Intel voimaan ensimmäisen satelliitin, jossa on tekoäly laitteiston sisällä

Niin yleinen kuin tekoäly on nykyaikana — sekä kosmoksen ymmärtämisen lisäämisestä viihdyttävien videoiden esiin tuomiseen puhelimellasi — tekoäly ei ole vielä löytänyt tiensä kiertoradalle.

Tämä kestää siihen asti, kunnes 2. syyskuuta kokeellinen satelliitti, joka on noin aamiaismurojen kokoinen, irrotettiin raketin syötteestä 45 muun samankokoisen satelliitin kanssa. Satelliitti, joka on nimeltään PhiSat-1, on nyt lentämässä yli 17 000 mailin (27 500 km) tuntivauhtia aurinkosynkronisessa kiertoradassa noin 329 mailin (530 km) korkeudessa.

PhiSat-1 sisältää uuden hyperspektraalisen lämpökameran ja laitteistopuolen tekoälyprosessorin Intel® Movidius™ Myriad™ 2 -näönlaskentayksikön (VPU) ansiosta — saman sirun, joka on monissa älykameroissa ja jopa 99 dollarin itsestään kuvaavassa droonissa täällä maan päällä. PhiSat-1 on itse asiassa yksi paria satelliitteja, jotka ovat tehtävänä seurata napajäätä ja maan kosteutta, samalla testaten satelliittien välistä viestintäjärjestelmää tulevan satelliittiverkon luomiseksi.

Ensimmäinen ongelma, jota Myriad 2 auttaa ratkaisemaan, on kuinka käsitellä suuri määrä dataa, jonka korkealaatuiset kamerat, kuten PhiSat-1:llä oleva, tuottavat. “Anturien kyky tuottaa dataa kasvaa tekijällä 100 joka sukupolvi, kun taas kykymme ladata dataa kasvaa, mutta vain tekijällä kolme, neljä, viisi joka sukupolvi”, sanoo Gianluca Furano, datajärjestelmien ja laitteistopuolen laskennan johtaja Euroopan avaruusjärjestössä, joka johti PhiSat-1:n taustalla olevaa yhteistyöhön perustuvaa ponnistusta.

Samaan aikaan noin kaksi kolmasosaa planeetamme pinnasta on peitetty pilvillä kulloisenkin ajanjakson aikana. Tämä tarkoittaa, että suuri määrä hyödyttömiä pilvikuvasia tallennetaan tyypillisesti, lähetetään arvokkaan laskukaistan kautta maahan, tallennetaan uudelleen, tarkastetaan tietokoneella tuntien tai päivien kuluttua — vain poistamaan.

“Ja tekoäly reunassa tuli pelastamaan meidät, ratsuväki lännenselässä”, sanoo Furano. Ajatus, jota tiimi kokoontui, oli käyttää laitteistopuolen laskentaa pilvisten kuvien tunnistamiseen ja hylkäämiseen — näin ollen säästäen noin 30 %:ia laskukaistaa.

“Avaruus on reunan äärimmäinen”, sanoo Aubrey Dunne, Ubotican teknologiapäällikkö. Irlantilainen startup kehitti ja testasi PhiSat-1:n tekoälytekniikkaa, työskennellen läheisessä yhteistyössä cosinen kanssa, joka on kameran valmistaja, yhdessä Pisan yliopiston ja Singergisen kanssa kehittääkseen kokonaisratkaisun. “Myriad oli suunniteltu alusta alkaen vaikuttavalla laskentakapasiteetilla, mutta hyvin alhaisessa virrankulutuksessa, ja se sopii erinomaisesti avaruussovelluksiin.”

Myriad 2:ta ei kuitenkaan ollut tarkoitettu kiertoradalle. Avaruusalusten tietokoneet käyttävät yleensä erittäin erikoistuneita “säteilykovaa” siruja, jotka voivat olla “jopa kaksi vuosikymmentä jäljessä kaupallisen teknologian huipulla”, selittää Dunne. Ja tekoäly ei ollut valikossa.

Dunne ja Ubotican tiimi suorittivat “säteilyluonteen”, asettamalla Myriad-sirun sarjan testien läpi selvittääkseen, miten käsitellä mahdollisia virheitä tai kulumista.

ESA “ei ollut koskaan testannut sirua tämänkaltaisella monimutkaisuudella säteilylle”, sanoo Furano. “Olimme epäileviä, voimmeko testata sen oikein … meidän piti kirjoittaa käsikirja, miten suorittaa kattava testi ja luonteenkuvaus tälle sirulle alusta alkaen.”

Ensimmäinen testi, 36 tuntia suoraan säteilyä CERNissä loppuvuonna 2018, “oli erittäin korkeapaineinen tilanne”, sanoo Dunne. Mutta se testi ja kaksi seuraavaa “onneksi sujuivat hyvin meidän osaltamme”. Myriad 2 menestyi sellaisenaan, ilman muutoksia.

