國際太空站應用邊緣運算技術來監控太空人的健康,結合搭載在國際太空站的HPE的Spaceborne Computer-2邊緣運算系統,還有地球上的Azure雲端服務,來監控太空人因為暴露在高輻射環境,可能出現的健康風險,太空人的血液樣本基因定序資料會先在國際太空站進行預處理,只有需要進一步分析的資料,才會透過頻寬有限的下行鏈結(Downlink)傳輸到地球處理。

目前國際太空站的這套HPE Spaceborne Computer-2,是在2021年4月才安裝到NG-15太空站,預計要服役2到3年。這件事本身就極具意義,因為過去太空站所用的電腦,通常是專門訂製的硬體和軟體模型,以滿足太空任務的可靠性需求,這些訂製的星載系統開發人員體驗很複雜,與地球上使用的商用系統相比,程式開發速度不只緩慢且困難。

在2017年的時候,HPE所設計的第一代商業系統Spaceborne Computer-1,成功被發射到太空,並且驗證可在太空高輻射的環境中正常運作,並且在今年的時候,擁有2倍運算效能,以及強化人工智慧運算能力,由HPE Edgeline EL4000 Converged Edge系統和HPE ProLiant DL360 Gen10伺服器組成的Spaceborne Computer-2,再次被部署到太空站中。

雖然運算能力提升了,但是微軟提到,應用真正的瓶頸是國際太空站和地球之間的傳輸頻寬,Spaceborne Computer-2每周只能從NASA,分配到2小時的通訊頻寬將資料傳輸到地球,最大的下載速度為每秒250 KB,這樣的頻寬還要分配給多個實驗,在這個有限的網路環境,邊緣雲端的概念發揮作用,Spaceborne Computer-2能先對大型資料集進行初步分析和過濾,擷取有趣和意外的內容,再將這些結果傳回地球公有雲上解析。

微軟在這些限制提出了一項實驗,監控高輻射暴露下太空人的健康,由於在太空中不像地球有大氣層,阻擋來自宇宙的輻射,因此太空人需要面臨高輻射的威脅,特別越過低空地球軌道,超過范艾倫輻射帶時,所暴露的輻射只會越來越多。

微軟的這項實驗,是要存取國際太空站上基因定序儀的資料進行分析,但是基因定序資料量太過龐大,而且輸出要和不斷更新的大型臨床資料庫進行比較,因此下行鏈路的頻寬太小,不足以支援這些操作,因此該實驗使用HPE Spaceborne Computer-2執行初始運算,將擷取的基因序列和參考的DNA片段進行比較,只有在找到差異或是變異時,才下載到HPE地面站。

在地球上,這些資料會被傳輸到Azure,並且使用微軟Genomics服務進行運算,將下載資料中的短鹼基對基因定序資料和完整的人類基因組資料庫比對,來確定突變的位置和變化類型,並使用美國國家衛生院的dbSNP資料庫比對讀數,來確定突變所帶來的影響。

由於在開發和測試期間,開發人員無法存取HPE Spaceborne Computer-2或HPE地面站,因此研究人員先在Azure模擬驗證了這個實驗,並在8月12日的時候,上傳120MB的程式到國際太空站的Spaceborne Computer-2上執行。

根據微軟的試驗,當原始資料為500 KB時,執行時間只需要20分鐘,需要下載至地球的資料只剩4 KB,傳輸時間不到1秒,即便原始資料有150 MB,在 Spaceborne Computer-2執行1小時的預處理後,需要傳輸的資料剩下900 KB,17秒內就能傳輸到地球。

目前HPE Spaceborne Computer-2還在邊緣雲端應用的試驗和概念性驗證階段,太空人健康監控應用僅是其中一項專案,這些試驗都會獨立於國際太空站運作的作業系統,微軟提到,隨著人類繼續向太空發展,邊緣雲端運算能力將會越來越重要,使用案例也會增加,作為突破運算資源極限的解決方案。


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