Google sắp đưa TPU lên quỹ đạo để thử nghiệm trung tâm dữ liệu AI ngoài không gian

Google dự kiến phóng các bộ xử lý TPU, viết tắt của Tensor Processing Unit – dòng chip chuyên dụng do hãng tự phát triển để tăng tốc tác vụ trí tuệ nhân tạo, lên quỹ đạo trong tuần tới bằng tên lửa SpaceX Falcon 9. Đây là một phần của Project Suncatcher, sáng kiến trung tâm dữ liệu ngoài không gian mà Google từng công bố trước đó. Mục tiêu trước mắt không phải triển khai hạ tầng AI quy mô lớn ngay lập tức, mà là kiểm chứng xem phần cứng điện toán chỉ được chỉnh sửa nhẹ có thể chịu được điều kiện phóng và môi trường không gian khắc nghiệt đến đâu.

Về dài hạn, Google tin rằng các cụm trung tâm dữ liệu đặt trong không gian, vận hành nhờ năng lượng Mặt Trời dồi dào, có thể mở ra hướng phát triển bền vững hơn cho AI. Ý tưởng này xuất phát từ thực tế rằng các hệ thống AI hiện nay tiêu tốn lượng điện khổng lồ trên Trái Đất. Tuy nhiên, không phải ai cũng đồng tình. Một số chuyên gia cho rằng trung tâm dữ liệu ngoài không gian vẫn còn quá xa thực tế thương mại, thậm chí bị xem là ý tưởng cực đoan vì chi phí, độ phức tạp kỹ thuật và khả năng phục vụ nhu cầu thực tế trên mặt đất vẫn là dấu hỏi lớn.

Khác với các tuyên bố tham vọng kiểu triển khai vệ tinh công suất hàng trăm kilowatt, Google đang định vị Suncatcher như một “moonshot” – thuật ngữ thường dùng để chỉ những dự án công nghệ đầy tham vọng, rủi ro cao nhưng nếu thành công có thể tạo ra đột phá lớn. Điều đó có nghĩa hãng chấp nhận khả năng thử nghiệm thất bại hoặc không đi đến sản phẩm thương mại. Thay vì công bố ngay một TPU đạt chuẩn không gian, Google hiện mới thử nghiệm các bộ gia tốc Trillium hiện có, tức thế hệ chip AI mà hãng từng giới thiệu trước đây, để xem liệu chúng có thể thích nghi với môi trường quỹ đạo hay không.

Một trong những thách thức lớn nhất là giai đoạn rời bệ phóng. Theo Google, các con chip có thể phải chịu mức gia tốc tương đương 50 đến 100G, trong đó “G” là đơn vị đo gia tốc dựa trên trọng lực Trái Đất. Ở mức này, rung động và lực dồn nén có thể khiến linh kiện tự hỏng nếu thiết kế cơ khí không đủ chắc chắn. Để chuẩn bị, nhóm phát triển đã dùng bàn rung chuyên dụng để mô phỏng điều kiện phóng, nhưng các bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm vẫn không thể thay thế hoàn toàn chuyến bay thực tế.

Sau khi vào quỹ đạo, TPU sẽ phải đối mặt với bức xạ Mặt Trời và tia vũ trụ. Đây là các hạt năng lượng cao có thể gây ra hiện tượng “single-event upset”, tức lỗi do một sự kiện bức xạ đơn lẻ tạo ra, thường dẫn đến “bit flip” – trạng thái của một bit dữ liệu bị đảo từ 0 thành 1 hoặc ngược lại. Với hệ thống tính toán AI, những lỗi cực nhỏ như vậy vẫn có thể làm sai lệch kết quả hoặc gây treo hệ thống. Google đã bắn chùm proton vào TPU tại Phòng thí nghiệm Hạt nhân Crocker của UC Davis để đánh giá mức độ chịu bức xạ, nhưng hãng thừa nhận thử nghiệm trên mặt đất chỉ phản ánh được một phần rủi ro.

Một khó khăn khác là làm mát chip trong môi trường chân không. Trên Trái Đất, nhiệt thường được mang đi nhờ đối lưu, tức quá trình không khí hoặc chất lỏng chuyển động để cuốn nhiệt ra ngoài. Nhưng trong không gian gần như không có môi trường vật chất để đối lưu, nên vệ tinh phải dựa vào bức xạ nhiệt để thải nhiệt. Google ước tính chỉ riêng một TPU đã cần khoảng 1,3 mét vuông bộ tản nhiệt dạng radiator – bề mặt chuyên phát nhiệt ra không gian. Nếu mỗi vệ tinh chứa hàng chục TPU, tổng diện tích radiator sẽ tăng lên rất lớn, kéo theo bài toán thiết kế, khối lượng và chi phí.

