太空数据中心：当科幻照进现实

$航天发展(sz000547)$

在SpaceX确认有意明年进行首次公开募股(IPO)；
据称寻求1.5万亿美元估值，以及马斯克强烈支持在太空部署数据中心之后，连华尔街卖方机构也开始深入研究起了这一概念
在过去一周，摩根士丹利 和德意志银行 仅相隔数日发布了两份几乎相同的研报。
核心结论是：
虽然实现该计划存在明显的技术挑战，但这些挑战更多似乎属于工程限制而非物理限制。此外，谷歌、OpenAI和贝索斯的蓝色起源似乎都在探索实现途径，这一事实令分析师和科学家们备受鼓舞。 目前谷歌的“太阳捕手计划”正通过与Planet Labs合作，力争在2027年发射原型卫星。
另据报道，OpenAI的奥尔特曼曾考虑收购火箭公司Stoke Space，而谷歌前CEO埃里克·施密特则实际收购了Relativity Space——部分动因正是他对太空数据中心的兴趣；蓝色起源团队也在该技术领域深耕了多年。

我们来看这项曾被视为天马行空的科幻构想将如何成为科学现实。

卫星基础知识，卫星通常由两部分构成：卫星平台和有效载荷。

卫星平台是卫星的主体结构框架及支撑系统，相当于使卫星能在太空运行、维持轨道并抵御真空、辐射和极端温度等严酷环境的“载体”。核心组件包括物理框架、太阳能 电池板、热管理系统、推进系统及光学终端。有效载荷则是执行卫星主要任务的专用设备或仪器。对于数据中心卫星(DCS)，其有效载荷即GPU或TPU。 卫星平台与有效载荷可由单一厂商全链条制造——如SpaceX的星链、亚马逊 的LEO，也可采用分包模式。
参考案例：上月初创企业Starcloud(原名Lumen Orbit)发射的卫星搭载了基于Astro Digital Corvus-Micro系列总线的英伟达 H100芯片，运行大型语言模型。 为何有必要将数据中心置于太空？
随着人工智能推高计算需求，地面数据中心正面临能源、散热和延迟等结构性瓶颈。太空数据中心或可解决这些问题。
能源方面——在合适轨道(如晨昏轨道)上，太阳能板可全天候获取免费太阳能，且因缺乏大气层过滤/散射阳光，其能量强度比地表高出40%。因此，运营商可在轨道上产生高达6-8倍的能量(利用持续可用性+更高辐照度)，避免处理昂贵/复杂的地面电网，同时消除电池备份需求。
冷却——冷却系统在地面数据中心里是一项巨大负担，约占总能耗的40%，需要使用大量水/管道。英伟达创始人黄仁勋近期曾指出：在2吨重的GPU机架里，多达1.95吨属于散热部件。而在太空环境中，只需在卫星背向太阳的暗面安装一个被动散热器，即可将废弃热量直接排放至真空空间。
延迟问题——在真空空间中传播的光学激光链路比地面上的光纤电缆速度更快，潜在速度快出40%以上。这是由于玻璃的折射率以及地面电缆路径非直线造成的。与此同时，卫星在太空中产生的数据量眼下正日益增加（例如影像、气象数据、气候监测）。目前，这些数据需要被下载到地球进行处理，这种方式速度慢且占用大量带宽。但通过将数据中心部署在靠近卫星的地方（即“边缘计算”），处理过程可以直接在轨道上更快地完成，仅需将最终结果或洞察数据传回地面。
可扩展性——据埃隆·马斯克透露，SpaceX目前占据全球运载能力的90%。但随着可重复使用火箭普及，以及蓝色起源、Rocket Lab等新兴发射服务商——包括中国加速布局，每公斤运载成本下降与运载总能力提升，将推动更大规模、更模块化的空间基础设施部署。
全球边缘连接——当规模化部署并置于最佳轨道时，空间数据中心理论上可提升分布式用户与边缘计算任务的连接效率。通过利用低地球轨道或混合轨道星座，理论上可将计算资源置于距主要人口中心仅数毫秒延迟的范围内，相比长距离地面传输路径显著降低时延。
主权与安全因素——另外，一个有趣的原因是主权甚至安全因素。近年来全球范围内不难看到，许多地方社区正抗议在其所在地建造数据中心，并且某些地区可能存在地缘政治担忧。地面数据中心也可能容易受到物理攻击和自然灾害的影响。

