轨道数据中心本质上是功能强化的卫星

当前的轨道数据中心，准确来说更像是太空中的计算中心，其形态更接近卫星星座，而非传统意义上的地面数据中心。

AI数据中心需要消耗大量电力、水资源和物理空间，但这些空间未必要建在地面，也不必依赖大气环境。

将服务器送入轨道，可以绕开数据中心在地面面临的诸多棘手问题：居民不希望数据中心建在自家附近；地方和国家层面存在严格的法规限制；数据中心需要大量水资源用于冷却，以及海量电力用于驱动和散热服务器机架，这些都推高了建设和运营成本。

正因如此，越来越多的计算能力正被接入卫星星座，或部署于专门建造的轨道单元。

Infineon Technologies航空航天与国防部门研究员兼副总裁Helmut Puchner表示："我们将其称为太空数据中心，但实际上它将是太空计算中心。由于AI系统和AI数据中心的增长速度已超过地面能源和资源的供给能力，我们希望转向太空。SpaceX宣布了Terafab自研芯片计划，Blue Origin也宣布了TeraWave卫星网络。'太拉（Tera）'似乎成了新的关键词。SpaceX对太空数据中心是认真的。他们的目标非常清晰——宣布发射百万颗卫星，是为了在太空中安装100吉瓦的计算能力。就目前的卫星而言，专家告诉我每颗卫星最多能达到40千瓦，或许可以推高到100千瓦，乘以一百万颗，就是100吉瓦。"

然而，这一构想面临诸多技术挑战。Rambus研究员兼杰出发明家Steven Woo指出："最大的障碍包括充足的电力供应、热管理、辐射环境下的长期可靠性，以及日益增多的太空碎片。在地面，我们依赖气流、液体冷却和便捷的可维护性，这些方式在轨道数据中心中都难以直接复用。先进节点和存储器受到的辐射效应，又增加了一层复杂性，要求采用加固设计和冗余机制。"

Texas Instruments计算能源技术专家Pradeep Shenoy也认为"太空数据中心"这一说法并不准确："更像是功能强化的卫星，或者卫星星座。从各公司已公布的方案来看，他们会提升单颗卫星的功率和计算能力，但同时要部署百万颗，才能达到所需的总计算量。"

Synopsys 5G/6G与空间项目总监Shawn Carpenter表示，这一目标能否实现尚存疑问："想到要真正运行当代AI芯片所需的电力，我对那块用于供电的太阳能采集板究竟要做多大，感到有些不安。这是相当繁重的工程任务。把设备送上去的吸引力显而易见——太空寒冷，在阴影面散热效果极好。但同时，你又依赖太阳能采集来获取所需能量，这块采集板需要做多大？当这些阵列大到一定程度时，地面天文学家会开始强烈抗议吗？这些都有待观察。"

此外还存在通信挑战。Synopsys产品管理总监Lang Lin指出："由于光纤电缆在轨道中不可行，大量数据需要通过无线方式传输，这涉及频谱管理问题。电磁脉冲或其他因素也可能造成通信中断。维护同样是难题——在地面，你可以拔掉线缆、更换机架或更换计算机。但在太空中，如果某个设备损坏，维修成本远高于去本地数据中心换个零件，费用高昂。"

太空中的散热难题

尽管低温有利于电子设备性能，散热仍是太空计算的核心工程挑战。Puchner介绍道："驱动100块英伟达GPU，需要33平方米的太阳能板和16平方米的辐射散热板来向外辐射热量。无论怎么做热力学计算，结论都是一样的：这些计算中心本质上就是在把电能转换成热能。"

强制液冷方案与地面数据中心类似，同样可以应用于太空，但热量必须传输至散热板，再向太空中辐射。Synopsys流体产品管理高级总监Jeremy McCaslin解释说："空气对流冷却被液体对流冷却取代，后者效率更高。在太空中仍可依靠传导和辐射。热量通过固体材料从芯片或热端传至冷端，再经由热管或流体回路导出，最终通过大型散热板以红外辐射的方式释放到太空中。"

优化芯片架构以降低热量

与地面情况类似，更高能效的芯片在太空中同样可以从源头减少热量产生。Imagination Technologies产品管理总监Matthew Bubis表示："太空中散热之难，既独特又出乎意料。但如果芯片效率更高，产生的热量就更少，散热也更容易，所需的散热板和换热系统也会更少。"

专为地理空间智能和自主太空操作设计的加速芯片架构，需要借助边缘AI的最新进展，在尺寸、重量和功耗（SWaP）受限的环境中榨取更高性能。经过辐射加固的汽车级边缘AI GPU，非常适合用于轨道计算和存储。

Bubis指出："即便在辐射加固之前——毕竟可做的加固程度有限——IP本身就能提供传统的安全架构特性。存储器纠错、硬件内部测试环路等技术，可确保系统持续正确地计算输入并输出结果。我们看到很多原本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场景。"

