太空中的云计算可行么 - 边窗

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前段时间,有人在推特上突发奇想,利用太空的浩瀚空间和零下低温来进行云计算部署,既方便设备铺设,也可以方便散热。

乍看起来像那么回事,但这个想法却是典型的“书读太少,想得太多”。

太空中相比于地面环境有着独特的环境,其特点有三个:

假设把一台普通的电脑带入外太空使用(非空间站内部),面临的问题会有:

对于太空中运行的电脑,真空和辐射问题都很好解决,采用充气硬盘(硬盘内部是稀有气体氦,是密闭的空间,而传统机械硬盘需要有透气孔)和“穿”防辐射材料即可。对于散热问题,由于真空环境只能通过热传导散热,采用的是特制的、大型的热管(heat pipe),和传统计算机中的热管原理类似:

热管通常是一个密封的管子,其中所有的空气被移除,在部分真空下引入少量的液体。与热表面接触的部分液体在吸收热表面的热量后蒸发成蒸汽。当蒸汽与冷表面接触时,蒸汽又凝结成液体,从而将其储存的或潜在的热量释放到冷表面。然后,由于各个液体分子的相互作用以及它们对容器表面的吸引,液体又被拉回到热的表面,这个过程称为毛细作用。整个液体和蒸汽循环不需要任何移动部件,而且传热过程可以无限期地重复。

热管原理(Heat Source进热,Heat Sink散热)
国际空间站中的散热系统

在太空中使用的电脑,首先在设计上是模块化的,这样方便替换和维修,国际空间站每年大约有20台电脑需要维修,同时要满足冗余设计,相同功能的电脑系统要在太空中部署多套,以防止其中一套或一个设备因为太空辐射而损坏(比如极少量的γ射线),同时也为了能够对数据进行多套备份,以防止数据丢失。

其次,电脑需要经过特别设计和防护,定制化的电脑需要非常长的周期才能够被生产出来(国际空间站原有的三台计算机每台造价800万美金,耗时十年才建成),导致太空中的电脑实际上比地面的电脑性能要落后1-2代,太空中的电脑并不需要非常强劲的性能,稳定的电子配件和低耗电量才是首要考虑的,因此太空中的电脑能够做的“事情”当然也是越少越好。

为了解决太空电脑中的缺陷,频繁在天地间往返是不太可能的,通常的做法是在地面保留一台与太空相同的电脑,一旦太空中的电脑发生软件缺陷,可以在地面的电脑进行模拟,从而定位问题。2010年,旅行者2号(一个1977年发射的探测器,目前已飞出太阳系)开始传输随机信号而非连贯数据,NASA的旅行者2号实验室中保留有第二台相同的计算机,通过模拟定位出缺陷在于某个硬件的内存扇区,这样通过无线电信号发送补丁修复了该缺陷。

商业电脑也在尝试用最小的代价在太空中直接进行使用。作为火星登陆的准备,惠普公司的两台服务器在2017年被送往国际空间站,以检测电脑在太空中的耐用性,这两台服务器只需要数千美元的价格,在运行了500多天后,尽管冗余电源和冗余固态硬盘都出现了故障,但服务器仍然可以工作。即便如此,这两台计算机也经过了加固,被装在有散热器的密闭盒子中,而该盒子的散热器与空间站的散热系统连接。对应的挑战是电源的改造,需要将空间站的太阳能供电的48V直流电转为110V交流电,为此NASA专门提供了逆变器以解决该问题。

综上,如果要在太空中建立数据中心做云计算中心,建造成本、耗电量、散热性能都会是一笔无比巨大的投入,一个普通ECS不卖个百八十万每小时估计都回不了本,显然是不实际的。没有科研价值,也没有商业回报的事情,是没有人愿意花大力气做的,比如到月球挖掘氦三运回地球做核燃料。

另外,在国际空间站,空间站成员在内部使用的电脑,因为有空气、温度适宜和防辐射的缘故,可以使用普通的商业电脑,国际空间站和天宫号空间站使用的都是Thinkpad笔记本电脑,其中有一台单独的电脑用于和地面的网络连接,且不与空间站任何生命系统连接,一方面方便对地联网,一方面避免地面网络对空间站的攻击。2007年,国际空间站的宇航员在对地联网的单独笔记本电脑中发现了“Gammima”恶意软件,在此之前,空间站的电脑是不安装防病毒软件的。

天宫空间站中的个人笔记本

参考资料:

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