編者按：

被馬斯克稱為 “文明升級(jí)” 的算力革命，正從科幻構(gòu)想加速走向工程現(xiàn)實(shí)。太空計(jì)算，即通過近地軌道或地球同步軌道上的衛(wèi)星集群構(gòu)建 “太空數(shù)據(jù)中心”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)與輸出的全流程在軌完成，其核心是打破傳統(tǒng) “天感地算” 的模式局限，讓算力擺脫地球環(huán)境的束縛。但這項(xiàng)前沿技術(shù)究竟為何成為全球競(jìng)逐的焦點(diǎn)？各國布局進(jìn)展如何？距離真正走進(jìn)普通人的生活，又還有多少難以逾越的障礙？

服務(wù)器農(nóng)場(chǎng) “上天” 的必然選擇

地面算力的增長(zhǎng)瓶頸，正在倒逼人類將目光投向太空。生成式 AI 的爆發(fā)式增長(zhǎng)，讓數(shù)據(jù)中心的能源消耗達(dá)到了驚人的規(guī)模。谷歌每年用于人工智能訓(xùn)練的電量高達(dá) 23 億度，相當(dāng)于美國一個(gè)州首府所有家庭一年的用電量；國盛證券的數(shù)據(jù)顯示，到 2030年美國大型數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目總?cè)萘繉⒊^ 200GW，占美國總電力產(chǎn)量的 40%。馬斯克曾直言，未來人工智能行業(yè)將從 “缺硅” 轉(zhuǎn)向 “缺電”，這一判斷并非危言聳聽。除了電力短缺，耗水問題同樣嚴(yán)峻 —— 科學(xué)家預(yù)計(jì)到 2027 年，全球人工智能所需的清潔淡水將達(dá)到 4.2 億至 66 億立方米，這一數(shù)值相當(dāng)于 4 至 6 個(gè)丹麥或半個(gè)英國的年取水總量，液冷散熱系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用讓數(shù)據(jù)中心成為水資源消耗大戶。

傳統(tǒng) “天感地算” 模式的低效性，進(jìn)一步凸顯了太空計(jì)算的必要性。衛(wèi)星采集的海量數(shù)據(jù)受限于地面站資源和帶寬，90% 以上都被直接丟棄，僅有不到十分之一能傳回地面處理，且時(shí)效性極差。以森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)為例，傳統(tǒng)模式需要數(shù)小時(shí)才能完成數(shù)據(jù)傳輸與分析，而搭載 AI 算力的衛(wèi)星可在軌實(shí)時(shí)識(shí)別火情，將響應(yīng)速度從 “小時(shí)級(jí)” 壓縮至 “秒級(jí)”，為防災(zāi)減災(zāi)爭(zhēng)取關(guān)鍵時(shí)間。歐洲天氣預(yù)報(bào)中心的測(cè)試也表明，將部分氣象模型遷移至太空算力平臺(tái)后，預(yù)報(bào)精度和時(shí)效性均得到顯著提升。此外，跨洲際數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延問題長(zhǎng)期困擾著全球通信 —— 北京到紐約的地面數(shù)據(jù)傳輸需繞地球半圈，而近地軌道星鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)能將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)時(shí)延壓至幾十毫秒，這種低時(shí)延優(yōu)勢(shì)對(duì)于自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等實(shí)時(shí)性要求極高的場(chǎng)景至關(guān)重要。

太空環(huán)境本身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為算力突破提供了天然條件。深空背景溫度接近 - 270℃，相當(dāng)于天然的 “無限熱沉”，熱量可通過紅外輻射直接排入宇宙，無需地面數(shù)據(jù)中心占運(yùn)營(yíng)成本 40% 的復(fù)雜散熱系統(tǒng)。太陽能在太空的利用效率更是突出，不受大氣遮擋影響，發(fā)電效率可達(dá)95%，是地面的 5 倍，且電力成本僅為地面數(shù)據(jù)中心的十分之一左右（太空約 0.005 美元 / 度，地面0.05-0.12 美元 / 度）。更重要的是，太空數(shù)據(jù)中心的碳排放僅為地面的 1/10，在全球 “雙碳” 目標(biāo)下，這種零碳優(yōu)勢(shì)成為各國布局的重要考量。

