地面算力中心建設(shè)如火如荼之際，太空正成為全球科技巨頭角逐算力的新陣地，科技大佬紛紛看好。亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝佐斯放話“太空數(shù)據(jù)中心將成為太空事業(yè)的下一步”。今年11月，馬斯克旗下SpaceX直接將英偉達(dá)H100 GPU送入太空。

就在11月27日，北京宣布擬在700-800公里晨昏軌道建設(shè)運(yùn)營(yíng)超過千兆瓦(GW)功率的集中式大型數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)將大規(guī)模AI算力搬上太空。

算力競(jìng)賽“卷”上天，為何要把算力中心搬去太空？在充滿輻射的太空里建“云端機(jī)房”面臨哪些挑戰(zhàn)？中外企業(yè)布局了哪些大動(dòng)作？

算力通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)全球化的新機(jī)遇

亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝佐斯（Jeff Bezos）近期在2025年意大利科技周上預(yù)測(cè)，未來10到20年內(nèi)，千兆瓦級(jí)的數(shù)據(jù)中心將在太空建成。谷歌前首席執(zhí)行官埃里克·施密特（Eric Schmidt）今年表示，因?qū)μ諗?shù)據(jù)中心感興趣而收購了太空科技公司Relativity Space。

SpaceX創(chuàng)始人馬斯克也對(duì)太空算力網(wǎng)展現(xiàn)出興趣，他曾表示星鏈衛(wèi)星可用于在太空中建造大型數(shù)據(jù)中心，SpaceX將著手實(shí)施?？偛课挥谖餮艌D的初創(chuàng)企業(yè)Starcloud同樣希望在太空建造規(guī)模更大的數(shù)據(jù)中心，構(gòu)想部署一個(gè)由4平方公里太陽能陣列供電的5GW數(shù)據(jù)中心衛(wèi)星。

今年11月，Starcloud的一顆測(cè)試衛(wèi)星（Starcloud-1）搭乘SpaceX的火箭抵達(dá)太空。這枚小型冰箱大小的衛(wèi)星搭載了英偉達(dá)H100 GPU，將為其他衛(wèi)星提供高性能推理和微調(diào)能力。

除Starcloud外，多家商業(yè)航天企業(yè)已制定將算力送入太空的計(jì)劃。總部位于加州的初創(chuàng)公司Sophia space也計(jì)劃建設(shè)太空數(shù)據(jù)中心。總部位于休斯頓的Axiom Space于2022年在國(guó)際空間站上測(cè)試了亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的云計(jì)算設(shè)備。Axiom今年計(jì)劃將其首批軌道數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)送入近地軌道。

無論是模型訓(xùn)練，還是數(shù)據(jù)處理，都是離數(shù)據(jù)和用戶越近越好。衛(wèi)星的數(shù)據(jù)在天上產(chǎn)生，未來要在天上做訓(xùn)練，所以要在太空建萬卡集群，讓超大算力中心上天?！睆氖绿旎?jì)算芯片開發(fā)的中科天算CEO劉垚圻對(duì)澎湃科技（m.dbgt.com.cn）表示，中科天算正在推進(jìn)“天算計(jì)劃”，目標(biāo)在太陽同步軌道部署模塊化太空超算中心，提供太空算力服務(wù)。

“天算計(jì)劃”示意圖。

劉垚圻表示，太空頻軌資源有限，目前各國(guó)都在搶占空天戰(zhàn)略資源。太空算力的生態(tài)并未閉合，構(gòu)建太空算力網(wǎng)是我國(guó)算力通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)全球化的機(jī)遇。在應(yīng)用方面，隨著太空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未來成千上萬用戶若使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，空間與地面的數(shù)據(jù)傳輸將極度耗時(shí)，但各類場(chǎng)景對(duì)即時(shí)決策的追求從未停止。

從事未來產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域早期投資的上海未來產(chǎn)業(yè)基金投資執(zhí)行總經(jīng)理劉理鵬對(duì)澎湃科技（m.dbgt.com.cn）表示，天基計(jì)算屬于未來空間與未來信息領(lǐng)域的關(guān)鍵前沿技術(shù)，我國(guó)在空天領(lǐng)域擁有深厚積累，國(guó)內(nèi)頂尖高校及科研院所的從業(yè)者均具備扎實(shí)的技術(shù)功底，人才梯隊(duì)系統(tǒng)培養(yǎng)、代代傳承，已產(chǎn)出諸多優(yōu)質(zhì)成果。天基計(jì)算作為未來產(chǎn)業(yè)賽道，有望形成我國(guó)特有優(yōu)勢(shì)。算力上天，天數(shù)天算，將推動(dòng)單星智能轉(zhuǎn)向多星智能甚至算力星座，形成太空超算，通導(dǎo)遙算有望成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，為算力應(yīng)用打開想象空間，為深空探測(cè)等目標(biāo)提供算力支撐。

