Aethero가 Ansys 시뮬레이션을 사용하여 우주 컴퓨팅을 현대화하는 방법

소니 플레이스테이션 3(PS3)는 2006년에 출시된 이후 8,740만 대 이상이 팔렸습니다. 판매된 PS3는 대부분 원래 용도인 게임용으로 사용되었지만 몇 대는 특수한 용도로 사용되었습니다. 미국 공군 연구소(AFRL)는 1,700개 이상의 PS3를 결합하여 뉴욕주 로마에 Condor Cluster라 불리는 슈퍼컴퓨터를 구축했습니다.

그런데 AFRL이 PS3 기반의 슈퍼컴퓨터를 만들기로 결정한 이유는 무엇일까요? AFRL의 목표는 상용 구성 요소를 사용하여 저비용 고성능 슈퍼컴퓨터를 개발하는 것이었습니다. 결과는 대성공이었으며, Condor Cluster는 초당 부동소수점 연산(TFLOPS) 500조라는 성능과 다른 기존 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 낮은 가격대를 갖춘 당시 가장 강력한 슈퍼컴퓨터 중 하나가 되었습니다.

우주선에 탑재된 엣지 컴퓨팅을 사용하면 실시간 미션(고속 우주선과 자율적 의사 결정 포함)을 수행하는 데 필요한 처리 속도가 향상되고, 궤도에서 처리하는 방식으로 대역폭이 제한된 환경에서 혼잡을 피하는 등 다양한 이점을 얻을 수 있습니다. 우주 기반 데이터 센터의 또 다른 이점은 우주의 분산된 데이터 센터에 데이터를 저장하여 데이터 및 개인 정보 보호 문제를 해결할 수 있다는 점입니다.

PS3 슈퍼컴퓨터와 같은 지구 기반 기술과 달리 우주에서 수행되는 모든 컴퓨팅은 혹독한 환경을 견뎌야 이러한 이점을 제공할 수 있습니다. 그래서 차세대 우주 데이터 인프라를 선도하는 회사인 Aethero가 필요한 것입니다.

우주 컴퓨팅의 현대화를 통해 전체 우주 산업에 이점 제공

우주는 매우 까다로운 운영 환경이며, 강렬한 방사선을 견딜 수 있고 강렬한 태양열과 음지의 혹독한 추위와 같은 극한의 열 환경을 견딜 수 있는 구성 요소로 이루어진 설계가 필요합니다. Aethero는 내방사선 시스템 설계 아키텍처가 적용된 고성능 우주용 컴퓨터를 제공하여 이러한 어려움을 극복할 수 있게 해줍니다. Aethero의 컴퓨터는 개별, 다중 중복 및 분산 ECM(엣지 컴퓨팅 모듈)과 HPC(고성능 컴퓨팅) 클러스터를 지원합니다.

경쟁업체와 크게 차별화되는 Aethero 설계의 몇 가지 특징은 다음과 같습니다. 첫째, Aethero는 Condor Cluster와 마찬가지로 COTS 구성 요소를 사용하여 성능을 높이는 동시에 비용을 절감합니다. Aethero의 최고 기술 책임자 겸 공동 설립자인 Amit Pinnamaneni는 “내방사선 및 내성 구성 요소와 COTS 구성 요소를 함께 활용하는 Aethero의 하이브리드 접근 방식을 통해 우주 컴퓨팅의 한계를 뛰어넘을 수 있습니다.”라고 말합니다. Class 1 우주 제품에는 내방사선 및 내성 구성 요소를 사용하고 하위 등급의 제품에는 COTS 구성 요소를 사용하는 기존의 기내 처리 시스템 제조업체와 달리, Aethero는 차폐 및 하드웨어/소프트웨어 완화를 포함하는 하이브리드 접근 방식을 통해 모든 설계에서 성능, 효율성 및 비용을 최적화할 수 있습니다.

모듈화는 Aethero 기술의 또 다른 주요 이점입니다. Pinnamaneni는 “Aethero는 각 사용자가 특정 사용 사례에 맞게 시스템을 조정할 수 있는 확장 보드 에코시스템을 지원합니다.”라고 말합니다. “사용자는 GPU 모듈, 플래시 스토리지 및 호환 가능한 다양한 Aethero 내장 확장 보드를 교체할 수 있습니다. 내부적으로 보면, 각 확장 보드도 모듈식이므로 개별 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 또는 GPS(Global Positioning System) 모듈과 같은 개별 구성 요소를 업그레이드하거나 교체할 수 있습니다. 또한 시스템을 모듈식 또는 분산 컴퓨팅 형태로 쉽게 구성할 수 있습니다.”

