潮声丨把数据中心搬到太空，人的事为什么要天来算

潮新闻客户端 执笔 屠晨昕 通讯员 周立超 盛汪淼芷 肖乐

我们有多爱探索宇宙？人类已经把“眼睛”送上太空——“千里眼”遥感卫星；已经把“耳朵”送上太空——“顺风耳”通信卫星。

现在，人类还要把“大脑”送上太空——拥有强大算力的星座，组成分布式数据中心，不时掠过我们的头顶。

之江实验室供图

今天（9月29日），第三届全球数字贸易博览会在杭州闭幕。这几天，在数贸会的综合展区，“太空计算系统”六个惹眼的大字吸引了许多好奇的观众。之江实验室的“良渚星座”，在此首度公开亮相。

这是一个千星规模的计算星座，通过星间激光高速互联稳定组网、算力分布式调度，让数据在空中实时传输、运算，即时传回地球，打造开放共享的太空计算系统，构建天基智能计算基础设施，为通信、导航、遥感和空间科学等卫星提供天基计算服务。

事实上， 采用计算星座进行“天算”业已成为一股全球性的潮流，欧洲、美国都在执行将数据中心搬到天上的计划，“天数天算”乃至“地数天算”将逐渐成为与“东数西算”并列的大趋势。

但是，我们为什么要舍近求远、到太空去搞大数据计算？

捷龙三号火箭海射现场。图源：央视新闻

布局太空计算系统

几天前那次激动人心的“一箭八星”，很多人还记忆犹新。

9月24日10时31分，山东海阳附近海域，捷龙三号固体运载火箭在船上腾空而起，上演了一次完美的“太空拼车”。

8颗卫星之一的成都国星宇航的星时代-21号卫星，就搭载着之江实验室的智加X2星载智能计算机。而在6个多月之前，之江实验室的首台星载智能计算机智加X1已经成功上天。

之江实验室供图

“良渚星座”则是要从单颗计算卫星，升级到具有太空计算系统。

在本届数贸会展区里，陈列着“良渚星座”的一系列核心硬件——具备1POPS（一秒钟一千万亿次智能计算）的星载智能计算机、最高通信速率可达100Gbps的星间激光通信机、Tbits数据交换等级的星载高速路由器、百亿级参数规模的领域大模型等。这个天基大模型，将调度卫星协同处理多源数据，在轨自主完成各类地表活动监测、天文观测和气象监测等任务。

值得一提的是，24日发射的智加X2只有巴掌大小，却拥有每秒32万亿次的算力。相比智加X1，功耗降低了50%，重量降低了30%。“成本效益是空间技术的关键因素，功耗和重量的降低，将大大降低卫星成本。”之江实验室天基计算系统研究中心科研副主任李超表示。

装载在卫星上的星载智能计算机。之江实验室供图

之江实验室总工程师、太空计算系统行政总指挥赵志峰告诉记者，“之江实验室不造火箭，也不造卫星，我们做的是计算。但要建成太空计算系统，就必须开放合作，联合领域内有优势的科研机构、企业一起干。”

“我们携手全球合作伙伴共同打造一个大系统，赋能中继测控通信、低轨导航增强、即时遥感监测、空间科学实验等领域。”之江实验室天基计算系统研究中心副主任陈宏宇表示，目前，太空计算系统汇聚了国星宇航、氦星光联、天链测控、航天驭星、地卫二等10余家国内航空航天领域领军企业和相关科研机构。

当前，科学家们已经开始憧憬 “天数天算”和“地数天算”了。

相对简单的“天数天算”是指卫星在太空中获得的数据无需传回地面，在太空中即可完成计算；更为远景的“地数天算”，指将地面的算力需求传输到太空中的算力节点，通过AI卫星搭载的算力载荷进行数据计算。

李超与团队成员。之江实验室供图

“每颗卫星就像一个风筝，与地球‘单线’联系，而每颗卫星与地面通信的时间是有限的。”李超告诉记者，卫星把接收到的画面传回地球，然后由地面的数据处理中心对这些画面进行解析，得出我们想要的结论，这就是传统的“天感地算”。

在“天感地算”模式下，受带宽限制，卫星数据传输效率低，且会有大量信息损耗。“高延时、高损耗的过程不仅耗费大量资源，在一些紧急情况下，也不利于我们及时拿到数据结果。”李超解释道。

星载智能计算机的出现，就像为卫星装上了一颗大脑。卫星接收到的数据，直接交给星载智能计算机实时在轨处理。

在之江实验室的太空计算系统中，每颗卫星都能通过高速激光通信机与其他卫星相连，实现数据的实时互通传输，并经由计算载荷完成在轨处理后，第一时间传回地球， 把天地间信息传输的效率由小时级缩短至分钟级。

之江实验室供图

以智加X2为例，能够实现在轨目标检测、图像智能压缩、云判等功能。“一张4至5G的图像，经过智加X2的处理，在清晰度不变的情况下，大小可以压缩到十分之一，大大节省了传输带宽。”李超进一步介绍道，如果遇到云层遮挡，计算机会自动判别并选择不拍照，也可以在拍摄到的图片中自动筛除有云层遮挡的照片。