空天信息實(shí)時(shí)智能服務(wù)系統(tǒng)的優(yōu)越性

不妨?xí)诚脒@樣一幅未來圖景：當(dāng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)邁入如同4G般便捷普惠的時(shí)代，普通手機(jī)或許就能輕松接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，與太空系統(tǒng)智能交互。漁民出海捕撈金槍魚，只需打開“魚在哪”APP，詢問“我想捕金槍魚，能給我導(dǎo)航嗎”，APP便會(huì)精準(zhǔn)快速告知魚群的位置信息、導(dǎo)航信息、建議適配的魚鉤漁網(wǎng)、最佳下網(wǎng)和收網(wǎng)時(shí)機(jī)，甚至?xí)A(yù)估此次捕撈的銷售價(jià)格。

“現(xiàn)在整個(gè)太空服務(wù)的時(shí)效性非常弱，應(yīng)對(duì)緩慢演變類數(shù)據(jù)的分析能滿足需求，但如果農(nóng)民、漁民希望兩秒內(nèi)回復(fù)，目前還做不到。”劉垚圻表示，太空中的數(shù)據(jù)具有獨(dú)特價(jià)值，信息快速加工、決策有效回傳，就會(huì)產(chǎn)生新的服務(wù)應(yīng)用，推動(dòng)太空經(jīng)濟(jì)發(fā)展。無論是通信衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星，還是科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，都離不開強(qiáng)大算力支撐。

中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院兩院院士李德仁領(lǐng)導(dǎo)推進(jìn)通信、導(dǎo)航、遙感、計(jì)算一體化的“東方慧眼”空天信息實(shí)時(shí)智能服務(wù)系統(tǒng)。2023年1月成功發(fā)射的珞珈三號(hào)01星驗(yàn)證了遙感數(shù)據(jù)從獲取到手機(jī)應(yīng)用終端的分鐘級(jí)服務(wù)的可行性，滿足遙感信息“快、準(zhǔn)、靈”的實(shí)時(shí)信息服務(wù)需求。據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，該星座已將算力設(shè)計(jì)在衛(wèi)星上。

“遙感衛(wèi)星越來越多，分辨率越來越高，衛(wèi)星處理數(shù)據(jù)量將越來越大?！睆氖滦l(wèi)星遙感影像處理的中科天啟數(shù)據(jù)制造事業(yè)部總監(jiān)盧毅告訴澎湃科技（m.dbgt.com.cn），行業(yè)已在推進(jìn)單顆衛(wèi)星的算力搭載工作。衛(wèi)星影像處理具有高讀寫、高輸入輸出特點(diǎn)，對(duì)算力要求高。衛(wèi)星本身攜帶的算力和電力資源有限，限制衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理能力。星上存儲(chǔ)容量耗盡后無法采集新數(shù)據(jù)，只有將數(shù)據(jù)下傳至地面，清空星上存儲(chǔ)空間，才能開展新一輪數(shù)據(jù)采集工作。如果增加衛(wèi)星算力，星上計(jì)算可快速響應(yīng)突發(fā)應(yīng)急救援。“衛(wèi)星每次重訪，拍攝以后直接在星上處理并下傳結(jié)果，這樣下傳的數(shù)據(jù)量小，也有利于地面快速獲取信息。”

太空數(shù)據(jù)中心設(shè)想的支持者認(rèn)為，太空優(yōu)勢(shì)顯而易見，來自太陽的能源無限且免費(fèi)。

在能源方面，天基太陽能陣列不會(huì)面臨地面太陽能裝置必須應(yīng)對(duì)的天氣限制。一旦陣列進(jìn)入軌道，電力基本免費(fèi)。貝佐斯認(rèn)為，太空數(shù)據(jù)中心在軌道上飛行，由太陽提供動(dòng)力，“這些龐大的訓(xùn)練集群在太空建造會(huì)更理想，因?yàn)槟抢镉?4小時(shí)不間斷的太陽能?！彼硎荆拔磥韼资陜?nèi)能夠讓太空數(shù)據(jù)中心的成本低于地面數(shù)據(jù)中心?！?/p>

