Ý tưởng xây dựng trung tâm dữ liệu trong không gian vẫn còn khá mới mẻ, nhưng nó đang dần thu hút sự quan tâm và nguồn vốn đầu tư khi những hạn chế về năng lượng và quỹ đất ngày càng khiến việc mở rộng các cơ sở điện toán khổng lồ trên Trái Đất trở nên khó khăn hơn.

Đầu năm nay, trong chặng mới nhất của cuộc đua không gian kéo dài nhiều thập kỷ, SpaceX của Elon Musk và Blue Origin của Jeff Bezos đều công bố kế hoạch xây dựng và phóng các trung tâm dữ liệu trên quỹ đạo.

Những trung tâm dữ liệu này sẽ hoạt động như mạng lưới gồm hàng ngàn, thậm chí hàng triệu tàu vũ trụ quay quanh hành tinh, có khả năng tiếp nhận và xử lý dữ liệu ngay trên quỹ đạo nhờ nguồn năng lượng liên tục từ Mặt Trời. Dù nhiều thành phần của một trung tâm dữ liệu ngoài Trái Đất có thể tương tự mạng vệ tinh thông thường, chúng vẫn cần được thiết kế riêng để xử lý lượng dữ liệu khổng lồ truyền từ mặt đất.

Bên cạnh những thách thức trong sản xuất, quy mô khổng lồ của các trung tâm dữ liệu quỹ đạo cũng làm dấy lên lo ngại về tình trạng quá tải quanh quỹ đạo Trái Đất, có thể làm tăng nguy cơ va chạm vệ tinh và khiến việc quan sát các vì sao cùng những kỳ quan thiên văn khác trở nên khó khăn hơn.

Bloomberg Businessweek đã trao đổi với Lori Gordon, giám đốc hệ thống tại Space Enterprise Evolution Directorate thuộc Aerospace, cùng nhóm chuyên gia viễn thông do Sean McDevitt, đối tác tại hãng tư vấn Arthur D. Little, dẫn dắt.

Họ sẽ giải thích những thành phần cốt lõi của vệ tinh trong một trung tâm dữ liệu quỹ đạo và cách chúng hỗ trợ hoạt động điện toán ngoài không gian.

Khung vệ tinh

Khung vệ tinh, được xem là “thân” của tàu vũ trụ, là nơi chứa nhiều chức năng cơ bản như điều khiển bay, liên lạc, hệ thống cấp điện và quản lý nhiệt. Bộ phận trung tâm này được thiết kế để chịu được môi trường khắc nghiệt ngoài không gian, bao gồm mức bức xạ cao và nhiệt độ cực đoan.

Tấm pin Mặt Trời và hệ thống lưu trữ năng lượng

Một cụm pin Mặt Trời, còn gọi là solar array, sẽ mở rộng như đôi cánh từ thân vệ tinh để thu năng lượng từ Mặt Trời. Đây sẽ là thành phần đặc biệt quan trọng đối với các trung tâm dữ liệu quỹ đạo vì chúng cung cấp lượng điện khổng lồ phục vụ việc xử lý dữ liệu ngay trên vệ tinh, nên trở thành yếu tố then chốt trong thiết kế.

Starcloud, công ty có trụ sở tại Seattle cũng đang theo đuổi mục tiêu xây dựng trung tâm dữ liệu quỹ đạo, dự định phát triển các tấm pin Mặt Trời rộng tới 2,5 dặm. Các vệ tinh cũng sẽ sử dụng pin để lưu trữ năng lượng trong thời điểm nhu cầu tăng cao hoặc khi ánh sáng Mặt Trời bị che khuất, chẳng hạn trong lúc xảy ra nhật thực.

Bộ tản nhiệt

Các trung tâm dữ liệu trên Trái Đất thường dùng không khí lạnh hoặc nước để làm mát hệ thống máy chủ, vốn tạo ra lượng nhiệt rất lớn khi hoạt động. Nhưng trên quỹ đạo, nơi không có khí quyển, bộ tản nhiệt của vệ tinh sẽ giải phóng nhiệt vào khoảng chân không lạnh giá của không gian dưới dạng bức xạ hồng ngoại.