在太空部署数据中心的挑战有哪些？

尽管太空数据中心的理论依据相当合理，但在成本和工程层面仍存在若干关键挑战。
首先，火箭发射成本依然过高。可重复使用的猎鹰9号商业发射标价约7000万美元，假设其毛利率约40%，实际成本仍可能达到3000万美元，这意味着每公斤运载成本约1500美元。根据谷歌“太阳捕手计划”白皮书，发射成本需降至200美元/千克以下才具可行性，这要求SpaceX星舰进入常态化发射节奏。
其次，热管理仍构成挑战——尽管其成因与地面冷却不同。太空环境虽寒冷，却是真空状态或完美绝缘体，这意味着热量只能通过辐射慢慢排出，而无法通过对流方式快速散发(如风扇吹风)。GPU具有极高的功率密度，会在小范围集中区域产生热量。要有效冷却大型AI集群，数据中心冷却系统需要配备巨型被动散热器面板。因此散热器设计必须实现突破性进展，才能使太空数据中心真正可行。
第三，辐射会加速芯片老化。宇宙射线和高能质子可能持续轰击卫星。有趣的是，谷歌白皮书通过模拟发现：TPU逻辑核心对辐射耐受性良好，但HBM(高带宽内存)在较低辐射剂量下，就会开始出现错误。对此有一些简单的解决方案，例如用厚重的铅或铝包裹服务器，但这必然增加卫星质量。
第四， 第四，太空环境下的维护极不现实。因此卫星可能需要升级为更高规格的“太空级”硬件以确保寿命，这将推高成本。虽然有人提议使用轨道转移飞行器(OTV)进行维护，但建造能执行复杂机动的飞行器成本过高(例如需要机械臂来更换部件)。 马斯克的宏伟愿景 德意志银行预测，到2025年底星链用户数将突破900万，实现同比翻番，再次彰显其强劲发展势头——该数据尚未计入任何移动网络运营商(MNO)渠道的D2D用户。

展望未来，马斯克透露星链将为数据中心开发V3卫星的改良版。需知V3卫星配备高速激光链路，下行速率/吞吐量可达1Tbps，但因体积庞大必须由星舰运载发射。这些卫星将通过链路互联，并搭载机载计算设备处理数据后再向地球传输。 本月早些时候，马斯克在X平台回应时提及每年部署100万颗卫星(每颗功率100千瓦)，可实现每年新增100吉瓦的人工智能算力。若按V3卫星质量1200-2000公斤估算，这意味着需部署50-80万颗卫星。
毋庸置疑，该数据令人难以置信。华尔街投行预测认为最终的星链V4或V5代卫星还将大幅提升体积与性能。作为参考，V3代设计容量已达V2迷你版的10倍。
此外，马斯克提出在月球建造卫星工厂（预计将运用特斯拉 Optimus人形机器人 ），并利用电磁轨道炮将卫星送至月球逃逸轨道，无需火箭推进。这是因为月球重力仅为地球的六分之一且无大气层（无空气阻力），从月球部署卫星所需能量更少。
马斯克认为这最终将推动人工智能算力突破100 TW大关，助力人类迈向卡尔达肖夫II级文明。II级文明常被称为“恒星文明”，指能够掌控母星全部能量输出的社会形态，具备行星改造与星际航行能力(当然，对一个连财政赤字都无法平衡的星球而言，该目标未免过于乐观)。 市场影响 从总体潜在市场规模来看，德意志银行认为数据中心卫星对火箭发射服务商和卫星制造商，均构成了全新的增量机遇。
鉴于超大规模科技企业资本雄厚，若有意愿可轻松资助未来部署——这曾是某些低轨道宽带星座项目（如Rivada）面临的资金隐患。初期部署规模料将较小，旨在验证工程与经济可行性——预计在2027-28年启动。若取得成功，卫星星座规模将在2030年代逐步扩展至数百乃至数千颗。