Le opinioni sul futuro dell’intelligenza artificiale, sue applicazioni, impatti, modifiche economiche e sociali, etica sono molte e coprono tutto lo spettro: dagli ottimisti illuminati ai pessimisti cronici. C’è un aspetto però che mette d’accordo tutti: ha bisogno di quantità spropositate di energia elettrica.
Sono necessari nuovi progetti energetici, proprio quando si registra un’ondata di domanda aggiuntiva, in particolare dai settori manifatturieri e dei trasporti. La previsione vede triplicare, nei prossimi anni,, i consumi di elettricità.
Le aziende elettriche non sono attrezzate per il cambiamento al ritmo e alla scala richiesti. La crisi energetica è imminente. Serve un approccio nuovo.
Lo dicono in tanti, da Sam Altman di OpenAI, allo splendido Elon Musk di xAI, all’ineffabile Mark Zuckerberg di Meta, ma anche esperti come Christophe Valorge, Chief Technology Officer di Thales Alenia Space: occorre spostare i grandi data center, quelli che richiedono i gigawatt di potenza, dalla Terra allo spazio.
Permettetemi di presentare Starcloud Inc., start-up dalle grandi ambizioni che si ripromette di cambiare le cose, avvalendosi di un team di “deep-tech engineers”, traducibile con “ingegneri in tecnologie molto avanzate”, ovvero basate sulle più recenti scoperte scientifiche e sviluppi ingegneristici.
Starcloud propone iper data center in orbita nello spazio. Innegabili i vantaggi rispetto alle loro controparti terrestri: significativi risparmi sui costi operativi utilizzando energia solare, il raffreddamento radiativo passivo e la modularità per essere scalati quasi all’infinito senza i vincoli fisici, o autorizzativi, terrestri.
Per non parlare del beneficio netto sull’ambiente. Il 27 giugno, 2024, Thales Alenia Space, la joint venture tra Thales (67%) e Leonardo (33%), coordinando un consorzio europeo di esperti in ambiente, cloud computing, lanciatori e sistemi orbitali, ha presentato i risultati dello studio di fattibilità ASCEND (Advanced Space Cloud for European Net zero emission and Data sovereignty). L’iniziativa, avviata nel 2023 e finanziata dalla Commissione Europea nell’ambito del programma Horizon Europe, ha studiato la fattibilità di data center spaziali sia per raggiungere l’obiettivo del Green Deal dell’Unione Europea di zero emissioni nette di carbonio entro il 2050, sia per trasformare l’ecosistema spaziale e digitale europeo. Conclusioni: si può fare.
Torniamo da Starcloud e passiamo in rassegna, in maggiore dettaglio, i vantaggi della soluzione da loro proposta.
I data center nello spazio possono utilizzare l’energia solare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, senza ostacoli di sorta. Ciò consente di ridurre i costi dell’energia di ordini di grandezza, con conseguente drastico risparmio sui costi operativi rispetto alle loro controparti terrestri. I parchi solari sulla Terra raggiungono fattori di capacità mediani fra il 24 e il 10 per cento, circa. Un pannello solare spaziale presenta un fattore di capacità superiore al 95 per cento, grazie all’orientamento ottimale, alla mancanza del ciclo giorno/notte, nonché dell’effetto delle stagioni, delle condizioni meteorologiche e dell’attenuazione e dispersione atmosferica della radiazione solare. Risultato: un pannello solare nello spazio genera oltre 5 volte l’energia dello stesso pannello sulla Terra.
Si è, ovviamente, tenuto conto degli effetti che influiscono sulla efficienza di conversione delle celle fotovoltaiche dei pannelli: radiazioni ionizzanti, raggi UV, coefficiente termico.
Starcloud dice di avere dimostrato che l’appropriata progettazione e selezione delle celle consente di ottenere tassi di degrado di appena lo 0,15 per cento all’anno. Ipotizzando un data center da 40 MW per lancio, costo unitario 5 milioni di dollari e un costo del materiale delle celle solari pari a 0,03 dollari per watt, ammortizzati in 10 anni, Starcloud dice di essere in grado di offrire un costo energetico equivalente di 0,002 dollari/kWh, un costo 22 volte inferiore rispetto ai prezzi dell’energia terrestre.