또한 Pinnamaneni는 “당사의 분산형 컴퓨팅 데이터 센터 접근 방식을 활용하여 5G와 같은 RF 표준을 통해 전화 또는 기타 지상 컴퓨팅 기기에 직접 연결할 수 있는 CDN(콘텐츠 전송 네트워크) 공급자를 구현할 수 있습니다.”라고 말합니다. 이 사용 사례는 사람들을 하나로 모으는 데 도움이 되며 항공우주 산업의 본질인 “협력과 협업의 원칙”을 기반으로 합니다.

구체적인 예로 궤도 도킹 기동을 자율적으로 수행하는 우주선을 생각해 보십시오. 우주선은 추진 시스템과 ADCS(고도 결정 및 제어 시스템) 센서의 센서 융합에 의존하여 이를 수행합니다. 이 프로세스는 여러 카메라, 센서 및 AI/ML 비전 모델의 데이터를 함께 사용하여 우주선의 현재 위치를 식별하고 적절한 도킹 위치로 안내합니다.

우주에서 이 프로세스는 몇 가지 과제를 안고 있습니다. 첫째, 센서 데이터를 지구로 전송하여 처리한 후 우주선으로 다시 전송하면 프로세스 속도가 현저히 느려지게 됩니다. 대신 Aethero의 우주용 컴퓨터는 Aethero의 기내 컴퓨팅 기능을 통해 우주에서 실시간 센서 융합 및 이미지 처리를 효율적으로 수행할 수 있으므로 지구와 우주 사이에 데이터를 전송할 필요가 없어 시간이 오래 걸리지 않습니다.

Aethero는 우주 컴퓨팅을 지속적으로 발전시키면서 이러한 이점을 비롯한 다양한 이점을 구현하기 위해 Ansys 시뮬레이션 소프트웨어를 사용합니다.

시뮬레이션으로 최고치 갱신

Aethero는 Ansys 스타트업 프로그램의 일원으로서, 소프트웨어 및 하드웨어 설계/개발 프로세스와 운영 전반에 걸쳐 시뮬레이션 솔루션을 활용하여 내방사선 환경을 위한 우주용 컴퓨팅 솔루션을 개발할 때 직면하는 몇 가지 주요 과제를 극복합니다.

설계 및 생산 시간 단축

우주의 내방사선 환경을 설계하는 프로세스는 예전부터 시간이 오래 걸리던 작업이었으며, 긴 개발 사이클을 두고 물리적 프로토타입을 생성하고 테스트합니다. 이 타임라인을 단축하기 위해 Aethero는 설계 및 개발 프로세스에 시뮬레이션 솔루션을 사용했습니다.

구체적으로 예를 들면, Aethero는 시뮬레이션을 사용하여 방사선이 컴퓨터에 미치는 영향을 분석하여 생산 단계로 이동하기 전에 약점을 식별할 수 있습니다. 따라서 비용과 개발 및 테스트 시간을 줄일 수 있습니다. Pinnamaneni는 “시뮬레이션 결과는 최종 조립 상태로 테스트하는 실제 테스트 방식으로 검증되었으며, 실제 테스트 결과와 동일한 것으로 확인되었습니다.”라고 말합니다.

빠르게 발전하는 산업에서 최적화된 설계 보장

우주에서 사용되는 하드웨어가 점점 더 소형화되고 강력해지며 에너지 효율이 높아짐에 따라 복잡성도 커지고 있습니다. 따라서 복잡한 설계를 최적화하기 위한 강력한 분석 툴이 필요합니다. Aethero 팀이 이러한 요구 사항을 해결한 한 가지 방법은 Ansys 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하는 것이었습니다. Pinnamaneni는 “Ansys 툴을 사용하면 우주 환경에서 운영 요구 사항을 지원하는 데 필요한 차폐, 인클로저 두께 및 하드웨어 설계를 균형 있게 조정하고 최적화할 수 있습니다.”라고 말합니다.

특히 전기 분석의 경우, Aethero는 3D 레이아웃 및 전자기장 분석에 Ansys HFSS 고주파 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하고, 전력 및 신호 무결성 검증에 PCB 설계 툴의 Ansys SIwave 신호 무결성, 전력 무결성 및 EMI 분석을 사용했습니다. 또한 Aethero는 개별 구성 요소 수준의 방사선 공차 분석에 Ansys EMC Plus 전자기 간섭 및 호환성 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하고, 개별 구성 요소 및 PCB 열 시뮬레이션에 Ansys Icepak 전자 제품 냉각 시뮬레이션 소프트웨어를 사용했습니다.