數(shù)據(jù)海嘯帶來全球競(jìng)逐

當(dāng)前，中美歐已形成太空計(jì)算的三大主要力量，科技巨頭與國家戰(zhàn)略深度綁定，加速推進(jìn)技術(shù)落地與星座組網(wǎng)。

美國的“軟硬協(xié)同”策略頗具代表性。硬件層面，惠普企業(yè)（HPE）的“太空計(jì)算機(jī)2號(hào)”已連續(xù)在軌運(yùn)行超1000天，其特殊加固設(shè)計(jì)將輻射錯(cuò)誤率降低了150倍。軟件層面，微軟“Azure Space”與空客合作開發(fā)的“太空邊緣計(jì)算平臺(tái)”已能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的在軌預(yù)處理，將下行數(shù)據(jù)量壓縮85%。更關(guān)鍵的布局在于標(biāo)準(zhǔn)制定——美國國家標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ANSI）2023年發(fā)布的《太空計(jì)算架構(gòu)指南》，正試圖為全球天基計(jì)算設(shè)定技術(shù)框架。

中國的“天地一體化”路徑展現(xiàn)出系統(tǒng)思維。2023年發(fā)射的“遙感三十九號(hào)”衛(wèi)星搭載了首款7納米工藝抗輻射AI芯片，單顆衛(wèi)星即可完成對(duì)地觀測(cè)圖像的實(shí)時(shí)目標(biāo)識(shí)別。更深層的布局在于基礎(chǔ)設(shè)施：中國計(jì)劃在2025年前建成由300顆衛(wèi)星組成的“太空計(jì)算骨干網(wǎng)”，首次實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星間的直接計(jì)算協(xié)作。航天科工集團(tuán)總工程師周志成透露：“我們不是在建造孤立的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，而是在軌道上部署可自組織的‘計(jì)算星座’?！?/p>

歐洲的“靈活重構(gòu)”理念另辟蹊徑。ESA的“軟件定義衛(wèi)星”項(xiàng)目已進(jìn)入第三代，這些衛(wèi)星可在軌重新配置計(jì)算資源——上午處理氣候數(shù)據(jù)，下午轉(zhuǎn)為監(jiān)測(cè)海洋航運(yùn)。這種靈活性通過“歐洲太空計(jì)算云”實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，已有17個(gè)成員國接入該網(wǎng)絡(luò)。2024年啟動(dòng)的“星載量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)”更預(yù)示著下一代突破，該項(xiàng)目旨在測(cè)試太空環(huán)境對(duì)量子比特的獨(dú)特保護(hù)效應(yīng)。

商業(yè)公司的“垂直整合”模式正在顛覆傳統(tǒng)。SpaceX不僅發(fā)射衛(wèi)星，更構(gòu)建了從星載計(jì)算到地面終端的完整鏈條。其第二代星鏈衛(wèi)星配備的激光通信陣列，實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)覆蓋全球的太空計(jì)算網(wǎng)絡(luò)骨架。藍(lán)色起源的“軌道礁”空間站則明確將“商業(yè)計(jì)算模塊”作為核心營(yíng)收來源，計(jì)劃以每千核小時(shí)1500美元的價(jià)格出租太空計(jì)算能力。

從技術(shù)驗(yàn)證來看，太空計(jì)算已從概念階段邁入工程化落地期。2025 年 11 月StarCloud 的 H100 GPU 衛(wèi)星發(fā)射，標(biāo)志著高性能計(jì)算芯片正式進(jìn)入太空應(yīng)用階段；谷歌的 TPU 芯片輻射測(cè)試、國星宇航的激光通信驗(yàn)證等，均為后續(xù)規(guī)模化組網(wǎng)積累了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。行業(yè)普遍認(rèn)為，太空計(jì)算的發(fā)展將經(jīng)歷三個(gè)關(guān)鍵里程碑：2027 年完成百顆級(jí)衛(wèi)星組網(wǎng)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)在軌實(shí)時(shí)處理；2030 年火箭發(fā)射成本壓至 200 美元 / 公斤，太空算力成本低于地面；2035 年后月塵 3D 打印硅片技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)太空設(shè)備本地化制造。

