為什麼軌道資料中心比矽谷想像的更困難

“太空運算，最終的疆域，已經到來，” Nvidia 執行長 Jensen Huang 在三月的 Nvidia GTC 大會上 宣稱。

確實，將資料中心部署於軌道的構想已從科幻小說變成一項認真的投資項目。Elon Musk 的 SpaceX 已 收購 xAI（同屬 Musk 旗下），並 規劃 打造一套太空資料中心星系。Google 也不甘示弱，與 Planet 合作宣布 Project Suncatcher 計畫，預計在 2027 年初前發射兩顆搭載 Google Tensor Processing Unit（TPU）AI 晶片 的衛星。新創公司 Starcloud 已向聯邦通訊委員會 提出申請，規劃由 88,000 顆衛星組成的軌道資料中心星系。正如 Starcloud 的申請所顯示，這些公司提出的都是數千顆衛星組成的機隊，每顆衛星搭載一架或多架 AI 等級的 GPU，彼此透過自由空間光學鏈路互聯，並透過微波鏈路直接或經由其他衛星與地面通訊。

支持者 宣揚 太空運算的諸多好處：豐富的 太陽能、免費的冷卻，以及免受地震、洪水與抗議等地面干擾。但若以冷靜的眼光審視太空運算的物理特性，呈現出的是一幅更為複雜的圖像。

免費冷卻或許是最大的誤解。太空雖然寒冷，卻沒有大氣。這意味著最佳的散熱機制——傳導與對流——都無法使用。唯一可行的方式是輻射。要避免晶片在太空中過熱，需要龐大且昂貴的表面積來散逸能量並將其輻射出去。

太陽能雖然豐富，但要用功能正常的 太陽能板 收集，且維持與太陽的完美對準，是一項複雜的任務，需要龐大的 姿態控制系統。此外，太空中的游離輻射（來自宇宙射線及其他來源）帶來獨特挑戰，會使太陽能板、輻射冷卻器與晶片本身退化。由於在太空中進行定期維護困難，因此必須在發射時就內建冗餘，成本估算也必須考量效率隨時間的下降。

我在 ABI Research 擔任航太分析師，我們對地面資料中心與太空資料中心進行了粗略的總持有成本比較。結果顯示，在太空中發射並運作一個 GPU 一年，成本至少比在地面資料中心高一個數量級。我們的模型很簡單，假設一架 Nvidia H100 伺服器機架與所需尺寸的太陽能板及輻射器一同發射，搭載於類似 Starcloud 試驗發射 的太空船上。我們假設使用 SpaceX 的 Starship，發射成本每公斤樂觀設定為 44 美元，地面能源成本為每度 0.20 美元。這是一個簡單的粗略估算，但確實反映出某些真實情況。

從我們的觀點來看，酬載的運送與太空硬化成本，使得通用型太空資料中心在今日難以在經濟上站得住腳，儘管許多地區的資料中心建置商正為 電力 而苦尋出路。然而，仍有一些利基應用，其較高的運算成本可能具有正當性。例如對地球觀測衛星資料進行前處理、即時偵測與追蹤高超音速飛彈，以及在日益擁擠的 低地球軌道 執行主動 碰撞避免。即使是這些應用，面對基本的物理法則仍是一項艱鉅挑戰，同時也是一項技術上極具吸引力的挑戰。

太空中的冷卻挑戰

冷卻正是物理學將科幻與現實區隔開來的所在。太空唯一可用的冷卻方式——輻射冷卻——其控制方程式為 Stefan-Boltzmann 定律。該定律指出，可輻射的功率與輻射器面積及其溫度的四次方成正比。對於太空系統架構師而言，此定律的意涵極為嚴峻。在軌道上，我們唯一能控制的變數是面積。這項限制為太空冷卻帶來幾何上的代價，或稱「物理稅」：需要排出的功率越多，必須從地球攜帶的輻射器面積就越大。

太空唯一可用的冷卻方式是輻射，而所需的輻射器面積可透過 Stefan-Boltzmann 定律推導。對於單一晶片消耗 700 瓦（如 Nvidia 廣受歡迎的 H100 GPU），若要維持在 20 °C，所需面積略低於 3 平方公尺；若操作溫度為 85 °C，則降至 1 平方公尺。然而，由於輻射器表面暴露於游離輻射，其發射率會下降，在太空中 5 年後，所需面積約增加 40%。

為了了解這個基準面積在實際上的規模，我運用 Stefan-Boltzmann 定律模擬單一晶片消耗 700 瓦功率（如 H100 GPU 這款 AI 主流晶片）所需之散熱面積，以維持恆定 60 °C（通常被視為 GPU 壽命與穩定性的最佳溫度）。我進一步假設輻射器完美朝向 深太空，背景溫度為寒冷的 3 K。根據此計算，單一晶片需要 1.4 平方公尺的輻射器表面。

