將數據中心送入太空所需的四大關鍵要素

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今年一月，伊隆·馬斯克（Elon Musk）旗下的 SpaceX 向美國聯邦通訊委員會（FCC）提交申請，計畫將多達一百萬個數據中心送入地球軌道。目標為何？為了在不引發地球環境危機的情況下，全面釋放人工智慧（AI）的潛力。但這真的可行嗎？

SpaceX 是最新一家讚頌軌道運算基礎設施潛力的科技巨頭。去年，亞馬遜創辦人傑夫·貝佐斯（Jeff Bezos）表示，科技產業將朝向太空大規模運算發展。Google 也計畫部署數據處理衛星，目標是最早在明年發射由 80 顆衛星組成的測試星座。而去年 11 月，總部位於華盛頓州的初創公司 Starcloud 發射了一顆配備 NVIDIA H100 高效能 GPU 的衛星，標誌著先進 AI 晶片的首次軌道測試。該公司願景是在 2030 年前，讓軌道數據中心的規模達到與地面數據中心相當。

支持者認為，將數據中心移往太空是合理的。目前的 AI 熱潮正使電網承受巨大壓力，並增加了對冷卻電腦所需水資源的需求。大型數據中心周邊的社區擔心，隨著需求增長，這些資源的價格會隨之飆升，此外還有其他問題。

倡導者表示，在太空，水和能源問題將迎刃而解。在永晝的太陽同步軌道上，太空數據中心可以不間斷地獲取太陽能。同時，它們產生的多餘熱量可以輕易排入寒冷的太空真空環境中。隨著太空發射成本降低，以及 SpaceX 的「星艦」（Starship）等巨型火箭承諾進一步壓低價格，將全球數據中心移往太空在商業上可能變得可行。然而，反對者則持不同看法，並指出各種技術障礙，儘管有些人認為這些障礙在不久的將來或許可以克服。以下是實現太空數據中心所需的四個必要條件。

散熱的方法

AI 數據中心會產生大量熱量。太空看似是排放熱量且不消耗大量水資源的理想場所，但事實並非如此簡單。為了獲得 24 小時運作所需的電力，太空數據中心必須處於永晝軌道，繞著地球兩極旋轉，且永遠不躲進地球的陰影中。在這種軌道上，設備溫度永遠不會低於 80 °C，這對於電子設備長期安全運行來說實在太熱了。

從這種系統中排出熱量挑戰極大。奧地利太空科技初創公司 Satellives 的執行長 Lilly Eichinger 表示：「太空中的熱管理和冷卻通常是一個巨大的問題。」

在地球上，熱量主要透過對流的自然過程散發，這依賴於空氣和水等氣體和液體的流動。在太空真空中，熱量必須透過效率低得多的輻射過程移除。要安全移除電腦產生的熱量以及從太陽吸收的熱量，需要巨大的輻射表面。衛星體積越大，就越難將內部的熱量排向太空。

但歐洲航太巨頭泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）的前技術總監 Yves Durand 表示，解決此問題的技術已經存在。

該公司先前為大型通信衛星開發了一種系統，可以透過機械泵驅動管網中的冷卻液，最終將航天器內部的熱量轉移到外部的散熱器。Durand 領導了 2024 年一項關於太空數據中心的可行性研究，結果發現雖然存在挑戰，但歐洲應該有可能在 2050 年前將吉瓦（GW）級規模的數據中心（與地球上最大的設施相當）送入軌道。這些設施將比 SpaceX 設想的要大得多，其太陽能電池板陣列達數百公尺長——比國際太空站還要大。

能承受輻射衝擊的電腦晶片

地球周圍的太空不斷受到宇宙粒子的撞擊和太陽輻射的鞭笞。在地球表面，人類及其電子設備受到大氣層和磁層的保護，免受這些帶電粒子的侵蝕。但離地球越遠，這種保護就越弱。研究顯示，飛機機組人員患癌症的風險較高，因為他們在巡航高度頻繁暴露於高輻射環境中，那裡的大氣稀薄且保護力較弱。

卡內基梅隆大學電力與計算機工程首席系統科學家 Ken Mai 表示，太空中的電子設備面臨三類由高輻射引起的問題。被稱為「單粒子翻轉」（single-event upsets）的現象會在帶電粒子撞擊晶片和記憶裝置時導致位元翻轉並損壞存儲數據。隨著時間推移，太空中的電子設備會累積電離輻射造成的損傷，從而降低性能。Mai 解釋說，有時帶電粒子撞擊組件的方式會物理性地置換晶片上的原子，造成永久性損壞。

傳統上，發射到太空的電腦必須經過多年的測試，並專門設計以承受地球軌道上的強烈輻射。然而，這些「抗輻射」電子設備價格昂貴得多，且性能也落後於地球上最先進的運算設備。發射常規晶片是一場賭博。但 Durand 表示，尖端電腦晶片使用的技術在預設情況下比過去的系統更具抗輻射性。而在三月中旬，NVIDIA 展示了硬體，包括一款新型 GPU，旨在「將 AI 運算帶入軌道數據中心」。