NASA近期宣布与Microchip联合研发了经辐射加固的高可靠性高性能航天计算处理器，采用先进以太网连接多个传感器或集群多颗芯片，使航天器能够在轨自主实时处理海量数据。英伟达也宣布推出专用平台，为Aetherflux、Axiom Space、Kepler Communications、Planet Labs、Sophia Space和Starcloud等公司提供数据中心级太空计算能力。

归根结底，技术成本和资金成本都必须纳入考量。Bubis表示："太空数据中心构想的根本驱动力，是地面能源和基础设施的高昂成本。但太空中免费且持续的太阳能，需要与发射成本相抵消。关键在于运载物的重量、计算系统的功耗，以及如何应对辐射问题。"

太阳同步轨道供电

如果计算中心依靠太阳能供电，就需要持续与太阳保持同步，运行在南北极的太阳同步轨道上，而非像普通卫星那样在两极间来回运动、有时关机省电。

星座卫星通常不覆盖极区。Puchner说明道："主要星座通常飞行在北纬或南纬15到20度的范围内，不覆盖极区——尽管加拿大的Terrestar星座计划在该区域运行。对于太空计算中心而言，问题在于要么配备大容量电池，要么飞行在太阳同步轨道上，也就是不断绕经南北极，以持续获取太阳能，因为计算中心需要不间断的电力，无法储能。普通星座卫星飞越大洋等低活动区域时会关机，飞越人口密集区再开机，90分钟绕地一圈。"

轨道数据中心无法采用临时关机的方案。Puchner指出："数据中心仍需依赖常规星座进行数据上传和下载。假设你发出一个ChatGPT请求，由太空计算中心实时处理，那么数据返回的延迟至关重要。这要求太阳同步计算中心与全球低延迟访问网络协同工作。目前最后一跳数据传输仍在标准星座的网状网络中完成，如何协调管理，尚不明朗。"

多跳传输方案很可能在新的解决方案出现之前占据主导地位。Imagination Technologies的Bubis指出："很可能出现这样一种模式：全球数据流按照太阳能供应位置和实际计算位置进行分配，而计算位置需要处于能够持续获取电力的固定轨道上。"

以Axiom Space为例，其卫星采集原始数据（如图像或遥测数据），通过能力达2.5 Gbps的光学星间链路（OISL，未来可达10 Gbps）发送至附近的轨道数据中心节点；轨道数据中心执行处理和推理任务，包括图像过滤、特征检测、文件压缩或运行AI/机器学习模型，再通过近地轨道和地球静止轨道的商业中继星座将数据送回地面。Axiom Space不仅部署了轨道数据中心，还在国际空间站上安装了数据中心节点，并正在积极建造商业空间站。

Synopsys的Lin还提到了利用核能为轨道数据中心供电的可能性。尽管放射性同位素热电发生器（RTG）已用于深空探测器供电，但核动力轨道数据中心仍面临重重障碍。

太阳同步定位仿真

Synopsys近期与Cesium合作，为NASA月球网络部署提供支持。Cesium业务发展总监Alex Paulson介绍，该公司将客户的设计数据、机械计算机辅助设计模型、现实捕捉数据和训练数据转换为开放标准的3D Tiles格式，支持异构大规模三维地理空间数据集的实时流式传输。生成的模型是四维的，能够呈现三维模型在一天中随时间变化的动态效果。

"我们可以在任务仿真软件中进行时间同步，"Paulson介绍，"可以跳转到任意世界时刻，查看所有行星、卫星、月球等天体的精确方位。"

对于需要太阳能供电的卫星、航天器和轨道数据中心，该模型有助于判断太阳能板的受光时机。Synopsys的Carpenter表示："这样我就能根据峰值功率时段来安排操作。没有太阳照射时就没有电力，必须谨慎地关闭或保护卫星上的某些系统。我们可以通过四维模型的运动学仿真来完成这一任务。"

先进芯片中的存储器与可靠性

即便太阳能阵列与太阳保持同步，组件可以遮蔽热量，存储器依然脆弱。Puchner解释道："电子设备处于封装屏蔽环境中，热力学挑战可以解决，并非大问题。但在太阳同步轨道飞行时，会进入极区，磁场将质子汇聚至脉冲区，辐射环境显著增强。许多公司声称已将英伟达设备送上太空，但至今没有成功运行的报告。发射容易，但能否正常工作是另一回事。"

尽管英伟达设备已经过辐射测试，极区存储器的表现仍是持续变量。Puchner指出："关键部件是存储器，包括DRAM、DDR5、HBM以及NorFlash启动代码存储器，它们都容易受到辐射偏移影响。一旦被击中导致系统宕机，或击中频率过高无法正常计算，设备就毫无用处。在赤道附近500至600千米的常规轨道上，问题不大，SpaceX星链、亚马逊Leo等星座目前都能正常运行。但在太阳同步轨道上，情况可能截然不同。"

