического бюджета.
Чем меньше энергии требуется компьютеру, тем меньше энергии необходимо генерировать, хранить и отводить от космического аппарата.
Исследователи разработали два варианта чипов
Инженеры рассмотрели две специализированные архитектуры.
Первая использует высокоскоростную память HBM. В ней 27 микросхем HBM располагаются рядом и подключаются к специально разработанному процессору.
Каждый HBM-модуль представляет собой стек из 16 микросхем динамической памяти DRAM.
Такая конфигурация должна обеспечить очень высокую пропускную способность между памятью и вычислительным устройством.
Вторая архитектура устроена иначе.
Она разделяет память и вычисления между 56 специализированными чиплетами. Каждый из них содержит примерно 2 гигабайта распределённой статической памяти SRAM и собственные вычислительные возможности.
Таким образом, обработка данных распределяется между множеством небольших вычислительных элементов.
Почему SRAM-вариант оказался эффективнее
Компьютерное моделирование показало существенную разницу между двумя подходами.
Система на базе стандартного графического процессора потребовала бы около 3000 ватт.
Вариант с 27 HBM-микросхемами снизил расчётное потребление до 928 ватт.
Архитектура из 56 чиплетов с распределённой SRAM позволила уменьшить его ещё сильнее — примерно до 90 ватт.
Исследователи затем применили дополнительный метод сокращения точности представления данных. После этого расчётное энергопотребление SRAM-варианта снизилось до 51 ватта.
Таким образом, в моделировании получилась разница примерно в 59 раз по сравнению с вариантом на графическом процессоре.
Важно, что это не результат испытаний готового космического компьютера. Значения получены в ходе моделирования характеристик предложенных архитектур.
Зачем вообще экономить десятки ватт в космосе
На Земле дополнительное энергопотребление компьютера часто можно компенсировать увеличением мощности электросети.
У космического аппарата такой возможности нет.
Энергия должна производиться непосредственно на борту или поступать от внешнего источника, например солнечных батарей.
Но увеличение энергопотребления означает не только установку более мощных источников энергии.
Дополнительная электроэнергия требует увеличения размеров солнечных панелей, аккумуляторов и систем отвода тепла.
Последнее особенно важно. Электроника выделяет тепло, а в космосе избавиться от него можно прежде всего посредством радиаторов.
Поэтому более мощный компьютер способен вызвать цепочку дополнительных конструктивных требований.
Экономия электроэнергии превращается в экономию массы
В исследовании инженеры оценили, как снижение потребления вычислительной системы может повлиять на всю космическую обсерваторию.
В расчётном сценарии система на базе GPU потребляла около 3000 ватт. Для такого варианта масса космического аппарата оценивалась примерно в 1100 килограммов.
При использовании предложенной SRAM-архитектуры и потреблении 51 ватта расчётная масса снижалась примерно до 193 килограммов.
То есть разница составляет более 900 килограммов.
Это не означает, что реальный будущий телескоп автоматически будет весить 193 килограмма. Расчёты относятся к конкретной модели, учитывающей последствия различного энергопотребления.
Но они хорошо показывают принцип: снижение требований к электроэнергии может уменьшить не только размер вычислительной системы, но и массу целого космического аппарата.
Масса особенно важна при создании космической техники
Запуск каждого дополнительного килограмма требует энергии.
Поэтому конструкторы космических аппаратов постоянно ищут способы уменьшить массу оборудования без потери функциональности.
Если более экономичный компьютер позволяет уменьшить размеры солнечных панелей, аккумуляторов и радиаторов, то можно дополнительно снизить массу аппарата.
В свою очередь, более лёгкий аппарат потенциально требует меньше ресурсов для вывода на нужную траекторию.
Таким образом, экономия электроэнергии в космосе имеет гораздо более широкий эффект, чем просто уменьшение потребления компьютера.
Почему обычные космические процессоры не подходят для такой задачи
Космическая электроника предъявляет особые требования к надёжности.
На аппараты воздействует космическое излучение, которое способно вызывать ошибки в работе электронных компонентов.
Поэтому космические процессоры обычно проектируются с учётом радиационной среды.
Однако радиационная стойкость имеет свою цену.
Современные радиационно-стойкие космические процессоры могут оказаться слишком медленными для задач, требующих постоянной обработки изображений экзопланет.