Theo Google, vấn đề không dừng ở việc có đủ diện tích tản nhiệt. Nhiệt còn phải được chuyển hiệu quả từ TPU tới các tấm radiator. Để giải quyết, hãng đang xem xét các công nghệ đã tồn tại như “heat pipe” – ống dẫn nhiệt sử dụng sự bay hơi và ngưng tụ của môi chất để truyền nhiệt rất nhanh, cùng hệ thống chất làm mát tuần hoàn bằng bơm. Đây là các giải pháp quen thuộc trong hàng không vũ trụ, nhưng việc áp dụng cho cụm tăng tốc AI mật độ cao vẫn là bài toán mới.

Sứ mệnh đầu tiên của Google có tính chất “proof of concept”, tức thử nghiệm nguyên lý để xác định điều gì hoạt động tốt, điều gì thất bại và điểm yếu nào cần sửa trong các lần phóng sau. Vệ tinh thử nghiệm dự kiến bay trong sứ mệnh chia sẻ tải Transporter-18 của SpaceX vào ngày 1/10. Với mô hình rideshare, nhiều khách hàng cùng chia sẻ không gian trên một tên lửa để giảm chi phí phóng, nhưng điều đó cũng đồng nghĩa phần cứng của Google sẽ phải thích nghi với những giới hạn rất chặt về kích thước và khối lượng.

Ngay cả khi TPU có thể hoạt động ổn định trong không gian, Google vẫn phải giải quyết bài toán quy mô hệ thống. Do khả năng mang tải của tên lửa còn hạn chế, các trung tâm dữ liệu AI ngoài quỹ đạo nhiều khả năng sẽ phải phân tán trên nhiều vệ tinh thay vì gom vào một nền tảng duy nhất. Điều này đòi hỏi kết nối tốc độ cao giữa các vệ tinh, tương tự mạng liên kết trong các siêu máy tính hoặc cụm máy chủ AI trên mặt đất.

Để đáp ứng nhu cầu đó, Google cho rằng truyền thông bằng laser là hướng đi phù hợp. Liên kết laser giữa vệ tinh cho phép truyền dữ liệu bằng ánh sáng, hứa hẹn băng thông rất cao và độ trễ thấp. Tuy nhiên, phần lớn hệ thống liên lạc giữa các vệ tinh hiện nay được tối ưu cho vùng phủ rộng với lưu lượng không quá lớn. Ngược lại, cụm AI quỹ đạo lại cần băng thông cực cao trong khoảng cách tương đối ngắn giữa các vệ tinh hoạt động như một cụm máy tính thống nhất. Đây là khác biệt kỹ thuật quan trọng mà ngành vẫn chưa giải quyết trọn vẹn.

Ngay cả khi mọi trở ngại kỹ thuật được xử lý, hiệu quả kinh tế vẫn chưa chắc chắn. Một số công ty trong lĩnh vực trung tâm dữ liệu không gian thừa nhận toàn bộ mô hình này phụ thuộc vào việc chi phí đưa hàng hóa lên quỹ đạo giảm cực mạnh. Mức giá hiện nay vào khoảng 7.000 USD mỗi kg, trong khi nhiều tầm nhìn lạc quan đặt mục tiêu chỉ còn 10 USD mỗi kg. Khoảng cách giữa hai con số này cho thấy vì sao nhiều nhà quan sát vẫn hoài nghi rằng trung tâm dữ liệu AI ngoài không gian sẽ chưa thể trở thành hiện thực thương mại trong tương lai gần.

Bất chấp tranh cãi, động thái của Google cho thấy giao điểm giữa AI, hạ tầng điện toán và công nghệ không gian đang trở thành mặt trận mới của ngành công nghệ. SpaceXAI cũng được cho là muốn đưa các hệ thống thử nghiệm AI ngoài không gian lên quỹ đạo trong năm tới, với tầm nhìn xa hơn là xây dựng cả một chòm vệ tinh khổng lồ. Dù vậy, lịch sử công nghệ đã nhiều lần chứng minh rằng các “moonshot” không phải lúc nào cũng thành công, và ngay cả khi thành công, tiến độ thường chậm hơn rất nhiều so với kỳ vọng ban đầu. Với Google, chuyến phóng TPU sắp tới vì thế không chỉ là một thử nghiệm phần cứng, mà còn là phép thử cho tính khả thi của cả một ý tưởng từng bị xem là quá viển vông.