Các bộ tản nhiệt phải được bố trí cẩn thận hướng về không gian sâu để tránh hấp thụ nhiệt từ Mặt Trời hoặc Trái Đất. Công nghệ tản nhiệt trong không gian đã tồn tại từ lâu, nhưng các trung tâm dữ liệu quỹ đạo sẽ cần hệ thống làm mát có khả năng xử lý lượng nhiệt lớn hơn nhiều lần so với mức mà bộ tản nhiệt của vệ tinh viễn thông hoặc vệ tinh quan sát thông thường có thể đáp ứng.

Hệ thống liên lạc

Các trung tâm dữ liệu quỹ đạo dự kiến ít nhất vẫn sẽ dựa một phần vào sóng vô tuyến, công nghệ mà hầu hết vệ tinh hiện nay sử dụng để gửi và nhận dữ liệu giữa Trái Đất với không gian. Tuy nhiên, một số chuyên gia cho rằng để xử lý dữ liệu hiệu quả, các công ty nhiều khả năng sẽ phải dùng công nghệ liên lạc bằng laser, lĩnh vực mới nổi có thể truyền lượng dữ liệu khổng lồ với tốc độ cao hơn đáng kể.

Liên lạc bằng laser, còn gọi là optical laser link, hiện đã được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các vệ tinh với nhau, nhưng vẫn đang trong quá trình phát triển cho hoạt động truyền dữ liệu từ mặt đất lên không gian.

Liên kết laser quang học

Do tàu vũ trụ liên tục di chuyển trên quỹ đạo, đến lúc xử lý xong dữ liệu, chúng có thể đã nằm ngoài phạm vi của trạm mặt đất ban đầu gửi yêu cầu. Trong trường hợp đó, vệ tinh có thể chuyển dữ liệu đã xử lý sang vệ tinh tiếp theo thông qua optical link, phương thức truyền dữ liệu tốc độ cao bằng tia laser.

SpaceX hiện đã sử dụng optical laser link trong mạng Starlink của mình và theo hồ sơ nộp lên Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ, công ty cũng dự định áp dụng công nghệ này cho trung tâm dữ liệu quỹ đạo.

Bộ thu phát

Khi nhận yêu cầu từ Trái Đất, bộ thu phát sẽ chuyển tín hiệu sóng vô tuyến đi vào ăng-ten của vệ tinh thành dữ liệu số để các con chip trên tàu xử lý. Khi gửi dữ liệu trở lại mặt đất, quy trình diễn ra theo chiều ngược lại: Bộ thu phát chuyển dữ liệu đã xử lý sang đúng tần số trước khi truyền tới ăng-ten phù hợp để phát đi.

Bộ xử lý và bộ nhớ trên tàu

Khác với các vệ tinh thông thường, các đơn vị trung tâm dữ liệu quỹ đạo sẽ được trang bị chip AI có khả năng chống bức xạ, đặt trong thân vệ tinh để xử lý dữ liệu và lưu trữ trong bộ nhớ riêng. Tháng 3 năm nay, Nvidia cho biết sẽ sản xuất chip GPU chuyên dùng cho điện toán ngoài không gian, động thái có thể giúp giải quyết một trong những thách thức lớn nhất trong việc xây dựng và vận hành trung tâm dữ liệu quỹ đạo.

Lớp mạng kết nối

Các trung tâm dữ liệu quỹ đạo sẽ cần phần cứng mạng đóng vai trò như “tủy sống” của tàu vũ trụ. Hệ thống này sẽ kết nối các bộ phận xử lý, bộ nhớ và lưu trữ khác nhau, đồng thời định tuyến dữ liệu đến và đi từ bộ thu phát nếu cần truyền sang vệ tinh khác hoặc xuống mặt đất.

Trạm mặt đất

Đây là bộ phận trung gian giữa người dùng và vệ tinh. Trong mô hình trung tâm dữ liệu quỹ đạo, yêu cầu của người dùng sẽ được chuyển tới trạm mặt đất, thường thông qua cáp quang trên Trái Đất. Sau đó, trạm mặt đất truyền yêu cầu lên vệ tinh bằng ăng-ten cỡ lớn hoặc thiết bị laser quang học, để vệ tinh xử lý dữ liệu rồi gửi kết quả trở lại Trái Đất.