作者：Liz Allan
搭载额外星载计算能力的卫星星座，距离为地面上的人类处理完整AI工作负载仍有数步之遥。
核心要点：
- 当今的轨道数据中心更应被称为“太空计算中心”，因为它们更像卫星星座，而非地面数据中心。
- 最常见的供电方案是在两极采用太阳同步太阳能，但这需要从高功耗计算节点经低轨网状网络中的标准卫星星座，再经多跳数据中继传回地球。
- 地球磁场在两极最弱，加剧了辐射和单粒子翻转效应的影响。先进制程架构中的存储器在此尤为脆弱，而FinFET和GAA芯片的三模冗余成本极高。
AI数据中心需要大量电力、水资源和空间，但这里的“空间”不一定是地面，甚至不需要有大气层。
将服务器发射入轨，可规避数据中心面临的若干棘手障碍，包括：
- 人们不希望在居民区附近建设数据中心；
- 严格的本地及国家法规；
- 数据中心需要水来冷却，并需要大量电力为机架服务器供电和散热，这推高了二者的成本。
因此，越来越多的计算能力正被附加到卫星星座或专用轨道单元上。
“我们称之为太空数据中心，但它实际上将是太空计算中心，”英飞凌科技研究员兼航空航天与国防副总裁Helmut Puchner表示。“由于AI部署和AI数据中心的增长速度超过了我们在地面提供充足能源和资源的能力，我们希望走向太空。我们已经看到SpaceX关于其Terafab自研芯片的公告，以及Blue Origin的TeraWave卫星网络。‘Tera’似乎成了新热词。SpaceX对太空数据中心是认真的，他们的目标非常明确。他们宣布了百万颗卫星计划，因为希望在太空获得100吉瓦的安装计算能力。如果看当前的卫星，专家告诉我每颗卫星最大约40千瓦。也许他们希望将其推至更高水平，比如100千瓦。乘以一百万颗，就是100吉瓦。”
尽管如此，仍有众多技术挑战需要应对。“最大的障碍包括充足的发电能力、热管理、强辐射环境下的长期可靠性，以及日益增长的空间碎片问题，”Rambus研究员兼杰出发明人Steven Woo表示。“在地球上，我们依赖气流、液冷和便捷的维护性，但这些都无法很好地适用于轨道数据中心。辐射对先进制程节点和存储器的影响增加了另一层复杂性，要求采用加固设计和冗余。”
其他人也认为“太空数据中心”这一说法并不准确。“它更像是一个强化版的卫星，或一个卫星星座，”德州仪器计算电源技术专家Pradeep Shenoy表示。“如果看各公司已发布的信息，他们打算提高卫星的功率水平和计算能力，但会部署一百万颗卫星来达到所需计算级别。”
这是否是行业希望实现的目标尚不确定。“知道当前一代芯片真正运行AI所需的功耗后，我有点担心他们需要建造多大的太阳能收集器来为这一切供电，”新思科技5G/6G和航天项目总监Shawn Carpenter表示。“这似乎是一个非常沉重的任务。我能理解将设备送入太空的吸引力，因为那里非常寒冷，在阴影面可以很好地保持冷却。但与此同时，你依赖于收集足够太阳能来产生所需能量的能力。那个收集器需要多大？当天文学家因为这些阵列的尺寸开始抱怨时，我们又该怎么办？我们拭目以待。”
通信方面也存在挑战，因为光纤在轨道上不可行，因此大量数据需要通过无线方式传输。“这需要频谱管理，”新思科技产品管理总监Lang Lin表示。“可能会因电磁脉冲或其他因素导致通信中断。维护也很困难。在地球上，你可以拔掉电缆、更换机架或更换计算机。但在外太空，如果某设备爆炸，可不像去本地数据中心更换东西那么便宜。当然，这是可能的，但成本高昂。”
太空中的散热
虽然电子设备在较低温度下表现更好，但散热是太空计算的核心工程挑战。“对于100块NVIDIA GPU，你需要33平方米的太阳能板和16平方米的辐射面板来向外辐射热量，”Puchner表示。[1] “你可以整天做热力学计算，但结果都一样。这些计算中心基本上只是将能量转化为热量。”
地面数据中心采用的强制液冷在太空中本质上同样有效，但热量必须转移到散热器以排入太空。“空气对流冷却被液体对流冷却取代，后者效率更高，”新思科技流体产品管理高级总监Jeremy McCaslin表示。“在太空中你仍然可以依赖传导和辐射。热量通过固体材料从芯片或从热端传导到冷端，进入热管或流体回路。然后热量最终通过辐射排入太空，例如使用大型散热面板。这些散热器以红外辐射的形式将热量散发到太空。”
通过优化芯片架构减少热量
