Aethero社がAnsysのシミュレーションを活用して宇宙コンピューティングを刷新した方法

2006年に発売されたソニーのプレイステーション3（PS3）の販売台数は8,740万台を超えています。PS3は、通常は本来の目的であるゲームのために使用されていますが、一部ではユニークな目的に使われています。一例として、ニューヨーク州ロームにある米空軍研究所（AFRL）は、1,700台以上のPS3を組み合わせて、「コンドルクラスタ」と呼ばれるスーパーコンピュータを構築しました。

なぜAFRLはPS3を使用してスーパーコンピュータを構築することにしたのでしょうか。その目的は、市販の既製品（COTS）部品を使用して、低コストで高性能なスーパーコンピュータを開発することでした。この取り組みは大きな成功を収め、コンドルクラスタは当時最も強力なスーパーコンピュータの1つとなり、500兆TFLOPS（浮動小数点演算回数／秒）という性能を達成しました。しかも、従来の他のスーパーコンピュータに比べて、はるかに低価格でした。

宇宙機にエッジコンピューティングを導入することで、さまざまなメリットが得られます。具体的には、高速宇宙機を用いたリアルタイムミッションや自律的な意思決定を実現するために処理速度を向上させるだけでなく、軌道上で処理を行うことで、帯域幅が制限された環境での混雑を回避することも可能になります。宇宙ベースのデータセンターのもう1つのメリットは、データを宇宙に分散配置されたデータセンターに保存することで、データとプライバシーに関する懸念を解消できることです。

コンドルクラスタ（PS3スーパーコンピュータ）などの地球上の技術とは異なり、これらのメリットを得るためには、宇宙の過酷な環境に耐えなければなりません。そこで登場するのが、次世代の宇宙データインフラのパイオニアとなっているAethero社です。

宇宙コンピューティングを刷新し、宇宙業界全体に貢献

宇宙は、極めて過酷な環境であり、その中で運用するには強烈な放射線や極端な熱環境（超高温の太陽熱や日の当たらない領域での極寒など）に耐えられる部品で構成された設計が求められます。Aethero社は、耐放射線強化型のシステム設計アーキテクチャを備えた宇宙環境対応の高性能コンピュータを提供することで、この課題を解決しています。また、Aethero社のコンピュータは、単一、複数冗長、および分散型エッジコンピューティングモジュール（ECM）に加え、ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）クラスタにも対応しています。

Aethero社の設計は、競合他社のものと大きく異なる点が複数あります。まず、コンドルクラスタと同様に、Aethero社もCOTS部品を使用することで、コストを削減しながら、性能を向上させています。Aethero社のCTO兼共同創立者であるAmit Pinnamaneni氏は次のように述べています。「Aetheroでは、耐放射線強化および放射線耐性部品とCOTSコンポーネントを併用するというハイブリッドアプローチを採用することで、宇宙コンピューティングの限界に挑んでいます。」従来のオンボード処理システムメーカーは、クラス1の宇宙製品には耐放射線強化および放射線耐性部品を、下位クラスの製品にはCOTS部品を使用していますが、ハイブリッドアプローチ（シールドやハードウェア／ソフトウェアによる対策を含む）を採用しているAethero社は、性能、効率、コストの最適化をすべての設計で実現しています。

Aethero社の技術のもう１つの重要なメリットとして、モジュール性が挙げられます。Pinnamaneni氏は次のように語っています。「Aetheroは、各ユーザーが特定の用途に合わせてシステムをカスタマイズできるようにする拡張ボードのエコシステムをサポートしています。ユーザーはGPUモジュール、フラッシュストレージ、およびAethero製の互換性のあるさまざまな拡張ボードを交換することができます。内部の各拡張ボードもモジュール式であり、個々のフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）モジュールや全地球測位システム（GPS）モジュールなどの各部品のアップグレードや交換を個別に行うことができます。また、システムをモジュール式または分散コンピューティング構成に容易に設定することもできます。」