전체 미션 환경 분석

우주 미션을 계획할 때 전체 우주 환경을 고려하기란 쉽지 않습니다. 그래서 Aethero는 우주 환경의 전반적인 시스템 성능을 연구하기 위해 Ansys Systems Tool Kit(STK) Digital Mission Engineering 소프트웨어를 선택했습니다. Ansys STK-SEET(Systems Tool Kit Space Environment and Effects Tool) 기능을 포함하는 Ansys 시뮬레이션을 통해 지상국과의 위성 통신 예측 및 다양한 지점의 복사열 및 태양열 영향 예측부터 작전 개념(ConOps) 절차 계획에 이르기까지 모든 것을 구현할 수 있습니다.

Aethero 팀은 이 종합 분석 과정에서 전체 시스템 유동장 및 온도 시뮬레이션에 Ansys Thermal Desktop 열 중심 모델링 소프트웨어를 사용했습니다.

우주에서 정확하고 시기 적절한 실시간 의사 결정 보장

자율적 우주 기술에는 즉각적인(또는 거의 즉각적인) 의사 결정이 필요합니다. 예를 들어 위성이 중요한 결정을 내려야 하는 경우 위성 운영자가 모든 단일 명령을 직접 전송하는 것은 바람직하지 않습니다(특히 기본 기능의 경우). 대신 실시간 의사 결정과 수정을 자율적으로 수행할 수 있는 위성을 만드는 것이 좋습니다.

이러한 상황이 발생하는 한 가지 시나리오는 우주선이 도킹 또는 RPO 중에 회전하거나 텀블링하는 경우입니다. 이 경우 우주선이 자율적으로 디텀블링하고 방향을 바꾸도록 설계할 수 있습니다. STK 소프트웨어와 Ansys Orbit Determination Tool Kit(ODTK)를 사용하면 지상의 엔지니어가 텀블링을 사전에 분석하고 이러한 상황을 처리하기 위한 ConOps 절차를 고안할 수 있습니다. 그리고 발사 전에 고안한 절차를 Aethero 엣지 컴퓨터에 입력할 수 있으므로 필요할 때 즉시 배포할 수 있어 우주선이 문제를 자율적으로 즉시 해결할 수 있습니다. 우주의 엣지 컴퓨팅은 이러한 방식으로 실시간 자율 의사 결정을 구현합니다. 또한 이러한 제품은 보상 모델을 통한 강화 학습을 통해 기동의 정확도와 정밀도를 자율적으로 차츰 개선할 수 있게 해줍니다.

Aethero와 우주 기반 엣지 컴퓨팅의 미래 전망

우주 산업이 발전함에 따라 엔지니어와 운영자가 엣지 컴퓨팅을 통해 학습과 추론을 수행하여 모델을 최신 상태로 유지하는 추세가 점점 늘어날 것입니다. 그러나 여타 제품에서 사용하는 기존 FPGA 기반 시스템은 이 컴퓨팅을 효율적으로 지원할 수 없습니다. Aethero는 20-157 TOPS(Tera Operations Per Second)를 지원하는 NxN-ECM 시스템을 통해 미래 지향적인 대안을 이미 제공하고 있습니다. 그리고 Aethero는 2025년 4분기에 엣지 컴퓨팅 모듈 내의 개별 컴퓨팅 요소 하나로 275 TOPS를 지원하거나 컴퓨팅 요소 2개로 최대 550 TOPS를 지원하는 NxA-ECM을 출시할 예정입니다.

이 분야에서 뛰어난 성과를 이루기 위해서는 Aethero의 제품을 사용하여 미션을 더 잘 달성할 수 있는 회사와 협력해야 합니다. 그러면 Aethero가 “검증된 위성 플랫폼에 엣지 컴퓨터를 사전 통합하여 고객에게 최소한의 비반복 엔지니어링(NRE)[비용]으로 완전하고 신속하게 배포 가능한 솔루션을 제공할 수 있게 될 것입니다.”라고 Pinnamaneni는 말합니다.

이러한 성장에 더욱 박차를 가하기 위해 Aethero는 Ansys의 지원을 받아 SBIR(Small Business Innovation Research) 보조금을 확보하기 위해 노력하고 있습니다. 이 파트너십을 통해 Aethero는 우주선에 탑재된 모듈 중 하나에서 STK 소프트웨어를 실행하여 ConOps를 수행하기 전에 시뮬레이션할 수 있었습니다. “Aethero 팀은 이러한 방식으로 통신 성능과 같은 중요한 예측을 수행할 수 있을 것입니다. STK는 우주선에서 실시간으로 데이터를 수집하기 때문에 예측 정확도가 훨씬 더 높아질 것입니다.”라고 Pinnamaneni는 말합니다.

우주에서 일어나는 흥미로운 발전에 대해 더 자세히 알고 싶다면 시뮬레이션이 우주 분야에 어떻게 혁명을 일으키고 있는지 살펴보십시오.