Altra fonte di vantaggio competitivo dei data center spaziali è il risparmio sulle spese di condizionamento dei computer installati. Lo spazio profondo è freddo, temperatura ambiente “effettiva” circa -270°C. Un oggetto in orbita alta raggiunge naturalmente questa temperatura se schermato dal sole e dalla luce riflessa della Terra. Nello spazio, si possono utilizzare architetture di raffreddamento più semplici ed efficienti rispetto a quelle che vengono utilizzati per raggiungere basse temperature nei data center terrestri.
Per dissipare il calore nello spazio serve un radiatore, una lastra nera di un metro quadro, mantenuta a 20 °C che irradia, usando entrambi i lati, circa 838 watt, il che è circa tre volte l’elettricità generata per metro quadrato dai pannelli solari. Inoltre, i data center posti in determinate orbite non subiscono fluttuazioni della “temperatura ambiente” (oltre il circa 0,2 per cento di variazione dell’irraggiamento solare) e si trovano in un ambiente altamente stabile, favorendo il controllo termico. Sulla Terra, i sistemi di raffreddamento devono essere progettati per i giorni più caldi con temperature a volte superiori ai 45 °C, con conseguente loro sovradimensionamento nelle condizioni medie. Nello spazio, non è necessario.
Nei paesi occidentali, i nuovi progetti energetici e infrastrutturali su larga scala richiedono spesso un decennio, o più, per essere completati a causa di una miriade di permessi, diritti di passaggio e restrizioni sulle linee di trasmissione.
Spostando i data center nello spazio si riducono i vincoli di autorizzazione, il che consente di risparmiare costi, ma soprattutto tempo. I data center orbitali possono essere implementati in modo più agile, scalandoli più velocemente se necessario, con la libertà di modificare i piani se cambiano i requisiti commerciali.
La logica di progettazione si basa su pochi elementi.
In primo luogo la modularità: ogni modulo è analogo a un container e più moduli possono essere agganciati/sganciati in modo indipendente. I requisiti per ogni elemento possono evolvere in base alle esigenze. I contenitori possono avere capacità di calcolo diverse nel tempo.
Si è poi considerata la manutenzione: le parti e i container vecchi sono facili da sostituire senza influire in modo significativo sulle prestazioni del data center la cui vita prevista è di almeno 10 anni.
Terzo criterio: la riduzione al minimo dei componenti critici, quali connettori, attuatori meccanici, fermi e parti mobili. Idealmente, ogni container ha un solo connettore che combina alimentazione, comunicazione e raffreddamento.
Infine, si è considerata la resilienza di progetto: minimizzazione delle possibilità di errori e nel caso si verificassero devono comportare un degrado non catastrofico delle prestazioni.
Ogni container è dotato di sottosistemi per l’alimentazione e il raffreddamento, oltre a telai (rack) contenenti le unità per l’elaborazione, l’archiviazione e le comunicazioni. Il container è progettato per essere agganciato alla struttura principale utilizzando un unico connettore, in grado di collegare in modo affidabile migliaia di coppie di fibre, ingressi ad alta tensione e raffreddamento ad alta capacità.
Dal punto di vista della rete, l’addestramento di modelli di intelligenza artificiale di grandi dimensioni richiede una latenza molto bassa tra tutti i nodi di calcolo all’interno del data center. Tutti i container, in un determinato data center, devono trovarsi a poche centinaia di metri l’uno dall’altro. Ciò implica che devono essere posti fisicamente vicini l’uno all’altro in un’architettura a margherita strettamente connessa.
Per quanto riguarda la connettività, Starcloud prevede di utilizzare la tecnologia laser collegandosi a costellazioni di satelliti come Starlink, Kuiper, o Kepler. Per integrare i collegamenti ottici, o in radiofrequenza, è previsto trasportare grandi volumi di dati di addestramento, petabyte, o addirittura exabyte, per singolo viaggio, utilizzando navette, costituite da piccoli moduli lanciati da terra. Questo approccio ha dimostrato di funzionare inviando alla stazione orbitale internazionale 7 GB di dati utilizzando un Amazon Snowcone.