С другой стороны, мощные графические процессоры, способные обеспечить необходимую скорость вычислений, требуют слишком много энергии для экономически эффективного использования в космосе.
Получается своеобразная дилемма: обычные космические процессоры недостаточно быстрые, а высокопроизводительные наземные вычислительные решения слишком энергоёмкие.
Космический телескоп должен будет работать с очень слабым сигналом
Для поиска планет земного типа особенно важна способность обнаруживать крайне слабое излучение.
Планета, похожая на Землю, может находиться рядом со звездой, которая значительно ярче её.
Поэтому телескопу необходимо не только собрать достаточно света, но и подавить или отделить звёздный свет.
Для этого используются сложные оптические системы, методы обработки изображений и постоянная коррекция небольших искажений.
Часть этой работы должна выполняться непосредственно на борту.
Передача всего необработанного массива данных на Землю не является оптимальным решением для таких задач, особенно если решения о коррекции оптики требуется принимать быстро.
В центре внимания — Habitable Worlds Observatory
Исследователи оценивали свои архитектуры в контексте будущей обсерватории Habitable Worlds Observatory, или HWO.
Это предлагаемая NASA космическая обсерватория, концепция которой предусматривает поиск и исследование планет за пределами Солнечной системы, в том числе потенциально пригодных для жизни.
Телескоп должен будет непосредственно исследовать свет от экзопланет и искать признаки, которые могут свидетельствовать о наличии подходящих для жизни условий.
На нынешнем этапе HWO является проектируемой будущей миссией, а не действующим космическим телескопом.
Поэтому окончательная вычислительная архитектура обсерватории ещё не определена.
Где должен находиться будущий телескоп
В исследовании предполагается, что HWO будет работать в районе точки Лагранжа L2 системы Солнце—Земля.
Этот регион находится примерно в 1,5 миллиона километров от Земли в направлении от Солнца.
Именно в районе L2 работает космический телескоп James Webb.
Такое расположение позволяет Солнцу, Земле и Луне находиться примерно в одном направлении относительно космического аппарата.
Это даёт возможность использовать один большой солнцезащитный экран для защиты телескопа от света и тепла сразу от трёх объектов.
Для чувствительной инфракрасной и оптической аппаратуры такое расположение имеет большое значение.
Почему HWO понадобится обработка данных непосредственно на борту
Задачи будущей обсерватории будут существенно отличаться от простой фотосъёмки.
Телескоп должен будет выполнять обработку данных во время наблюдений.
В частности, система должна оперативно анализировать оптические искажения и корректировать их, чтобы максимально эффективно подавлять свет звезды и выделять слабый сигнал от планеты.
Это требует сочетания высокой скорости обработки и низкого энергопотребления.
Именно такое сочетание является основной целью предложенных чипов.
Исследователи проверили устойчивость к космическому излучению
Даже очень экономичный чип не пригоден для космической миссии, если он будет часто ошибаться из-за радиации.
Поэтому исследователи отдельно смоделировали воздействие космического излучения.
Они провели 10 000 симуляций, в которых искусственно вводились ошибки, возникающие при воздействии радиации.
Один из моделируемых эффектов — изменение одного двоичного значения с нуля на единицу.
Для компьютера такая ошибка может оказаться критичной.
Если она возникнет во время обработки изображения, результат может содержать артефакты или привести к неправильной коррекции оптической системы.
Для защиты использовали алгоритм обнаружения ошибок
Исследователи применили метод Algorithm-Based Fault Tolerance, сокращённо ABFT.
Он позволяет обнаруживать опасные ошибки непосредственно на уровне вычислительного алгоритма.
В проведённых симуляциях система обнаружила все введённые опасные ошибки, которые могли привести к искажению изображений, при этом не было зарегистрировано ложных срабатываний.
Это важный результат моделирования, но он не заменяет испытаний реального оборудования в радиационной среде.
Именно поэтому следующим этапом проекта должна стать физическая реализация SRAM-чиплетов и их лабораторные испытания.
Округление данных позволило сэкономить ещё больше энергии
Дополнительное снижение энергопотребления стало возможным благодаря уменьшению точности представления данных.
Исследователи применили математический приём, при котором данные округлялись до эквивалента семи знаков после запятой.
