Intel alimenta il primo satellite con intelligenza artificiale a bordo

Quanto onnipresente sia diventata l’intelligenza artificiale nella vita moderna — dal migliorare la nostra comprensione del cosmo al far emergere video divertenti sul tuo telefono — l’IA non ha ancora trovato il suo posto in orbita.

Finché il 2 settembre, quando un satellite sperimentale delle dimensioni di una scatola di cereali è stato espulso da un dispenser di razzi insieme ad altri 45 satelliti di dimensioni simili. Il satellite, chiamato PhiSat-1, sta ora volando a oltre 17.000 mph (27.500 km/h) in un’orbita sincrona con il sole a circa 329 miglia (530 km) di altezza.

PhiSat-1 contiene una nuova camera iperspettrale-termica e un’elaborazione dell’intelligenza artificiale a bordo grazie all’unità di elaborazione della visione Intel (INTC ) ® Movidius™ Myriad™ 2 (VPU) — lo stesso chip all’interno di molte fotocamere intelligenti e anche di un drone per selfie da 99 dollari qui sulla Terra. PhiSat-1 è in realtà uno di una coppia di satelliti su una missione per monitorare il ghiaccio polare e l’umidità del suolo, mentre anche testa sistemi di comunicazione intersatellitare per creare una futura rete di satelliti federati.

Il primo problema che Myriad 2 aiuta a risolvere? Come gestire la grande quantità di dati generata da fotocamere ad alta fedeltà come quella su PhiSat-1. “La capacità che i sensori hanno di produrre dati aumenta di un fattore di 100 ogni generazione, mentre le nostre capacità di scaricare dati aumentano, ma solo di un fattore di tre, quattro, cinque per generazione”, afferma Gianluca Furano, responsabile dei sistemi di dati e dell’elaborazione a bordo dell’Agenzia Spaziale Europea, che ha guidato lo sforzo collaborativo dietro PhiSat-1.

Allo stesso tempo, circa due terzi della superficie del nostro pianeta sono coperti da nuvole in qualsiasi momento. Ciò significa che vengono catturate, salvate, inviate su una banda di down-link preziosa verso la Terra, salvate di nuovo, esaminate da uno scienziato (o un algoritmo) su un computer ore o giorni dopo — solo per essere eliminate.

“E l’intelligenza artificiale sul bordo è venuta a salvarci, la cavalleria nel film western”, afferma Furano. L’idea che il team ha raccolto intorno era quella di utilizzare l’elaborazione a bordo per identificare e scartare le immagini nuvolose — risparmiando così circa il 30% della banda.

“Lo spazio è il bordo definitivo”, afferma Aubrey Dunne, chief technology officer di Ubotica. L’azienda irlandese ha costruito e testato la tecnologia dell’intelligenza artificiale di PhiSat-1, lavorando in stretta collaborazione con cosine, produttore della fotocamera, oltre all’Università di Pisa e Singergise per sviluppare la soluzione completa. “Il Myriad era assolutamente progettato fin dall’inizio per avere una capacità di calcolo impressionante ma in un involucro di potenza molto basso, e ciò si adatta realmente alle applicazioni spaziali”.

Myriad 2, tuttavia, non era destinato all’orbita. I computer dei veicoli spaziali utilizzano normalmente chip “resistenti alle radiazioni” molto specializzati che possono essere “fino a due decenni indietro rispetto alla tecnologia commerciale all’avanguardia”, spiega Dunne. E l’IA non è stata nel menu.

Quindi Dunne e il team Ubotica hanno eseguito una “caratterizzazione delle radiazioni”, mettendo il chip Myriad attraverso una serie di test per capire come gestire eventuali errori o usura.

ESA “non aveva mai testato un chip di questa complessità per radiazioni”, afferma Furano. “Eravamo scettici che potessimo testarlo correttamente … abbiamo dovuto scrivere il manuale su come eseguire un test e una caratterizzazione completa per questo chip da zero”.

Il primo test, 36 ore consecutive di bombardamento con un fascio di radiazioni al CERN alla fine del 2018, “è stata una situazione di alta pressione”, afferma Dunne. Ma quel test e due seguiti “per fortuna sono andati bene per noi”. Il Myriad 2 ha superato in forma standard, senza modifiche necessarie.

