新たな宇宙の時代に向けて：IBMが宇宙でエッジ・コンピューティング・ソリューションを開発

センサー、デバイス、ワイヤレス・ネットワークの普及に伴い、データは天文学的なスピードで生成されています。

データにリアルタイムでアクセスするための要件であるレイテンシーと、大量のデータが生成される帯域幅に対応するためには、エッジ・コンピューティングへのパラダイム・シフトが必要です。エッジ・コンピューティングは、データが生成される場所に近いところでデータ処理を行い、ほぼリアルタイムに近い結果を得て、データを迅速に処理することで価値を生み出します。

筆者は、国際宇宙ステーション (ISS) に対するIBMのビジョンを、軌道上におけるエッジ・コンピューティングのロケーションとして捉えています。そこでは、イメージング・センサーやISS上で行われている様々な実験によって生成されたデータを処理することができます。

軌道上のISSにある、IBM Cloud on Earth と、 Red Hat CodeReady Containers(英語)、そしてHPE Spaceborne Compiter-2(英語)、を使用したエンド・ツー・エンドのデモンストレーションが成功すれば、宇宙での広範なエッジ・コンピューティングの概念がさらに検証され、現実のものとなるでしょう。また、このプロジェクトの結果は、強化された最先端のコンピュート、ストレージ、ネットワーク・システムを、ISSやその先に送るための次のステップを決定し、迅速化するのにも役立ちます。

宇宙におけるエッジ・コンピューティングは、IBMの宇宙イノベーション・ビジョン ( 英語リンク) の重点分野の1つです。より多くの人工衛星や宇宙船が打ち上げられ、地球観測のようなタスクを実行するようになるにつれ、「宇宙空間」のエッジで計算を行う必要性が出てくるでしょう。

• Edge Computing in Space – NASA ISS xIBM Space Tech<宇宙におけるエッジとは> (制作：Matthew Reichman（IBM Space Group)）(2分23秒, 英語版)

宇宙におけるIBMのエッジでの共創

HPE Spaceborne Computer-2、ISS National Lab(英語)、NASAのDNA シークエンシング(英語)、UCSCとの共同作業を通じて、HPEのSpaceborne Computer-2でISSで行われているDNAシークエンシングのためのカスタム・エッジ・コンピューティング・ソリューションを提供しました。

HPE Spaceborne Computer-2ペイロードは、現在、2021年2月20日に軌道に投入される予定です。これは、15回目のNorthrop Grumman Resupply Mission to Space Station (NG-15)(英語)となり、バージニア州ワロップス島の中大西洋地域宇宙港（MARS）Pad 0A からアンタレス・ロケットで打ち上げられます。ミッションの詳細はこちら(英語)をご覧ください。

国際宇宙ステーションは、地球を周回する軌道上にあるユニークな宇宙実験室で、数カ国の協力によって建設されました。現在ISSで行われているDNAの研究は、月や火星、さらにはその先へと向かう将来の宇宙ミッションにおいて重要な役割を果たすことになるでしょう。

国際宇宙ステーション（ISS）に搭載されているGenes in Space-3と呼ばれるDNAシークエンシング・プロジェクトでは、MinIONの生体分子シークエンサー装置を用いてISS内の微生物の同定に使用されています。この研究は、将来のミッションのために、またアルテミス・ミッションなどの準備のために、飛行中の微生物を同定するのに役立ちます。各実行の結果は地上にダウンリンクされ、研究者の手に渡るまでに数週間を要します。その後、ベース・コール、アラインメント、結果を得るための後処理のための更なる分析が必要となります。この全プロセスには数週間かかることもあります。