太空算力基建難度遠(yuǎn)超地面

但在太空建算力基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)想技術(shù)難度并不小。

劉垚圻介紹，盡管建設(shè)太空算力基礎(chǔ)設(shè)施無需考慮占地或能源問題，也不受氣象災(zāi)害影響，但天基計(jì)算面臨與地面截然不同的挑戰(zhàn)與技術(shù)要求?？臻g的真空、微重力、極端溫差環(huán)境對(duì)算力設(shè)施的熱設(shè)計(jì)、可靠性提出了嚴(yán)苛要求。

芯片進(jìn)入太空后，不可避免會(huì)受到太空輻照的影響。芯片內(nèi)部的溝道與柵極結(jié)構(gòu)在電子、離子、重離子等粒子持續(xù)累積之下將產(chǎn)生環(huán)路電流，導(dǎo)致芯片被燒毀。太空輻照也會(huì)影響芯片寄存器，引發(fā)微小電流或電壓的異常波動(dòng)，最終導(dǎo)致二進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，造成計(jì)算錯(cuò)誤，甚至導(dǎo)致程序死機(jī)。劉垚圻表示，這些極端惡劣環(huán)境要求太空超算具備更高的抗輻射能力和軟硬件容錯(cuò)設(shè)計(jì)。

與此同時(shí)，太空超算還必須滿足超長(zhǎng)壽命的嚴(yán)格指標(biāo)，通常需要穩(wěn)定在軌運(yùn)行5-15年甚至更長(zhǎng)時(shí)間；有限的載荷空間和質(zhì)量約束要求太空超算具備高集成度和輕量化特征；芯片算力越強(qiáng)，功耗越大，散熱也越困難，但空間平臺(tái)的電源供應(yīng)有限要求太空超算在保證計(jì)算性能的同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。這些需求遠(yuǎn)超地面超算的建設(shè)難度。而眼下最大的難點(diǎn)則是交通運(yùn)輸工具——火箭檔期不足，發(fā)射成本依然高昂，運(yùn)力亟待提升，當(dāng)前太空任務(wù)的迭代速度仍顯遲緩。

盧毅介紹，單顆衛(wèi)星可攜帶的算力有限，衛(wèi)星之間的算力組網(wǎng)技術(shù)復(fù)雜?！霸诘孛?，8張計(jì)算卡可以插到一臺(tái)服務(wù)器中，依托底層軟件實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)計(jì)算。一顆衛(wèi)星裝載不了8張卡，星與星之間的組網(wǎng)計(jì)算更復(fù)雜，涉及到衛(wèi)星通信相關(guān)技術(shù)?！?/p>

與此同時(shí)，無論算力基礎(chǔ)設(shè)施是部署在太空還是地面，對(duì)于數(shù)據(jù)采購方而言，獲取數(shù)據(jù)后必然希望將數(shù)據(jù)掌握在自己手中，因此對(duì)于將數(shù)據(jù)置于公共計(jì)算池中存在擔(dān)憂，至于匯聚不同廠商的衛(wèi)星數(shù)據(jù)開發(fā)下游應(yīng)用更是難題。此外，盧毅表示，太空算力可滿足星上處理需求，但不能完全替代地面處理。星上計(jì)算后，衛(wèi)星下傳的只是分析后的信息，目前無法對(duì)結(jié)果進(jìn)行質(zhì)檢，這考驗(yàn)?zāi)Ｐ涂煽啃浴?/p>

即便可以7*24小時(shí)不間斷使用太陽能，但劉理鵬也提到，衛(wèi)星組網(wǎng)后要支撐起數(shù)據(jù)中心的算力需求，難點(diǎn)在于，衛(wèi)星的太陽能電池板既要經(jīng)受住太空輻射的考驗(yàn)，又要減輕自身重量，否則與馬斯克的可回收復(fù)用火箭相比，這筆經(jīng)濟(jì)賬算不過來，只會(huì)增加發(fā)射成本。