NVIDIA 邊緣 AI 行銷主管 Chen Su 告訴《麻省理工科技評論》：「NVIDIA 系統本質上是商業現貨（COTS），其輻射彈性是透過系統層級實現的，而非僅靠抗輻射矽片。」他補充說，衛星製造商透過屏蔽、先進的錯誤檢測軟體，以及將消費級設備與客製化抗輻射技術相結合的架構，來提高晶片的韌性。

儘管如此，Mai 表示數據處理晶片只是問題之一。數據中心還需要記憶體和存儲設備，這兩者都容易受到過度輻射的損害。營運商還需要具備在問題出現時更換零件或進行調整的能力。使用機器人或太空人任務進行維護的可行性和成本，是懸在大型軌道數據中心構想上的重大問號。

「你不僅需要向太空投放一個滿足當前需求的數據中心；你還需要冗餘、額外零件和可重構性，這樣當東西壞了，你只需更改配置即可繼續工作，」Mai 說。「這是一個非常具挑戰性的問題，因為一方面你在太空擁有免費的能源和電力，但另一方面也有很多缺點。這些問題很可能超過將數據中心放入太空所獲得的優勢。」

除了定期維護的需求外，還有災難性損失的風險。在強烈的太空天氣期間，衛星可能會被足以摧毀所有電子設備的輻射淹沒。太陽剛剛度過其 11 年週期中最活躍的階段，對衛星的影響相對較小。儘管如此，專家警告說，自太空時代開始以來，地球尚未經歷過太陽所能產生的最糟狀況。許多人懷疑，當今主導地球軌道的低成本新太空系統是否對此做好了準備。

避開太空垃圾的計畫

無論是泰雷茲阿萊尼亞宇航公司設想的大型軌道數據中心，還是 SpaceX 提議的小型衛星巨型星座，都讓太空永續發展專家感到頭痛。地球周圍的空間已經擠滿了衛星。光是 Starlink 衛星每年就要進行數十萬次避撞操作，以躲避碎片和其他航天器。太空中的東西越多，發生毀滅性碰撞的可能性就越高，這會使軌道充斥著數以千計的危險碎片。

擁有數百平方公尺太陽能陣列的大型結構，很快就會受到微小太空碎片和隕石的損害，隨著時間推移，這會降低太陽能板的性能並在軌道上產生更多碎片。軌道回收初創公司 Lunexus Space 的創辦人 Greg Vialle 告訴《麻省理工科技評論》，在低地球軌道（海拔 2,000 公里以下的空間區域）運行一百萬顆衛星，除非該區域的所有衛星都屬於同一個網絡，以便它們能有效溝通並互相避讓，否則幾乎不可能安全實現。

「一個軌道殼層大約可以容納四到五千顆衛星，」Vialle 說。「如果你計算低地球軌道的所有殼層，最多只能容納大約 24 萬顆衛星。」

他表示，航天器必須能夠以安全距離互相通過以避免碰撞。

「你還需要能夠將物體送往更高軌道，或帶回大氣層進行離軌，」他補充道。「因此，衛星之間至少需要有 10 公里的間隙才能安全操作。像 Starlink 這樣的巨型星座可以排列得更緊密，因為衛星之間會互相通訊。但除非是壟斷經營，否則你無法在地球周圍部署一百萬顆衛星。」

最重要的是，Starlink 可能會希望定期用更現代的技術升級其軌道數據中心。根據一群向 FCC 提交反對意見的天文學家的說法，大約每五年更換一百萬顆衛星意味著更多的軌道交通——這可能會使碎片進入地球大氣層的速度從每天三、四件增加到大約每三分鐘一件。一些科學家擔心，重新進入大氣層的碎片可能會破壞臭氧層並改變地球的熱平衡。

經濟的發射與組裝

硬體在軌道上存活的時間越長，投資回報就越高。但要讓軌道數據中心在經濟上可行，公司必須找到一種相對廉價的方法將硬體送入軌道。SpaceX 寄望於其即將推出的「星艦」巨型火箭，其有效載荷能力將是目前主力火箭「獵鷹 9 號」的六倍。泰雷茲阿萊尼亞宇航公司的研究結論是，如果歐洲要建造自己的軌道數據中心，就必須開發類似強大的發射器。

但發射只是方程式的一部分。大型軌道數據中心無法裝入火箭——即使是巨型火箭也裝不下。它需要在軌道上進行組裝。而這可能需要目前尚不存在的先進機器人系統。多家公司已經對這類系統的前身進行了地面測試，但距離實際應用仍有很長的路要走。

Durand 表示，短期內，較小規模的數據中心可能會成為軌道基礎設施不可或缺的一部分，直接在太空處理來自地球觀測衛星的影像，而無需將其傳回地球。這對於銷售太空洞察數據的公司來說將是巨大幫助，因為許多數據集極其龐大，而透過地面站下傳數據進行處理的競爭正日益激烈。

「軌道數據中心的好處在於，你可以從小型伺服器開始，逐漸增加並建立更大的數據中心，」Durand 說。「你可以利用模組化。你可以一點一點學習，逐漸發展太空工業能力。我們擁有所有的技術，而且對太空數據處理基礎設施的需求巨大，所以考慮這一點是有意義的。」

不過，小型設施可能無法緩解地面數據中心對地球水電資源造成的壓力。一些批評者認為，這種未來的願景可能需要數十年才能實現——如果它真的能起步的話。