IBMがどのように宇宙でエッジ・ソリューションを開発したか

IBMは、DNAシークエンシング・プロジェクトによってISSで生成されている膨大なデータを、データが生成されている場所でコンテナ化された分析コードを提示することで、移動する必要性をなくすのを支援しています。ISSで利用可能なローカル・コンピュートを活用することで、地球への依存度を下げ、結果を得るまでの時間を短縮しています。カスタム・ソリューションは、シングル・ノードの OpenShift クラスターである Red Hat CodeReady Containers を利用しています。このソリューションは、地上に戻ってIBM Cloudに接続し、研究者が開発、テストを行い、コードをISSにプッシュできる状態にします。このソリューションは、ISSで行われている研究を迅速化するのに役立つだけでなく、ISSや将来の宇宙ミッションでの多くの新しい探査への扉を開くことになります。

IBM Cloud上の地上ベースのソリューションにより、ユーザーはVPN接続を介して、Red Hat CodeReadyコンテナがインストールされているISS上のHPE Spaceborne Computer-2システムと安全に通信するHPE地上システムにジョブを提出することができます。

ユーザーのコンテナ化されたコードは、提出後に地上での検証後、実行のために ISS にプッシュされます。ユーザーの ISS 実験データのエッジ解析の結果は ISS 上で利用可能となり、メッセージング・キューを介して地上に中継されます。各ジョブの実行はオンデマンドで行われ、それによってIBMとHPEのシステム・リソースの使用を最適化します。

このエッジ分析機能の最初のデモンストレーションは、ISS の MinION DNA シーケンサーを使用して収集したデータを使用して実施されます。NASA JSC Microbiology Laboratory (NML) は、ISS の表面および潜在的に飲料水サンプルから得られる環境微生物 DNA を分析する IBM/HPE システムの能力を最初にテストすることに関心を持っています。

このソリューションは、DNA シークエンシング・プロジェクトにおいて ISS の研究者が軌道上で行う実験のデータ分析に要する時間を大幅に短縮します。ISSでのエッジ計算の実証は、将来の衛星や宇宙ステーション、特に深宇宙探査の準備のために、この技術の使用を拡大する可能性を開くものです。

将来的には地球低軌道（LEO）を越えた場所へのミッションが計画されており、例えば「月に戻る」アルテミス計画のように、地球へのデータ伝送に関連したネットワークの遅延が長くなるため、軌道上でのエッジ・コンピューティング機能が必要となります。したがって、このプロジェクトは、NASAにとって戦略的な関心事なのです。

私たちは、宇宙でエッジ・コンピューティングを推進し、パートナーとの協力関係を続けていくことをとても楽しみにしています。

ヒューレット・パッカード・エンタープライズ（HPE）のSpaceborne Computer-2主任研究員であるマーク・R・フェルナンデス博士は、「地球上では、ローカルの容量を超えた場合や極端な計算が必要な場合のコンピュータ処理にクラウドが利用されますが、最終的に他の場所で利用されるプログラムの開発やテストにも利用されています。HPE、ISS-NL、IBM、NASA、UCSCが、地球ベースのクラウドを利用したDNA配列処理能力の高度な開発で協力していることをとても楽しみにしています。この機能は、ISSの「エッジのエッジ」にコンテナとして届けられることになる。過酷なエッジ環境向けに意図的に設計されたHPE Edgeline Converged Edgeシステムをベースに構築されたSpaceborne Computer-2は、軌道上で収集されたDNA配列データを処理するための宇宙でのエッジ・コンピューティングを可能にします。当社の協力により、処理されたDNAの結果を、従来は非常に大容量の生データをダウンロードするだけで済んでいたものを、はるかに速く地球上の研究者に届けることができるようになります。この相乗効果のあるクラウド・エッジ・ワークフローは、研究を前進させ、月への帰還と火星へのミッションを加速させます。”

IBM Space Techについて詳しくは

• IBM Developer Podcast: Naeem Altaf | Space Tech CTO and Innovation Lab(英語)
• Open source gravitates to outer space(英語)
• Space tech: Transforming satellite launches with blockchain(英語)
• Fighting space junk: UT, IBM project aims to bring order to orbital chaos(英語)
• IBM engineer chases big dreams of space(英語)
• Apollo 11 landed on the moon 50 years ago. Here’s how space exploration is expected to change in the near future(英語)