与地面一样，太空中的高能效芯片可以从源头减少热量产生。“太空中的独特且意想不到的难点在于散热有多困难，”Imagination Technologies产品管理总监Matthew Bubis表示。“但如果你的芯片效率更高，产生的热量更少，散热也就更容易。这意味着你在太空需要更少的散热器和热交换系统。”
专为地理空间情报和自主太空操作而设计的加速芯片架构，需要利用边缘AI的进步，在尺寸、重量和功耗（SWaP）受限的环境中挖掘更多性能。抗辐射、车规级边缘AI GPU可能非常适合轨道计算和存储。
“甚至在客户进行抗辐射加固之前——而抗辐射加固能做的也有限——IP可以提供传统的安全架构特性，”Bubis表示。“例如，存储器上的纠错码或硬件内部的测试环路等技术，可以确保它们持续正确计算输入并正确提供输出。我们看到许多这类传统上用于汽车高级驾驶辅助系统的安全机制，正在被评估用于太空领域。”
NASA最近宣布了与Microchip共同开发的抗辐射、高可靠性、高性能航天计算处理器，这些处理器使用先进以太网连接多个传感器或集群多个芯片，使航天器能够自主处理大量星载数据并实时做出决策。[2]
此外，NVIDIA最近宣布了专用平台，将数据中心级性能带入太空，面向Aetherflux、Axiom Space、Kepler Communications、Planet Labs、Sophia Space和Starcloud等公司。[3]
最终，技术和资金成本都需要考虑。“太空数据中心这一想法的基础是经济学，以及地球上能源和基础设施的惊人成本，”Bubis表示。“但太空中通过太阳能获得的免费持续电力，需要与发射和实际运送上天的成本相权衡。这归结为你携带物品的重量、太空计算系统的功耗，以及你对辐射等问题的应对措施。”
太阳同步供电
如果计算中心依靠太阳能供电，它们需要与北极或南极的太阳持续同步，而普通卫星在两极之间上下移动，期间通常会断电。
星座通常不覆盖两极。“如果看主流星座，它们通常飞行至纬度15度或20度，”英飞凌的Puchner表示。“它们不覆盖极地区域，不过加拿大有一个Terrestar星座将在该区域飞行。对于太空计算中心，这带来了问题，因为你要么需要大量电池，要么必须飞行在太阳同步轨道上——基本上是绕北极、南极、北极、南极运行，以便持续获得太阳能，因为你持续需要电力和能量。你无法缓冲能量。在普通星座卫星中，当它们飞越海洋等不太活跃的区域时，会关闭卫星电源。卫星绕地球一圈约90分钟，当到达人口密集区域时再重新开机。”
临时断电对轨道数据中心行不通。“数据中心仍将依赖常规星座进行数据上传和下载，”Puchner表示。“假设你输入一个ChatGPT请求，并在太空计算中心实时计算。你取回数据的延迟是关键。这需要太阳同步计算中心，加上全球低延迟接入。我不确定他们将如何管理这一点，因为目前最后一跳的数据传输是在标准星座的网状网络中完成的。”
在找到其他解决方案之前，多跳中继方案很可能仍将占据主导地位。“与太阳能供电位置和实际运行计算的位置相比，你可能会构建一个在地球周围分发数据流的系统，而计算运行位置需要处于能持续供电的静止轨道上，”Imagination的Bubis指出。例如，Axiom Space的卫星收集原始数据（如图像或遥测数据），然后通过容量达2.5 Gbps（未来可达10 Gbps）的光学星间链路（OISL）发送到附近的轨道数据中心节点。轨道数据中心执行处理和推理，包括图像滤波、特征检测、文件压缩或运行AI/ML模型，之后数据通过低地球轨道和地球静止轨道的商业中继星座传回地面。[4] 除轨道数据中心外，Axiom Space还在国际空间站上安装了一个数据中心节点[5]，并正在积极建设商业空间站。[6]
先进芯片中的存储与可靠性
当太阳能电池阵列与太阳同步时，组件可以免受热辐射影响——但存储器仍然脆弱。
“电子设备受到保护，位于密封的屏蔽环境中，”英飞凌的Puchner表示。“所有这些热力学挑战都需要解决，但这并非大问题。一个问题是，如果你在太阳同步轨道飞行，会前往极地区域，磁场中的高质子通量会汇入极区；辐射环境要严酷得多。这是业界需要关注的另一个问题。许多公司声称已将NVIDIA设备送入太空，但至今没有一家报告成功。飞上去容易，但它正常工作了吗？”