為了提供具體的對照，一個典型的 AI 機架可容納約 32 顆 GPU（四塊 H100 伺服器板）。加上 CPU、記憶體與網路設備，此機架約消耗 40 千瓦功率。單一機架包含 2.5 TB 記憶體，足以同時服務超過 20,000 名使用者，或同時執行 16 個 Llama 3（開源 AI 模型）的執行個體。但要在真空中冷卻此熱負載，單一機架需要 80 平方公尺的輻射器，大約相當於一個匹克球場的面積。若要建置總功率 100 百萬瓦的資料中心，至少需要 2,500 個這樣的輻射器。

這還只是最佳情況。在低地球軌道環境中隱藏了更多問題。太空會讓輻射器及其塗層暴露於 紫外光 與原子氧的化學惡劣環境中，這與無塵室環境大相逕庭。在 LEO 衛星典型的 5 年壽命期間，這些元素會使輻射器表面特性退化，降低其散熱能力。

若將此退化納入模型，當輻射器從「全新」狀態退化至「壽命結束」狀態，物理法則會進一步施加代價。要維持 GPU 晶片相同的 60 °C 操作溫度，每顆晶片所需的表面面積將從約 1.4 平方公尺增加至近 2.0 平方公尺。換言之，物理稅上升了 40%。因此，必須多發射至少 40% 的輻射器質量，承受更高的大氣阻力，並犧牲寶貴的發射體積，只為了因應熱塗層的退化。此增加會大幅提高發射成本，並進一步侵蝕太空資料中心的經濟效益。

太空中的矽晶挑戰

解決熱問題只是戰役的一半。低地球軌道的另一項重大挑戰是游離輻射，它會影響運算硬體本身。今日的衛星通常使用 抗輻射硬化 處理器，這些處理器非常可靠，但成本也高出許多，且效能遠遜於商用現成 處理器。

標準的抗輻射晶片並不具備執行現代大型語言模型（LLM）的運算能力。因此，渴望發射資料中心的衛星營運商別無選擇，只能做出高風險的妥協：使用原本設計給地面的硬體。為了達到所需的運算密度，軌道資料中心必須使用與地面 伺服器農場 相同的 Nvidia H100 或 Google TPU。問題在於這些晶片在太空中是「脆弱」的目標。高能粒子可能使記憶體中的位元翻轉，或在邏輯電路中造成「閂鎖」而燒毀電路。

一種可能的解決方案是用厚重的吸收板將電腦屏蔽在輻射之外。然而，屏蔽層會大幅增加本已沉重的衛星質量。另一種選擇是透過冗餘來補償輻射損害。確實，邊緣運算 架構師正朝向軟體定義的韌性發展：不再使用單一完美硬化的電腦，而是搭載多個不完美的商用電腦，其總成本可能低至抗輻射型式的十分之一到百分之一。

這種冗餘方法已應用於許多太空船，包括最近搭載 太空人 環繞月球的 Artemis II，以及 SpaceX 的飛行電腦與國際太空站的 Hewlett Packard Enterprise 邊緣伺服器。透過在三個（或更多）不同節點上執行同一計算的三個（或更多）執行個體並比較結果，系統可以偵測損壞的處理器。若某個節點失效，「協調器」會重新啟動它，而其他節點則繼續執行任務。雖然這確保了韌性，但也意味著部分運算能力必須用於冗餘，進一步增加成本。

太空中的能源挑戰

太空資料中心常被宣稱的一項優勢，是看似無限供應的免費 潔淨能源——來自太陽。軌道上的太陽能確實豐富，達到每平方公尺 1,361 瓦。當然，捕捉這些免費能源的前提，是將龐大的太陽能板發射至軌道，這本身成本高昂。而且這些太陽能板也會因輻射暴露而隨時間退化，通常每年損失 1% 至 3% 的效率。

假設一個太陽能陣列收集 1 MW 功率來運作 AI 叢集。物理法則要求衛星最終必須輻射 1 MW 的廢熱。由於產生太陽能所需的面積（約 400 W/m²）與排熱所需的面積（約 450 W/m²）幾乎相等，因此每平方公尺的發電面積現在大約需要另一平方公尺的冷卻面積。輻射器必須在結構上與發電系統平起平坐，而非僅僅是被動塗層。

正如 Elon Musk 最近在達沃斯 指出，最高效的輻射器是從不見到太陽的那種。將太空船定向，使太陽能板朝向太陽，輻射器朝向深層真空，可大幅提升兩者的效率。但問題在於：維持這種完美的三向對準——太陽能板對太陽、輻射器對真空、天線 對地球——需要複雜、高扭矩的姿態控制系統。因此這種配置意味著更多酬載與更多運算能力。此外，這些控制系統是具有多種失效模式的複雜元件，在維護困難的情況下並非最佳選擇。

太空運算的殺手級應用

既然部署巨型輻射器在惡劣的太空環境中存在這麼多挑戰，為什麼還要建造太空資料中心？

雖然在太空中訓練或推論 LLM 今日看來並不經濟，但仍有其他極具說服力的太空運算應用。以下是兩個：解決地球觀測衛星的下行鏈路瓶頸，以及在日益擁擠的低地球軌道中執行防止碰撞的機動。

