Intel driver den første satellit med AI om bord

Så almindelige som kunstig intelligens er blevet i moderne liv — fra at forbedre vores forståelse af kosmos til at fremhæve underholdende videoer på din telefon — har AI endnu ikke fundet sin vej ind i kredsløb.

Det var dog til 2. september, da en eksperimentel satellit på størrelse med en morgenmadsæske blev udskudt fra en raketdispenser sammen med 45 andre satellitter af samme størrelse. Satellitten, der hedder PhiSat-1, flyver nu i en sol-synkron orbit på over 17.000 mph (27.500 km/t) på en højde af 329 miles (530 km).

PhiSat-1 indeholder en ny hyperspektral-termisk kamera og onboard AI-behandling takket være Intel (INTC ) ® Movidius™ Myriad™ 2 Vision Processing Unit (VPU) — samme chip, der findes i mange smarte kamere og selv en $99 selvoptagelsesdrone her på jorden. PhiSat-1 er faktisk en af to satellitter på en mission til at overvåge polaris og jordfugt, samt teste intersatellitkommunikationssystemer for at skabe en fremtidig netværk af fødererede satellitter.

Det første problem, som Myriad 2 hjælper med at løse, er, hvordan man håndterer den store mængde data, der genereres af højtydende kamere som den på PhiSat-1. “Evnen, som sensorer har til at producere data, øges med en faktor 100 for hver generation, mens vores evne til at downloade data kun øges med en faktor 3, 4, 5 pr. generation,” siger Gianluca Furano, data-systemer og onboard-computing-ansvarlig ved Den Europæiske Rumfartsorganisation, som ledte den samarbejdende indsats bag PhiSat-1.

På samme tid er omkring to tredjedele af jordens overflade dækket af skyer på ethvert givent tidspunkt. Det betyder, at en hel del ubrugelige billeder af skyer typisk bliver fanget, gemt, sendt over dyre down-link-bånd til jorden, gemt igen, gennemgået af en videnskabsmand (eller en algoritme) på en computer timer eller dage senere — kun for at blive slettet.

“Og kunstig intelligens i kanten kom os til undsætning, kavaleriet i westernfilmen,” siger Furano. Idéen, som holdet samledes om, var at bruge onboard-behandling til at identificere og smide skyede billeder — og dermed spare omkring 30% af båndbredden.

“Rummet er den ultimative kant,” siger Aubrey Dunne, teknisk direktør i Ubotica. Den irske startup byggede og testede PhiSat-1’s AI-teknologi, i tæt samarbejde med cosine, producenten af kameraet, samt Universitetet i Pisa og Singergise for at udvikle den komplette løsning. “Myriad var absolut designet fra bunden af til at have en imponerende beregningskapacitet, men i en meget lav efforbrug, og det passer rigtig godt til rumapplikationer.”

Myriad 2 var dog ikke tiltænkt for kredsløb. Rumfartskomputere bruger typisk meget specialiserede “strålingshærdede” chip, der kan være “op til to årtier bagud for kommerciel teknologi,” forklarer Dunne. Og AI har ikke været på menuen.

Så Dunne og Ubotica-holdet udførte “strålingskarakterisering”, hvor de satte Myriad-chippen igennem en række tests for at finde ud af, hvordan de kunne håndtere eventuelle fejl eller slid.

ESA “havde aldrig testet en chip af denne kompleksitet for stråling,” siger Furano. “Vi var tvivl om, hvorvidt vi kunne teste det ordentligt … vi måtte skrive håndbogen om, hvordan man udfører en omfattende test og karakterisering af denne chip fra scratch.”

Den første test, 36 timer i træk med stråling på CERN i slutningen af 2018, “var en meget højtryksituation,” siger Dunne. Men den test og to følgende “gik heldigvis godt for os.” Myriad 2 bestod i standardform, uden modificeringer.

Pludselig var denne lav-efforbrugs-, højpræstations-computer-vision-chip klar til at gå ud over jordens atmosfære. Ja! Men nu kom endnu en udfordring.

Typisk bygges AI-algoritmer, eller “trænes,” ved hjælp af store mængder data for at “lære” — i dette tilfælde, hvad der er en sky og ikke en sky. Men da kameraet var så nyt, “havde vi ikke noget data,” siger Furano. “Vi måtte træne vores applikation på syntetisk data, der var udtrukket fra eksisterende missioner.”

Alt dette system- og software-integration og -test, med deltagelse af en halv snes forskellige organisationer over hele Europa, tog fire måneder at gennemføre. “Vi var meget stolte af at kunne være så hurtige og så effektivt fleksible, til at få alt om bord i så kort tid,” siger Max Pastena, PhiSat-officer ved ESA. Så langt som rumfartudvikling er concerned, er tidsrammen “et mirakel,” tilføjer Furano.

“Intel har givet os baggrundsstøtte på Myriad-enhed, når vi har brug for det, for at aktivere PhiSat-1’s AI ved hjælp af vores CVAI-teknologi,” siger Dunne. “Det er meget værdsat.”

Desværre betød en række uafhængige begivenheder — forsinkelser med rakettens affyring, coronaviruspandemien og uvenlige sommervinde — at holdene måtte vente mere end et år for at se, om PhiSat-1 ville fungere i kredsløb, som planlagt.

Affyringen den 2. september fra Fransk Guiana — en første-af-dens-art satellit-ride-share kørt af Arianespace — gik stærkt og fejlfrit. Til den første verificering gemte satellitten alle billeder og optog AI-beslutningen om sky-detection for hvert, så holdet på jorden kunne verificere, at dens indbyggede hjerne opførte sig, som forventet.

Efter en tre ugers lang pause kunne Pastena udråbe: “Vi er lige gået ind i historien om rummet.”

ESA meddelte, at det fælles hold var “glade for at afsløre den første nogensinde hardware-accelererede AI-inferens af jordobservationbilleder på en satellit i kredsløb.”

Ved kun at sende nyttige pixels vil satellitten nu “forbedre båndbreddsudnyttelse og reducerer samlet downlink-omkostninger” — for ikke at nævne, at det sparer videnskabsmændenes tid på jorden.

Set fremad er brugen af lav-kost-, AI-forbedrede satellitter utallige — især når man tilføjer muligheden for at køre multiple applikationer.

“I stedet for at have dedikeret hardware i en satellit, der kun gør én ting, er det muligt at skifte netværk ud og ind,” siger Jonathan Byrne, leder af Intel Movidius-teknologikontoret. Dunne kalder dette “satellit-som-en-service”.

Overvej: Når man flyver over områder, der er tilbøjelige til skovbrand, kan en satellit spotte brande og underrette lokale nødhjælpsfolk på få minutter i stedet for timer. Over havene, der normalt bliver ignoreret, kan en satellit spotte ureglementerede skibe eller miljøulykker. Over skove og landbrug kan en satellit spore jordfugt og afgrødeernes vækst. Over isen kan den spore tykkelsen og smeltevand til at hjælpe med at overvåge klimaforandringer.

Mange af disse muligheder vil snart blive testet: ESA og Ubotica arbejder sammen om PhiSat-2, der vil medføre en anden Myriad 2 i kredsløb. PhiSat-2 vil være “i stand til at køre AI-applikationer, der kan udvikles, installeres, valideres og opereres på rumfartøjet under deres flyvning ved hjælp af et simpelt brugergrænseflade.”

For Intel er det et lav-volumenmarked, men potentialet er ubestrideligt. Som Pastena siger, kan vi til sidst forstå “jordens puls”.