正如天體物理學(xué)家尼爾·德格拉斯·泰森所警示：“我們正用20世紀(jì)的信息管道，輸送21世紀(jì)的太空數(shù)據(jù)洪流。這種錯(cuò)配要么被修正，要么將導(dǎo)致整個(gè)太空觀測(cè)體系的崩潰?！?/p>

技術(shù)成本資源環(huán)境多重困境

盡管前景廣闊，太空計(jì)算要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，仍需突破技術(shù)、成本、環(huán)境等多重瓶頸，這些現(xiàn)實(shí)困境決定了其普及之路不會(huì)一帆風(fēng)順。

技術(shù)層面，太空極端環(huán)境對(duì)硬件可靠性的挑戰(zhàn)首當(dāng)其沖。宇宙射線中的高能粒子會(huì)引發(fā)電子設(shè)備的 “單粒子翻轉(zhuǎn)”（硬件錯(cuò)誤）或永久性損傷，這是地面計(jì)算無需應(yīng)對(duì)的核心問題。目前解決方案主要包括抗輻射加固（如三套計(jì)算模塊切換的航天級(jí)冗余設(shè)計(jì)）、新材料防護(hù)（如切爾諾貝利核電站發(fā)現(xiàn)的 Cladosporium sphaerospermum 真菌，其黑色素可屏蔽 84% 輻射）和軟件糾錯(cuò)算法，但這些方案均存在局限 —— 冗余設(shè)計(jì)增加設(shè)備重量和能耗，生物防護(hù)層仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，軟件糾錯(cuò)則會(huì)占用部分算力資源。StarCloud 的 H100 GPU 衛(wèi)星僅完成短期輻射測(cè)試，長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的穩(wěn)定性仍需時(shí)間驗(yàn)證。

散熱與能源供應(yīng)的平衡難題同樣棘手。雖然太空的超低溫環(huán)境利于散熱，但衛(wèi)星的散熱面積有限，根據(jù)測(cè)算，要支撐 1GW 算力需 20 萬平方米輻射板，相當(dāng)于 16 個(gè)足球場(chǎng)大小，這對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的輕量化、小型化提出了極高要求。Starcloud 衛(wèi)星采用熱導(dǎo)管 + 輻射翼板的設(shè)計(jì)，將 GPU 熱量傳導(dǎo)至衛(wèi)星外殼通過特制涂層輻射散熱，但這種方案在大算力場(chǎng)景下的有效性仍需驗(yàn)證。能源供應(yīng)的另一痛點(diǎn)是地影期供電 —— 衛(wèi)星進(jìn)入地球陰影區(qū)后無法獲取太陽能，需依賴鋰硫電池或钚 - 238 核電池維持運(yùn)行，核電池雖續(xù)航能力強(qiáng)，但存在安全風(fēng)險(xiǎn)和成本問題，電池技術(shù)的能量密度不足仍是主要制約。

星間通信與天地協(xié)同的技術(shù)瓶頸尚未突破。太空計(jì)算依賴高帶寬、低時(shí)延的星間鏈路實(shí)現(xiàn)算力協(xié)同，目前國星宇航的 100Gbps 星間激光通信已實(shí)現(xiàn)技術(shù)驗(yàn)證，但大規(guī)模星座組網(wǎng)后，如何解決星間切換、鏈路干擾、協(xié)議兼容等問題仍需攻克。更關(guān)鍵的是，天地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膸挷粚?duì)稱 —— 太空向地面的下行鏈路需傳輸分析結(jié)果，數(shù)據(jù)量較小，但地面向太空的上行鏈路需傳輸指令和模型更新，現(xiàn)有技術(shù)難以滿足大規(guī)模算力調(diào)度的需求。星間鏈路與天地鏈路在高速、低時(shí)延和安全傳輸方面仍有很長(zhǎng)的路要走。