Pinnamaneni氏はこうも述べています。「当社の分散コンピューティングデータセンターアプローチを活用すれば、5GなどのRF標準を使用して携帯電話やその他の地上コンピューティングデバイスに直接接続できるコンテンツ配信ネットワーク（CDN）プロバイダを実装することができます。」人々を結びつけるのに役立つこのユースケースは、航空宇宙業界に固有の「協力と協調の原則」に基づいています。

具体的な例として、軌道上で自律的にドッキング操作を行う宇宙機を考えてみましょう。宇宙機はこれを実現するために、推進システムと、姿勢決定および制御システム（ADCS）のセンサーによるセンサーフュージョンを利用します。このプロセスでは、複数のカメラ、センサー、AI/MLビジョンモデルから取得したデータを組み合わせて、宇宙機の現在の位置を特定し、適切なドッキング位置へ誘導します。

このプロセスを宇宙空間で行うにはいくつかの課題があります。まず、センサーデータを地球に送信して処理し、その後再び宇宙機に戻すプロセスは、非常に時間がかかります。こうした処理の代わりに、Aethero社の宇宙環境対応のコンピュータは、同社のオンボードコンピューティング機能を活用することで、宇宙空間でリアルタイムのセンサーフュージョンと画像処理を効率的に実行します。これにより、地球と宇宙間でデータを送受信するという時間のかかるプロセスを回避しています。

Aethero社は、これらのメリットを実現しつつ、宇宙コンピューティングの発展を推進し続けるため、Ansysのシミュレーションソフトウェアを活用しています。

シミュレーションで新たな高みへ

AnsysスタートアッププログラムのメンバーであるAethero社は、ソフトウェアとハードウェアの設計・開発プロセス全体および運用においてシミュレーションソリューションを活用することで、耐放射線強化環境向けの宇宙環境対応コンピューティングソリューションの開発で直面する主要な課題に対処しています。

設計・製造期間を短縮

宇宙の耐放射線強化環境向けの設計は、従来は長期の開発サイクルで物理的なプロトタイプの作成とテストを行う、長期間にわたるプロセスでした。Aethero社はこの開発サイクルを短縮するため、設計および開発プロセスにシミュレーションを導入しました。

具体的には、シミュレーションを用いて、コンピュータに対する放射線の影響を解析することで、製造に移行する前に弱点を特定しています。これにより、コスト削減と開発・テスト時間の短縮を図ることができます。Pinnamaneni氏は次のように述べています。「シミュレーション結果は、実際のテストを通じて当社の『テストアズユーフライ（Test as you fly）』アプローチで検証し、両方の結果が一致していることが確認されています。」

急速に進化する業界で設計の最適化を実現

宇宙で使用されるハードウェアは、小型化、高性能化、省エネルギー化が進むにつれて、その複雑さも増しています。このような複雑な設計を最適化するには、優れた解析ツールが不可欠です。Aethero社のチームがこのニーズに対応するために採用したのが、Ansysのシミュレーションソフトウェアです。Pinnamaneni氏は次のように語っています。「私たちは、Ansysのツールを使用することにより、宇宙環境での運用要件を満たすために必要なシールド、筐体厚さ、ハードウェア設計のバランスを取り、最適化しています。」

特に電気解析に際しては、高周波電磁界シミュレーションソフトウェアAnsys HFSSを利用して、3Dレイアウトと電磁界解析を行ったほか、シグナルインテグリティ／パワーインテグリティ／EMI解析に対応するPCB設計ツールAnsys SIwaveを活用して、パワーインテグリティ／シグナルインテグリティを検証しました。また、個々の部品レベルの放射耐性解析には電磁干渉／適合性シミュレーションソフトウェアAnsys EMC Plusを、個々の部品とPCBの熱シミュレーションには電子機器冷却シミュレーションソフトウェアAnsys Icepakを使用しました。