“最大的挑战是可靠性问题。”李超解释说，把算力送上天会遇到各种问题，比如，空间粒子辐射环境会诱发器件的单粒子效应，造成敏感器件的翻转，并最终导致系统的崩溃。

据悉，太空计算系统的首发星座任务已进入倒计时，不久将公布发射时间。

耗水耗电成为人工智能痛点

你也许在网上看到过这句玩笑话：“只要电费贵过馒头，AI就永远不能完全代替人。”

把数据中心搬到太空近地轨道的原始动机，出于一大痛点——实在是太耗电耗水了，尤其是当下最流行的人工智能大模型。

据斯坦福人工智能研究所发布的《2023年人工智能指数报告》， OpenAI的GPT-3单次训练耗电量高达127.8万度电，足够3000辆特斯拉跑到报废！

除了训练以外，GPT-3每生成1000个英文单词大约消耗0.125千瓦时的电量。换算可得知，用户每问一次消耗的电量可至少充电6次手机，吹7分钟的空调，让笔记本电脑工作约2小时。

美国艾奥瓦州的谷歌数据中心。图源：IC PHOTO

跨国公司数据中心“扎堆”的爱尔兰为例，数据中心耗电量已超该国所有城市家庭用电量的总和。

相对于耗电，耗水问题更为突出。如今超算数据中心需要大量水来散热，有一个颇为形象的比喻：数据中心就好比一个超级大的“电热水器”。

这是因为近年来，液冷取代风冷成为AI算力中心的散热方式。与传统风冷系统相比，液冷系统可节省用电量的30%至50%。

不过，液冷用水量太吓人了。用户每一次和GPT-3的简单对话，AI回答10至50个问题，就需消耗500毫升水，相当于一瓶矿泉水。学术研究显示，GPT-3在训练期间耗水近700吨，足以用来生产370辆宝马汽车或320辆特斯拉电动车。

微软曾公开承认，为了训练大模型，从2021年到2022年其全球用水量飙升了34%，相当于2500个奥运规格游泳池的大小。

世纪互联北京亦庄博兴数据中心机房照。新华社发（世纪互联供图）

有调研估算，到2027年全球AI需求可能消耗66亿立方米的水资源，相当于450多个杭州西湖、75个武汉东湖、9个云南滇池。

今年以来，越来越多的数据中心与居民和制造业争夺宝贵的电力和水资源，国内外企业高管、学者频繁提出“人工智能可能导致能源短缺”观点。同时，AI的高耗电耗水量也带来了经济成本的上升，这一成本最终无疑会转嫁到消费者身上。

算力上天加速走向现实

面对困局，科技界和产业界将眼光投向了浩瀚无垠的星空。

2020年，微软发布“云上太空”服务，提供多轨、多波段、多供应商、有云计算能力的卫星连接解决方案。2021年亚马逊将一套AWS物联网云解决方案部署在星载计算载荷上，用以实时分析遥感卫星图像，并通过云将分析结果提供给决策者。

ASCEND概念图。图源：科技日报

2022年，欧盟推出ASCEND计划，提出将数据中心迁移到太空，实现净零排放。今年6月27日，意大利泰雷兹·阿莱尼亚航天公司发布ASCEND可行性结果，宣布该模式可行，预计到2050年发射1300个数据中心模块进入1400公里高的轨道，总计实现1000兆瓦容量，相当于一个大型地面数据中心，投资回报有望达数十亿欧元。

“外层空间的丰富太阳能与极低温度，为数据中心提供了得天独厚的运行环境。”浙江大学航空航天学院研究员孙书剑博士，向潮新闻记者阐述了这一反直觉计划的可行性奥秘。

首先是耗电。“因为有太阳能持续转化为电能，可以源源不断发电，在轨运行几乎是零消耗。而地面上的能源需要电网供给，转化算力费用昂贵。”在孙书剑看来，这是太空计算的一个极大的优势。

太空数据中心概念图。图源：泰雷兹·阿莱尼亚航天公司

其次是耗水。“轨道上完全不存在耗水这一说，因为地球上数据中心耗水是为了冷却，不是真的把水用掉了。”孙书剑指出一点：太空在背阳面的环境温度可以低至-100℃以下，这就是一个巨大无比的“天然冷却器”，只要能避免阳光直晒星载计算机即可。

“现有的航天器在轨工作时段其实非常有限，比如太阳同步轨道卫星，绕地球一圈（一轨）90多分钟，只有10分钟左右在工作，而且未必每轨都工作。如果把算力搬到天上，卫星在轨时就能一直工作。”孙书剑打了个比方，“你家有一台电脑，你不在家时一直闲置着，现在你让它24小时运行起来。这种满负荷的状态，对地面上是一个很好的补充。”

太空算力拥有这些天然优势，人们早就get到了。为什么直到这几年才付诸实际行动？简单地说，过去航天发射太贵了，不划算。

国际空间站上的星载计算机-2号。图源：惠普公司

浙江大学微小卫星研究中心副主任王慧泉教授向潮新闻记者指出：一方面，可重复使用运载火箭在迅速成熟和普及，航天器发射成本大为降低；另一方面，俄乌冲突等地缘政治因素导致传统化石能源成本大涨，尤其让欧美国家不堪重负。多重因素影响下，数据中心上天成为一件有足够效费比和诱惑力的事情。

计算推动了人类科技、文明、社会的进步，我们或许正在见证，它在促进和加速一个崭新太空时代的到来。

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