成本控制是太空計(jì)算商業(yè)化的核心障礙。當(dāng)前火箭發(fā)射成本雖已降至約 2000 美元 / 公斤，但要實(shí)現(xiàn)太空算力成本低于地面，需將發(fā)射成本進(jìn)一步壓至 200 美元 / 公斤，這一目標(biāo)預(yù)計(jì)要到 2030 年才能實(shí)現(xiàn)。硬件成本方面，抗輻射加固的航天級(jí)計(jì)算芯片價(jià)格是地面普通芯片的數(shù)十倍，單顆搭載 H100 GPU 的計(jì)算衛(wèi)星造價(jià)高達(dá)數(shù)千萬美元。據(jù)測(cè)算，把和地面相同的算力部署到太空，成本會(huì)大幅提升，現(xiàn)有 CPU 等器件需重新按照太空環(huán)境設(shè)計(jì)，能耗、算法等相關(guān)技術(shù)也需針對(duì)性優(yōu)化。此外，太空設(shè)備的維護(hù)成本極高 —— 地面數(shù)據(jù)中心可隨時(shí)檢修更換部件，而在軌衛(wèi)星一旦出現(xiàn)故障，幾乎無法進(jìn)行物理維修，只能依賴冗余設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程糾錯(cuò)，這進(jìn)一步推高了運(yùn)營(yíng)成本。

軌道資源與太空安全問題日益凸顯。近地軌道的可用空間有限，隨著各國衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量激增，軌道擁堵已成必然。更危險(xiǎn)的是軌道碎片威脅 —— 目前直徑大于 1cm 的太空碎片已超過 90 萬塊，這些高速運(yùn)行的碎片可能撞擊計(jì)算衛(wèi)星，造成致命損傷，而動(dòng)態(tài)規(guī)避系統(tǒng)的研發(fā)仍處于初級(jí)階段。此外，太空計(jì)算涉及全球數(shù)據(jù)處理與傳輸，數(shù)據(jù)安全、隱私保護(hù)等法律監(jiān)管問題尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各國在太空資源歸屬、算力服務(wù)邊界等方面的博弈，也將影響行業(yè)的全球化發(fā)展。

結(jié) 語

從技術(shù)驗(yàn)證到規(guī)模化應(yīng)用，從成本高企到商業(yè)可行，太空計(jì)算的發(fā)展路徑清晰但挑戰(zhàn)重重。當(dāng)前，太空計(jì)算已具備工程可行性 ——StarCloud 的 GPU 衛(wèi)星驗(yàn)證了硬件適配性，中國的 “三體星座” 實(shí)現(xiàn)了初步組網(wǎng)，谷歌、英偉達(dá)的技術(shù)儲(chǔ)備為算力升級(jí)提供支撐，但要真正走進(jìn)普通人的生活，仍需跨越三個(gè)關(guān)鍵門檻：火箭發(fā)射成本降至 200 美元 / 公斤、抗輻射與散熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破性優(yōu)化、天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)形成規(guī)?；芰?。

按照現(xiàn)有規(guī)劃，2030 年前后或?qū)⒊蔀樘沼?jì)算的商業(yè)化拐點(diǎn) —— 屆時(shí)中美歐的千星級(jí)星座將基本成型，算力成本有望低于地面，在氣象預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警、跨洲際通信等專業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。但對(duì)于大眾而言，太空計(jì)算仍將是 “隱形” 的技術(shù)支撐，其算力將通過天地一體化網(wǎng)絡(luò)融入日常的手機(jī)通信、導(dǎo)航服務(wù)、視頻傳輸?shù)葓?chǎng)景，無需用戶直接感知。

太空計(jì)算的探索，本質(zhì)上是人類突破地球資源限制、追求更高效率算力的必然選擇。它既承載著解決地面能源危機(jī)、環(huán)境壓力的現(xiàn)實(shí)需求，也寄托著人類邁向太空文明的長(zhǎng)遠(yuǎn)愿景。雖然目前仍面臨諸多困境，但隨著可重復(fù)使用火箭、抗輻射材料、星間激光通信等技術(shù)的持續(xù)迭代，這場(chǎng)蒼穹之上的算力革命，終將重塑全球算力格局，讓 “天算” 成為未來社會(huì)數(shù)字化、智能化的核心支撐。而這段距離的長(zhǎng)短，正取決于全球科技界破解現(xiàn)實(shí)困境的速度與決心。