ミッション環境全体の分析

宇宙ミッションを計画する際、宇宙環境全体を考慮に入れることは容易なことではありません。そのため、Aethero社はデジタルミッションエンジニアリングソフトウェアAnsys Systems Tool Kit（STK）を活用して、宇宙環境におけるシステム全体の性能を調査しました。Aethero社は、Ansys Systems Tool Kit Space Environment and Effects Tool（STK-SEET）機能を含むAnsysのシミュレーションを利用することで、衛星と地上局間の通信や、さまざまな地点における放射線や太陽熱の影響の予測から、運用構想（ConOps）の手順の計画に至るまで、あらゆることを実現しています。

Aethero社のチームは、この包括的な解析の一環として、熱解析に特化したモデリングソフトウェアAnsys Thermal Desktopを使用して、システム全体の流れ場と温度をシミュレーションしました。

宇宙空間で正確かつタイムリーなリアルタイム意思決定を実現

自律型宇宙技術には、瞬時（もしくはそれに近い）の意思決定が不可欠です。たとえば、重要な意思決定を行う必要がある衛星を運用する企業は、基本的な機能に関するすべてのコマンドを自ら送信するのではなく、その代わりに、リアルタイムで意思決定と補正を自律的に行える衛星を開発したいと考えています。

こうした状況が発生するシナリオの一例として、宇宙機がドッキングまたはRPO中にスピンやタンブリングを起こすことが挙げられます。この場合、宇宙機は、自律的にタンブリングを停止させ、姿勢を再度整えるように設計できます。地上のエンジニアは、STKとAnsys Orbit Determination Tool Kit（ODTK）を使用することで、事前にタンブリングを解析し、この状況に対応するためのConOps手順を策定することができます。その後、この手順が打ち上げ前にAethero社のエッジコンピュータに入力され、必要に応じて活用できるように準備されることで、宇宙機が自律的かつ即座に問題を解決できるようになります。このようにしてエッジコンピューティングを宇宙に持ち込むことにより、リアルタイムの自律的意思決定が可能になります。さらに、これらの製品は、報酬モデルを用いた強化学習を通じて、操縦の正確さと精度を自律的に経時的に向上させることができます。

Aethero社と宇宙ベースのエッジコンピューティングの未来を垣間見る

宇宙業界が進化する中、多くのエンジニアやオペレーターは、エッジコンピューティングを活用してトレーニングや推論を行うことで、モデルを最新の状態に保つ試みを始めています。しかし、他の多くの製品が採用している既存のFPGAベースのシステムでは、このようなコンピューティング処理を効率的にサポートすることができません。Aethero社はすでに、20～157テラオペレーション（TOPS）をサポートするNxN-ECMシステムという、先見の明のある代替案を提供しています。さらに2025年第4四半期には、エッジコンピューティングモジュール内の個々の計算要素で275TOPS、または2つの計算要素で最大550TOPSをサポートするNxA-ECMをリリースする予定です。

この取り組みで成功を収めるには、Aethero社の製品を活用することでミッションをより効果的に達成できる企業とのパートナーシップが不可欠です。Pinnamaneni氏は、パートナーシップにより、Aethero社は実績のある衛星プラットフォームに同社のエッジコンピュータを統合し、完全かつ迅速に導入できるソリューションを最小限の非反復エンジニアリング（NRE）コストで顧客に提供できるようになると話します。

Aethero社は、この成長をさらに加速させるため、Ansysの支援を受けて、中小企業技術革新研究プログラム（SBIR）助成金の獲得を目指しています。このパートナーシップにより、Aethero社は宇宙機に搭載されたモジュールの1つでSTKを実行し、ConOpsを実施する前にそのシミュレーションを行うことが可能になります。STKが宇宙機からリアルタイムでデータを取得するため、同社のチームは通信性能などの重要な予測をはるかに高い精度で行えるようになるとPinnamaneni氏は述べています。

宇宙業界で起こっている革新的な進歩について詳しく知りたい方は、シミュレーションがどのように宇宙業界に変革をもたらしているかをご覧ください。