虽然NVIDIA设备已进行过辐射测试，但存储器在两极的表现仍是一个持续变化的变量。“其设备的关键部分是存储器，如经典DRAM、DDR5或HBM存储器，以及启动代码存储器（商用NorFlash），”Puchner表示。“所有这些都易受辐射偏移影响。如果受到粒子撞击导致系统挂起，或者撞击频率快到无法进行任何有效计算，那就毫无用处了。我们必须观察其生存率。在靠近赤道的500至600公里常规轨道上，问题不大。你可能能存活，而且它们确实在存活——SpaceX的Starlink星座、Amazon的Leo等。但对于太阳同步轨道的存储器，情况可能不同。”
先进电子器件更为昂贵，三模冗余意味着成本翻三倍。
虽然辐射可以管理，但单粒子翻转更加多变。“如何应对COTS（商用现货）技术方案中单粒子事件的真实威胁？也就是说，你采购的是未加固的TSMC或Intel先进工艺处理器，现在需要对它们进行加固，或至少具备容错能力？”亚利桑那州立大学ME Commons SWAP Hub（美国国防部极端环境可靠性[9]项目）负责人Hugh Barnaby表示。“过去，NASA和JPL（喷气推进实验室）并不在意，因为他们没有构建极其复杂的系统。他们效率很高，不需要采购那么多器件。”
花费2万到10万美元甚至更多来采购一个先进组件（如FinFET或GAA集成电路），如果系统需求量有限，还是可以承受的。“但如果要开始建造非常大的太空数据中心或计算中心，就需要采购和运送大量器件，”Barnaby表示。“在FinFET和GAA的存储器中，应对单粒子翻转的唯一可靠方法就是采用三模冗余。这非常昂贵。”
降低制造一套能在地球磁层中可靠工作的坚固电子组件的成本，才是真正的挑战。“SpaceX和高科技公司都在努力控制成本并承担风险，”Barnaby表示。“他们远没有NASA那么谨慎。我认为他们（在太空中）还没有出现过极其严重的故障，所以目前他们认为这些风险是值得的。”
迄今为止，SpaceX的大部分失败都发生在火箭发射阶段，而他们的开发理念是“快速失败，快速学习”。
结论：近期展望
轨道数据中心已经以卫星附加计算的形式存在，用于本地过滤和处理太空数据。更大规模、类似于地面单元的数据中心（主要用于地球上人类使用的AI模型训练或推理）尚未真正到来。
“虽然天基计算确实可行，但经济性和可靠性挑战将在短期内阻碍其成为主流，”Rambus的Woo表示。
例如，据报道Google正在洽谈使用SpaceX发射太空数据中心[10]，但Amazon的Jeff Bezos表示，Elon Musk提出的两到三年时间表略显激进。[11]
“大型组织希望在太空拥有计算中心和数据中心，因为他们不想应对地球上的限制、法规、许可和能源问题，”英飞凌的Puchner表示。“地方电力公司尚未完成升级电网以运行数据中心的准备，但数据中心已经准备好了。这太令人沮丧了。AI在我们环境、工作生活和日常生活中的预计增长正在上升，因此需求存在，商业机会也存在，但进展太慢。所以在未来五年内，我们将在太空部署大量计算能力。”
业界对此有浓厚兴趣和大量投资，TI的Shenoy表示认同。“其论点是，这在理论上解决了部分能源供应挑战，因为你可以利用太阳能源，如果你处于太阳同步轨道，就能利用太阳能而不受电力需求限制。从这个角度看，太空是一个非常严酷的环境，所处轨道高度决定了会遭遇何种辐射。这并非易事，而且这还没有考虑将设备送入太空的成本。关于如何在太空中维持计算能力，存在很多问题。在地面数据中心中，有热插拔电路，如果托盘中某个设备出现问题，你需要能够进行维护。如何以有效且资本高效的方式在太空中做到这一点，仍然是一个悬而未决的问题。”
太空晶圆厂可能是下一步。“在制造方面，有人说他们真的要在太空中建造洁净室进行制造，”Barnaby表示。“我对此持‘谨慎可能’的态度。优势在于低压真空环境有助于制造。洁净室有很多抽真空的空间，这正是你所需要的。这有助于沉积等工艺。环境应该更洁净，因此污染会更低。这两点确实有利。不利之处在于你需要来回运送物资，设备损坏时还要维修。这就是辐射和温度成为影响因素的地方。设施需要足够大，以容纳沉积工艺所需的散热器。电力需求也会相当可观。”
[编者注：后续文章将涵盖月球网络、太空安全挑战以及极端环境下的集成电路。]
作者：Liz Allan
原文链接：https://semiengineering.com/orbital-data-centers-are-souped-up-satellites-for-now/