最新的地球觀測衛星配備高光譜與合成孔徑雷達感測器，用於各種重要的偵察任務，例如戰場情報、追蹤運載違禁品的全球影子船隊，以及評估地震或基礎設施故障（精確至毫米級）。這些系統每天可產生數百 TB 的原始資料，必須傳輸回地球。然而，用於下行資料的射頻「管線」已擁塞，地面基礎設施無法吸收如此龐大的原始資料量。

另一個立即且任務關鍵的太空運算應用，是保護軌道環境。目前軌道上有超過 17,000 顆衛星，其中絕大多數位於低地球軌道，避免這些衛星之間發生碰撞至關重要。正如 NASA 天體物理學家 Donald Kessler 在 1978 年所指出，一次單獨的太空碰撞可能引發連鎖反應，使整個 LEO 變得無法使用。

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根據 SpaceX 最近的年度報告，Starlink 星系平均每 2 分鐘執行一次碰撞避免機動。每次機動已經 依賴 機載 AI 系統，但大多數處理仍需在地面完成。

SpaceX 的 Starlink 系統目前在低地球軌道擁有超過 10,000 顆衛星，此處以彩色圓點表示。

Satellitemap.space

隨著低地球軌道日益擁擠，碰撞避免必須打破傳統的地面迴路模式。在巨型星系時代，OODA（觀察、定向、決定、行動）迴路必須在機載執行，從而將分析週期從數分鐘縮短至毫秒級。

問題在於衛星上的標準飛行電腦並非為這種層級的運算而設計。目前機載電腦無法與導航系統結合，實作所需的複雜機動機率模型。顯然，需要更強大的電腦。

這正是將運算移至太空的真正經濟正當性：將洞察生成移至太空。透過將高效能運算置於感測器旁，我們可以在軌道上處理數 TB 的資料，並即時將相關資料下傳至地面；同時也能即時執行避免衛星碰撞所需的運算。

太空運算的未來

因此，假設在可預見的未來，某種形式的運算在低地球軌道中是不可避免的，那麼熱量將如何處理？業界目前正在實驗兩大類解決方案，以應對 Stefan-Boltzmann 定律。

一種創新的選擇是使用摺紙啟發的輻射器，如同詹姆斯·韋伯太空望遠鏡所使用的類型。多家公司正在開發可撓、高導熱的複合材料輻射器，可在發射時摺疊成緊密立方體，在軌道上展開成巨大卻輕量的熱翼。

另一種可能性是使用液滴輻射器。此概念建議完全移除剛性輻射器結構，改為直接將冷卻油噴入太空真空。流體透過開放迴路流動，暴露於近乎絕對零度的真空，以最大化輻射表面積，之後被收集器捕獲並泵回船內。這聽起來像是科幻小說，但當熱負載攀升至數百萬瓦時，液滴冷卻可能是唯一能突破此指數級現實之質量限制的方法。

我們粗略的總持有成本模型使用了目前數字的樂觀版本，例如發射成本、晶片成本與功率消耗。批評者可能指出，未來技術將在效率、專用設計與成本方面有所改善。

確實，技術勢必會進步。但關鍵因素不僅是發射成本，還有每單位質量的運算能力與電力經濟學。輻射器與太陽能陣列可能消耗衛星總質量的 65% 至 70%，而太空級光電技術的成本比地面同類產品高出數個數量級。

Chris Philpot

即使發射成本下降，發電與熱管理的質量與成本負擔仍將是根本問題。

目前的太空級太陽能板依賴鍺基板，其供應集中於中國。要擴大這些基板的可用性將極為困難。轉向抗輻射鈣鈦礦太陽能板或類似替代方案可能大幅改變經濟性，但這可能性至少還要五年以上。技術會變得更便宜，但功率與熱架構的瓶頸仍將存在。

認識太空冷卻的熱力學現實，迫使我們改變看待衛星營運的方式。我們正從「發射後即遺忘」的時代，走向「自主後勤」的時代。正如我們的熱模型所顯示，太空的惡劣環境會持續攻擊硬體。紫外線輻射會使熱塗層退化；宇宙射線會使矽晶退化。在傳統衛星模型中，當輻射器退化或記憶體失效，衛星就變成太空垃圾。對於價值數百萬美元的資料中心，這種丟棄模式可能造成毀滅性後果。

要使軌道運算的經濟性成立，基礎設施必須可維護，且發射它們的火箭必須可重複使用。軌道領域將需要自動化維修載具，能夠更換退化的輻射器面板並升級損壞的伺服器。在這些方面，軌道資料中心的未來取決於新興太空經濟的創新。

有充分理由認為，對太空運算的需求並非炒作循環，而是新太空經濟的賦能者。看看 SpaceX 最近提出的監管申請，規劃在低地球軌道部署多達一百萬顆衛星的星系。在如此規模下，將所有原始資料路由回地球在物理上是不可能的；網路本身必須成為資料中心。

然而，這個領域的贏家將由最巧妙因應熱力學的系統架構師，以及擁有足夠垂直整合能力來承擔軌道資料中心龐大營運成本的公司所決定。最終，物理稅是普世的。無論是在低地球軌道的真空中管理熱排斥，還是管理北維吉尼亞超大規模設施中的功率密度，限制因素從來不是矽，而是熱力學。