先进电子器件成本高昂，三重冗余意味着三倍成本。亚利桑那州立大学美国国防部ME Commons SWAP Hub极端环境可靠性研究负责人Hugh Barnaby表示："如何以商用现货（COTS）技术应对单粒子翻转，是个现实挑战——使用采购自台积电或英特尔先进制程的处理器，这些处理器未经加固，现在需要进行辐射加固或至少提升耐受性。过去NASA和喷气推进实验室不在意这些，因为他们的系统并不复杂，对零部件数量需求有限。"

对于FinFET或GAA这类高端芯片，单颗价格从2万到10万美元甚至更高，数量有限时还可接受。但Barnaby强调："如果要在太空建设大规模数据中心或计算中心，就需要大量采购和运输零部件。对于FinFET和GAA存储器中的单粒子翻转，目前唯一可靠的应对方式是三模冗余，成本极为高昂。"

降低在地球磁层中运行的稳健电子组件成本，才是真正的挑战所在。Barnaby表示："SpaceX和高科技公司都在努力压低成本、承担风险，远不如NASA谨慎。目前为止还没有出现特别严重的太空故障，所以他们认为风险是值得的。"

迄今为止，SpaceX的大多数失败都发生在火箭发射阶段，这与其"快速失败、快速学习"的研发理念一脉相承。

近未来展望

轨道数据中心已以卫星附加计算的形式存在，用于在轨过滤和处理空间数据。而规模更大、类似地面数据中心、主要用于训练或推理供地面人类使用的AI模型的太空数据中心，目前尚未实现。

Rambus的Woo表示："尽管太空计算在技术上确实可行，但经济性和可靠性挑战将使其在近期内难以成为主流。"

例如，据报道谷歌正就利用SpaceX发射太空数据中心进行洽谈，但亚马逊的杰夫·贝索斯认为埃隆·马斯克所说的两到三年时间表"有些过于激进"。

Puchner总结道："大型机构希望在太空建设计算中心和数据中心，是因为不想受制于地球上的种种限制——法规、许可证和能源问题。地方电力公司还没准备好升级电网来支撑数据中心，而数据中心本身已经就绪，令人沮丧。AI在工作和日常生活中的预期增长持续攀升，需求和商业价值都在，只是推进太慢。因此，未来五年内，太空中将安装相当可观的计算能力。"

TI的Shenoy也表示，业界对此充满兴趣和投资热情："从理论上看，太空计算解决了部分能源供应难题——在太阳同步轨道上可以充分利用太阳能，不受电力限制。但太空环境极为恶劣，所处轨道高度决定了辐射强度。这绝非易事，而且还没有考虑发射成本。如何维护太空中的计算能力，仍是开放性问题。地面数据中心可以热插拔更换故障设备，太空中如何高效且经济地实现同等维护能力，目前没有定论。"

太空制造或许是下一步。Barnaby表示："在制造方面，有人提出要在太空中建立洁净室进行芯片制造。我给这个想法打个'存疑的也许'。优势在于低压真空环境有助于沉积等工艺，污染水平会更低。但物料运输、设备维修，加上辐射和温度的影响，都是现实挑战。设施规模需要足够大以容纳散热装置，电力需求也相当可观。"

Q&A

Q1：轨道数据中心与地面数据中心有什么本质区别？

A：轨道数据中心目前更接近功能强化的卫星或卫星星座，而非传统地面数据中心。它们主要作为卫星上的附加计算单元，用于过滤和处理空间数据。真正意义上用于训练或推理AI模型、供地面用户使用的大规模太空数据中心，目前尚未实现。核心挑战包括电力供应、散热、辐射环境下的可靠性以及高昂的发射和维护成本。

Q2：太空计算中心如何解决散热问题？

A：太空中无法使用空气对流冷却，主要依靠液体对流冷却替代。热量从芯片通过固体材料传导至热管或流体回路，再由大型散热板以红外辐射方式向太空散热。以100块英伟达GPU为例，需要约33平方米的太阳能板和16平方米的辐射散热板。提升芯片能效也是降低热量产生的重要手段，效率更高的芯片所需的散热设备也更少。

Q3：太空中的辐射环境对芯片存储器有哪些影响？

A：太阳同步轨道需飞经极区，该区域磁场最弱，质子通量高，辐射环境显著强于赤道附近轨道。DRAM、DDR5、HBM及NorFlash等存储器都容易受到辐射影响，发生单粒子翻转，导致系统宕机或计算错误。目前对FinFET和GAA芯片存储器中单粒子翻转最可靠的应对方式是三模冗余，但成本极高，是原来的三倍。