Ciascun container occupa completamente il vano di carico utile del veicolo di lancio e la sua capacità di massa. Le dimensioni sono quindi limitate dalle capacità di carico utile della prossima generazione di veicoli di lancio per carichi pesanti. Un singolo lancio mette in orbita circa 40 MW di calcolo. Con meno di 100 lanci si hanno a disposizione 5 GW di calcolo e un numero analoghi di lanci sono necessari per i moduli solari e i radiatori. Possono essere effettuati fino a tre lanci al giorno. Pertanto, l’istallazione dell’intero data center da 5 GW richiede 2-3 mesi.
I costi di lancio, grazie allo sviluppo di diversi lanciatori pesanti, parzialmente o totalmente riutilizzabili, stanno per essere drasticamente ridotti a circa 5 milioni di dollari per lancio. Con una capacità di carico utile di 100 tonnellate, ciò si traduce in circa 30 dollari al chilogrammo. I prezzi si prevede scenderanno fino a 10 dollari al chilogrammo e non saranno più un fattore primario di costo.
A proposito di orbita. La scelta ottima deve soddisfare vari fattori, tra cui le radiazioni, la resistenza aerodinamica, la disponibilità e la latenza della rete, i detriti spaziali e l’accessibilità al lancio. Il fattore più importante è la generazione continua di energia solare e quindi è stata selezionata un’orbita sincrona con il Sole (SSO). Il piano dell’orbita rimane approssimativamente perpendicolare alla direzione del Sole tutto l’anno, con illuminazione quasi continua che raddoppia la produzione media di energia rispetto alle orbite che vedono un ciclo giorno/notte il che riduce l’affaticamento dei materiali conseguente ai cicli termici dei pannelli e consente al data center di funzionare in continua senza dovere avere significative capacità di accumulo.
Nonostante la progettazione avanzata della schermatura è probabile che le radiazioni ionizzanti, lo stress termico e altri fattori di invecchiamento riducano la durata di alcuni dispositivi elettronici. Tuttavia, le temperature di esercizio più basse, la stabilità meccanica e termica e l’assenza di un’atmosfera corrosiva possono prolungare la durata di altri dispositivi, comportando un bilancio positivo netto, già osservato durante il Project Natick di Microsoft, che ha gestito per anni container di data center sigillati posti sul fondale marino.
Lo scenario più probabile è l’assemblaggio graduale del data center, utilizzando un’architettura dove i container di elaborazione vengono collegati attorno a un asse centrale, mentre i moduli solari/radiatori, aggiunti in modo incrementale, si irradiano verso l’esterno. Questa architettura utilizza solo due tipi di struttura primaria, consentendo economie di scala e riducendo lo sforzo di progettazione. Inoltre è concepita per potere sostituire con facilità sia i moduli di calcolo, sia gli altri sottosistemi così da mantenere l’hardware del data center aggiornato e fresco. Come per i moderni data center hyperscale terrestri la ridondanza è progettata a livello di sistema, così che le prestazioni complessive si degradino gradualmente in caso di guasto dei componenti. Il data center continua a funzionare anche in attesa della sostituzione di container o sottosistemi difettosi.
La fine vita del data center si ritiene sarà determinata dall’infrastruttura di raffreddamento e dai sottosistemi di erogazione dell’alimentazione. Sulla Stazione Spaziale Internazionale hanno una durata di progetto di 15 anni e Starcloud si aspetta una durata simile per i suoi data center orbitali.
Certo, si tratta di un progetto ambizioso, reso possibile dalla combinazione di quattro tendenze:
drastico calo dei costi di lancio, imminente crisi della domanda di elettricità, crescita della domanda di grandi cluster di calcolo ad alta intensità energetica e proliferazione di connettività a basso costo da mega-costellazioni di satelliti.
Quindi non è solo Thales Alenia Space a essere convinta che i data center orbitali non siano fantascienza. Sono fisicamente possibili. La vera sfida è solo ingegneristica. Si può fare. Starcloud è convinta che sono anche economicamente sostenibili e indispensbili per il futuro dell’intelligenza artificiale.
Forse vale la pena investire qualche soldino nelle loro azioni.