Для конкретной задачи обработки изображений это позволило сократить энергопотребление SRAM-архитектуры с 90 до 51 ватта.
То есть снижение точности не обязательно означает неприемлемое ухудшение результата.
Однако этот результат относится к конкретному алгоритму и конкретным требованиям моделирования. Нельзя автоматически считать, что любое космическое вычисление можно без последствий перевести на более низкую точность.
Экономия может иметь финансовый эффект
Исследователи оценили не только технические характеристики.
В их расчётах снижение массы космического аппарата с примерно 1100 до 193 килограммов могло бы привести к экономии около 430 миллионов долларов за 25-летнюю миссию.
Эта цифра является расчётной оценкой для рассмотренного сценария, а не стоимостью реально построенного аппарата.
Она показывает потенциальный экономический эффект от уменьшения требований к энергоснабжению.
Для дорогостоящих космических миссий даже небольшое изменение архитектуры может повлиять на стоимость всей системы.
Почему чиплеты становятся интересными для космоса
Второй предложенный вариант построен на 56 чиплетах.
Чиплет — это отдельный небольшой вычислительный или функциональный блок, который объединяется с другими элементами в единую систему.
Такой подход позволяет распределить обработку данных.
Вместо одного мощного центрального вычислительного устройства часть операций выполняется непосредственно рядом с хранящимися данными.
Для обработки изображений это может быть особенно эффективно, поскольку большие массивы информации можно разделить между несколькими вычислительными элементами.
В результате уменьшается необходимость постоянно гонять один и тот же массив данных между центральным процессором и памятью.
Главное преимущество — не больше вычислений, а меньше перемещений
Это принципиальное отличие предлагаемой архитектуры от традиционной гонки за максимальной производительностью процессоров.
В некоторых задачах компьютер ограничен не скоростью выполнения арифметических операций.
Он ограничен скоростью доставки данных к вычислительному блоку.
Представить это можно на бытовом примере: если сотруднику для каждой небольшой операции приходится постоянно ездить на склад за одним предметом, увеличение скорости работы самого сотрудника почти ничего не изменит.
Гораздо эффективнее либо сделать доставку быстрее, либо перенести рабочее место непосредственно на склад.
Именно такую идею реализуют память-центричные вычисления.
Подход может пригодиться не только для поиска экзопланет
Разработанные архитектуры ориентированы на конкретную задачу будущих телескопов, но сама проблема встречается и в других областях.
Большие массивы данных приходится обрабатывать на борту спутников наблюдения Земли, научных аппаратов, автоматических межпланетных станций и других космических систем.
Чем больше информации создаёт прибор, тем менее выгодно передавать всё на Землю без предварительной обработки.
Бортовые вычисления позволяют отбирать нужную информацию, обнаруживать события и сжимать данные ещё до передачи.
Поэтому более эффективные вычислительные архитектуры могут оказаться полезными для широкого спектра космических миссий.
Почему обработка на борту становится всё важнее
Космические аппараты становятся всё более сложными.
Современные приборы способны получать изображения и другие измерения с высокой скоростью и детализацией.
Но канал связи с Землёй остаётся ограниченным.
Кроме того, передача данных требует времени.
Если научный прибор должен реагировать на быстро меняющиеся условия, решение нельзя всегда отложить до получения команды с Земли.
В таких случаях космическому аппарату требуется определённая степень автономности.
Именно поэтому развитие энергоэффективных бортовых вычислений становится важной частью проектирования будущих миссий.
Будущим телескопам может понадобиться не самый мощный компьютер
На первый взгляд может показаться, что для решения сложнейших задач нужно просто установить самый производительный доступный процессор.
Исследование показывает обратное.
Оптимальный компьютер для космического телескопа должен учитывать характер конкретной задачи.
Если большая часть энергии уходит на перемещение данных, то увеличение вычислительной мощности не решает главную проблему.
Специализированная архитектура, которая выполняет вычисления рядом с памятью, может оказаться значительно эффективнее универсального высокопроизводительного процессора.
Такой подход особенно важен там, где каждый ватт и каждый килограмм имеют значение.
До реального космического применения ещё далеко
Предложенные чипы пока находятся на стадии разработки.
Исследователи использовали компьютерное моделирование, чтобы сравнить их энергопотребление, скорость и размеры.