Improvvisamente questo chip di visione computerizzata a basso consumo e ad alte prestazioni era pronto a venture oltre l’atmosfera terrestre. Sì! Ma ora arrivava un’altra sfida.

Normalmente, gli algoritmi dell’intelligenza artificiale vengono costruiti, o “addestrati”, utilizzando grandi quantità di dati per “imparare” — in questo caso, cosa è una nuvola e cosa non lo è. Ma dato che la fotocamera era così nuova, “non avevamo dati”, afferma Furano. “Abbiamo dovuto addestrare la nostra applicazione su dati sintetici estratti da missioni esistenti”.

Tutto questo sistema e integrazione software e testing, con la partecipazione di una mezza dozzina di diverse organizzazioni in tutta Europa, ha richiesto quattro mesi per essere completato. “Eravamo molto orgogliosi di essere stati in grado di essere così rapidi e flessibili, per mettere tutto a bordo in così poco tempo”, afferma Max Pastena, ufficiale PhiSat presso l’ESA. Per quanto riguarda lo sviluppo del veicolo spaziale, il cronogramma “è un miracolo”, aggiunge Furano.

“Intel ci ha dato supporto di background sul dispositivo Myriad quando ne avevamo bisogno, per abilitare l’IA di PhiSat-1 utilizzando la nostra tecnologia CVAI”, afferma Dunne. “Ciò è molto apprezzato”.

Purtroppo, una serie di eventi non correlati — ritardi con il razzo, la pandemia di coronavirus e venti estivi poco favorevoli — hanno significato che i team hanno dovuto aspettare più di un anno per scoprire se PhiSat-1 avrebbe funzionato in orbita come previsto.

Il lancio del 2 settembre dalla Guyana francese — un servizio di trasporto di satelliti senza precedenti gestito da Arianespace — è andato veloce e senza problemi. Per la verifica iniziale, il satellite ha salvato tutte le immagini e registrato la sua decisione di rilevamento delle nuvole per ognuna, in modo che il team a terra potesse verificare che il suo cervello implantato si stava comportando come previsto.

Dopo un respiro profondo di tre settimane, Pastena è stato in grado di proclamare: “Abbiamo appena entrato nella storia dello spazio”.

ESA ha annunciato che il team congiunto era “felice di rivelare la prima inferenza di intelligenza artificiale hardware-accelerata di immagini di osservazione della Terra su un satellite in orbita”.

Inviano solo i pixel utili, il satellite migliorerà l’utilizzo della banda e ridurrà notevolmente i costi di downlink aggregati — per non parlare del tempo risparmiato agli scienziati a terra.

Guardando avanti, gli usi per satelliti minuscoli e migliorati con l’intelligenza artificiale a basso costo sono innumerevoli — in particolare quando si aggiunge la capacità di eseguire più applicazioni.

“Invece di avere hardware dedicato in un satellite che fa una cosa, è possibile commutare le reti dentro e fuori”, afferma Jonathan Byrne, capo dell’ufficio tecnologico Intel Movidius. Dunne chiama questo “satellite-as-a-service”.

Considera: quando vola sopra aree soggette a incendi boschivi, un satellite può individuare incendi e notificare i soccorritori locali in pochi minuti invece di ore. Sopra gli oceani, che vengono normalmente ignorati, un satellite può individuare navi o incidenti ambientali fuorilegge. Sopra foreste e fattorie, un satellite può monitorare l’umidità del suolo e la crescita delle colture. Sopra il ghiaccio, può monitorare lo spessore e i laghi di fusione per aiutare a monitorare il cambiamento climatico.

Molte di queste possibilità saranno presto testate: ESA e Ubotica stanno lavorando insieme a PhiSat-2, che porterà un altro Myriad 2 in orbita. PhiSat-2 sarà “in grado di eseguire app di intelligenza artificiale che possono essere sviluppate, installate facilmente, validate e operate sul veicolo spaziale durante il volo utilizzando un’interfaccia utente semplice”.

Per Intel, si tratta di un mercato a basso volume, ma l’impatto potenziale è indiscutibile. Come afferma Pastena, possiamo eventualmente capire “il polso del nostro pianeta”.