Yhtäkkiä tämä matalatehoinen, suorituskykyinen näönlaskentasiru oli valmis lähtemään maan ilmakehän ulkopuolelle. Kyllä! Mutta nyt tuli toinen haaste.

Tyypillisesti tekoälyalgoritmit kehitetään, tai “koulutetaan”, suurien datamäärien avulla “oppiakseen” — tässä tapauksessa, mikä on pilvi ja mikä ei ole. Mutta kameran ollessa niin uusi, “meillä ei ollut mitään dataa”, sanoo Furano. “Meidän piti kouluttaa sovelluksemme synteettisillä tiedoilla, jotka on poimittu olemassa olevista tehtävistä.”

Kaikki tämä järjestelmä- ja ohjelmistojen integrointi ja testaus, johon osallistui puolisen tusinaa eri organisaatiota Euroopassa, kesti neljä kuukautta. “Olimme erittäin ylpeitä pystyvästämme olemaan noin nopeita ja tehokkaita, asettaaksemme kaiken laitteeseen niin lyhyessä ajassa”, sanoo Max Pastena, PhiSat-upseeri ESA:ssa. Avaruusalusten kehityksen kannalta aikataulu “on ihme”, lisää Furano.

“Intel on antanut meille taustatukea Myriad-laitteelle, kun olemme tarvinneet sitä, mahdollistaaksemme PhiSat-1:n tekoälyn käytön CVAI-tekniikalla”, sanoo Dunne. “Se on erittäin arvostettavaa.”

Valitettavasti sarja liittymättömiä tapahtumia — viivästysten kanssa rakettien kanssa, koronaviruspandemia ja epäystävälliset kesätuulet — tarkoitti, että tiimien piti odottaa yli vuoden, ennen kuin he saivat tietää, toimisiko PhiSat-1 kiertoradalla suunnitelmien mukaan.

2. syyskuuta tapahtunut laukaisu Ranskan Guayanasta — ensimmäinen lajissaan satelliittien jakelu Arianespace:n toimesta — sujui nopeasti ja virheettömästi. Alkuvaiheen vahvistamiseksi satelliitti tallensi kaikki kuvat ja tallensi tekoälynsä pilvipäätöksen kullekin, jotta tiimi maan päällä voisi vahvistaa, että sen istutettu aivot toimivat odotetusti.

Kolmen viikon mittaisen syvän hengityksen jälkeen Pastena pystyi julistamaan: “Olemme juuri astuneet avaruuden historiaan.”

ESA ilmoitti yhteistyötiimin olevan “iloinen paljastamaan ensimmäisen koskaan laitteistopohjaisen tekoälyjohtopäätöksen maan havaintokuvista kiertoradalla olevalla satelliitilla”.

Lähettämällä vain hyödyllisiä kuvapikseleitä satelliitti parantaa nyt “laskukaistan käytön ja vähentää merkittävästi laskettujen kustannusten kokonaismäärää” — ei puhumattakaan tiedemiesten ajan säästämisestä maan päällä.

Tulevaisuuden näkymistä, kun otetaan huomioon edulliset, tekoälyllä parannetut satelliitit, ovat lukemattomia — erityisesti, kun otetaan huomioon useiden sovellusten suorittamisen mahdollisuus.

“Sen sijaan, että olisi omistettua laitteistoa satelliitissa, joka tekee yhden asian, on mahdollista vaihtaa verkkoja sisään ja ulos”, sanoo Jonathan Byrne, Intel Movidius -tekniikkatoimiston johtaja. Dunne kutsuu tätä “satelliittipalveluksi”.
Kun lentämällä alueilla, jotka ovat alttiita metsäpaloille, satelliitti voi havaita paloja ja ilmoittaa paikallisille vastaanottajille minuuteissa, ei tunteissa. Ylittäessä valtameriä, jotka yleensä jätetään huomiotta, satelliitti voi havaita laittomia aluksia tai ympäristöonnettomuuksia. Ylittäessä metsiä ja maatiloja satelliitti voi seurata maan kosteutta ja kasvien kasvua. Jäällä se voi seurata paksuutta ja sulamisjärviä ilmastonmuutoksen seuraamiseksi.

Monet näistä mahdollisuuksista tullaan pian testaamaan: ESA ja Ubotica kehittävät yhdessä PhiSat-2:ta, joka vie toisen Myriad 2:n kiertoradalle. PhiSat-2 tulee olemaan “kykenevä suorittamaan tekoälysovelluksia, jotka voidaan kehittää, asentaa, validoida ja toimia aluksella lennon aikana käyttäen yksinkertaista käyttöliittymää”.

Intelille tämä on matalavolyyminen markkina, mutta vaikutus on kiistämätön. Kuten Pastena sanoo, voimme lopulta ymmärtää “planeetamme sykettä”.