Также была проведена серия моделируемых радиационных испытаний.
Но моделирование — это только один этап разработки.
Следующий шаг, согласно планам команды, заключается в изготовлении SRAM-чиплетов и их испытании в лаборатории.
После этого потребуются дополнительные исследования надёжности, температурного режима, радиационной устойчивости, взаимодействия отдельных компонентов и способности системы работать в условиях реальной космической миссии.
Только после прохождения таких этапов можно будет оценивать возможность применения технологии в конкретном космическом аппарате.
От вычислительной архитектуры зависит, что сможет увидеть будущая астрономия
Поиск землеподобных экзопланет требует не только больших зеркал и чувствительных детекторов.
Не менее важной становится электроника, которая должна превратить полученные детекторами сигналы в полезную научную информацию.
Если телескоп не способен достаточно быстро обработать данные, он не сможет эффективно компенсировать оптические искажения.
Если вычислительная система потребляет слишком много энергии, увеличиваются масса и стоимость всей обсерватории.
Поэтому вычислительная архитектура становится частью научного инструментария телескопа наравне с зеркалом, детекторами и оптическими системами.
Новая архитектура может помочь приблизить прямые наблюдения далёких миров
Сегодня астрономы обнаружили уже огромное количество экзопланет, но большинство из них изучается косвенными методами.
Учёные могут фиксировать уменьшение яркости звезды при прохождении планеты перед её диском, измерять влияние планеты на движение звезды или исследовать другие косвенные признаки.
Непосредственно увидеть слабую планету рядом с яркой звездой значительно сложнее.
Будущие обсерватории должны улучшить эту ситуацию.
Для этого потребуется одновременно решить несколько задач: создать чувствительную оптическую систему, обеспечить чрезвычайно точное подавление звёздного света, быстро обрабатывать данные и сделать всю вычислительную инфраструктуру достаточно лёгкой и экономичной.
Предложенные память-центричные чипы являются одним из вариантов решения последней проблемы.
От космического компьютера зависит не только скорость, но и размер миссии
В космосе компьютер нельзя рассматривать отдельно от остального аппарата.
Более энергоёмкая электроника требует более мощного энергоснабжения.
Более мощное энергоснабжение увеличивает массу.
Дополнительная электроника и аккумуляторы требуют пространства.
Рост тепловыделения требует более эффективного отвода тепла.
Все эти элементы связаны между собой.
Поэтому уменьшение энергопотребления вычислительной системы способно дать эффект сразу на нескольких уровнях.
Именно это делает предложенное снижение с 3000 до 51 ватта настолько существенным в рамках расчётной модели.
Что может измениться в будущих космических миссиях
Если подобные архитектуры подтвердят свои характеристики на реальном оборудовании, космические компьютеры могут постепенно перейти от принципа «максимальная вычислительная мощность» к принципу «максимальная эффективность для конкретной задачи».
Это особенно актуально для автономных научных аппаратов.
Вместо передачи огромных массивов необработанных данных на Землю аппарат сможет самостоятельно анализировать информацию и передавать наиболее значимые результаты.
Для дальних миссий это может стать особенно важным.
Чем дальше находится аппарат, тем больше времени занимает обмен сигналами, а возможности оперативного управления с Земли уменьшаются.
Главный барьер будущих телескопов может находиться внутри компьютера
Поиск жизни за пределами Солнечной системы обычно связывают с огромными зеркалами, сложными спектрографами и чувствительными детекторами.
Но даже самая совершенная оптика должна быть соединена с вычислительной системой, способной обрабатывать полученную информацию.
Исследование инженеров Мичиганского университета показывает, что одним из ограничивающих факторов может стать не недостаток вычислительной мощности, а неэффективное перемещение данных.
Предложенные память-центричные архитектуры должны решить именно эту проблему.
Пока это результаты моделирования, а не готовая технология для будущего телескопа. Но если последующие лабораторные испытания подтвердят расчёты, подобные чипы могут стать одним из элементов вычислительной основы космических обсерваторий следующего поколения.
И в конечном счёте именно такие малозаметные инженерные решения могут определить, насколько далеко человечество сможет продвинуться в поиске небольших планет вокруг других звёзд и потенциальных признаков жизни на них.
:::
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