從遙感智能化到應(yīng)用智能化

盡管難度不小，國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)和企業(yè)也在這一前沿賽道加速布局。今年5月，之江實(shí)驗(yàn)室太空計(jì)算衛(wèi)星星座升空。該星座目標(biāo)解決傳統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理效率瓶頸問題，推動(dòng)人工智能在太空的應(yīng)用與發(fā)展。中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所已成功研制單節(jié)點(diǎn)POPS級(jí)星載計(jì)算機(jī)，首次構(gòu)建了基于國(guó)產(chǎn)高性能大算力芯片上天的技術(shù)體系。

此外，北京擬在700-800公里晨昏軌道建設(shè)運(yùn)營(yíng)超過千兆瓦(GW)功率的集中式大型數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)將大規(guī)模AI算力搬上太空。數(shù)據(jù)中心建設(shè)分為三個(gè)階段：2025年至2027年，突破能源與散熱等關(guān)鍵技術(shù)，迭代研制試驗(yàn)星，建設(shè)一期算力星座；2028年至2030年，突破在軌組裝建造等關(guān)鍵技術(shù)，降低建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本，建設(shè)二期算力星座；2031年至2035年，衛(wèi)星大規(guī)模批量生產(chǎn)并組網(wǎng)發(fā)射，在軌對(duì)接建成大規(guī)模太空數(shù)據(jù)中心。

劉垚圻介紹，在2019年，“把AI送上天”還是個(gè)非共識(shí)的大膽想法，彼時(shí)研究團(tuán)隊(duì)用4卡集群開展協(xié)同容錯(cuò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)。2022年，他們懷著忐忑的心情，將寒武紀(jì)首款芯片送上天，盡管算力只有32TOPS，但團(tuán)隊(duì)成功驗(yàn)證了地面構(gòu)想。

預(yù)判未來的衛(wèi)星數(shù)量將大幅增長(zhǎng)，2020年，團(tuán)隊(duì)立項(xiàng)探索衛(wèi)星間協(xié)同計(jì)算。當(dāng)時(shí)激光器技術(shù)不夠完善、通信通路也不穩(wěn)定，于是他們?cè)趩晤w衛(wèi)星上搭載三臺(tái)設(shè)備，模擬三顆衛(wèi)星的算力互聯(lián)。到2024年，大模型競(jìng)賽已火遍地球，劉垚圻團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了太空領(lǐng)域的大模型空白，將經(jīng)過壓縮、剪枝蒸餾的一個(gè)0.23B大模型上注到太空，實(shí)現(xiàn)太空與地面流暢對(duì)話交互。

從驗(yàn)證算力上天，到驗(yàn)證算力協(xié)同，再探索模型應(yīng)用，三個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)環(huán)相扣。劉垚圻認(rèn)為，未來太空算力的發(fā)展會(huì)經(jīng)歷遙感智能化、通信智能化、應(yīng)用智能化三個(gè)階段。遙感智能化階段以數(shù)據(jù)為核心驅(qū)動(dòng)力，圍繞遙感圖像處理展開。通信智能化階段轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)和通信雙引擎，從天數(shù)天算進(jìn)階到天網(wǎng)天算。應(yīng)用智能化階段將超算能力延伸至太空，打造太空超算平臺(tái)，支撐更復(fù)雜的太空應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)火箭成本下降、衛(wèi)星制造能力提升、太空超算建成，下一代衛(wèi)星的功能形態(tài)將全面提升，不僅能“看”能“聽”，還具備智能運(yùn)算與決策的“思考”能力，通過語音交互反饋信息。

為推進(jìn)“天算計(jì)劃”，劉垚圻團(tuán)隊(duì)計(jì)劃明年發(fā)射全尺寸GPU，通過遙感數(shù)據(jù)采集、通信回傳、大模型處理決策，驗(yàn)證閉環(huán)決策鏈。未來將逐步推進(jìn)多星協(xié)同與部署，優(yōu)化與太空適配的大模型本體?！拔覀儸F(xiàn)在解決的超算上天都是單卡、單機(jī)柜上天。對(duì)比地面，太空算力相當(dāng)于機(jī)柜打散了扔到太空里，未來這么多機(jī)柜怎么集聚、新舊怎么更替、接口怎么連，大模型變成了分布式，這種群體大模型的衛(wèi)星組網(wǎng)后，新衛(wèi)星怎么學(xué)習(xí)來保持知識(shí)延續(xù)，都需要進(jìn)一步探索?！?/p>