
9月24日,谷歌公布了一项重要计划,把自己的人工智能芯片装进卫星,搭乘美国SpaceX猎鹰9号火箭飞上近地轨道。按目前的任务安排,这颗试验卫星将在下周发射。那么,谷歌要把芯片送到太空中干什么?
一、谷歌算力卫星上究竟装了什么?
谷歌把这项研究称为“太阳捕手计划”(Project Suncatcher),计划首颗原型卫星将参加SpaceX的Transporter-18拼车任务,卫星由美国遥感卫星数据公司星球实验室(Planet Labs)参与开发。所谓拼车,就是一枚火箭一次运送多颗不同客户的卫星,各自到达预定轨道后再释放。对这样一项初期试验而言,先搭现成的发射班车,可以有效减少发射成本。

公开报道披露,这颗原型卫星携带4颗谷歌自研的TPU芯片。TPU是为机器学习设计的专用处理器,擅长把大量数字计算并行完成。我们用手机向AI提问,后台模型处理文字、图像乃至视频时,就需要类似芯片提供算力。这次谷歌要把一小部分计算设备送到真实轨道环境里接受考验。
报道给出的计划发射日是10月1日,航天任务受天气、火箭准备情况和发射场安排影响,具体时间可能调整。谷歌还说,2027年将继续推进双星试验,尝试验证卫星间的激光连接。也就是说,这次是单星验证,下一步才轮到两颗卫星彼此传数据,离大规模组网还隔着好几道关。

谷歌想测试的是面向AI计算的TPU能否在轨道上稳定运行。若芯片在发射途中损坏、在辐射环境下频繁算错,或一工作就过热,太空算力设想就无从谈起。
二、为什么要把地面机房送入太空?
人工智能越强,对电力的需求往往越大。一个人问AI一次问题,看上去没什么,只是屏幕上跳出几行字。但当使用者达到千百万甚至更多,背后却要有大量芯片、供电设备和散热系统昼夜运行。训练大型模型需要集中投入,模型上线后的日常推理也会持续消耗资源。数据中心扩容除了买芯片,还要考虑电网接入、土地、机房建设和冷却条件。

但要是把机房送入太空,情况就大不同了。在合适的近地轨道上,太阳能板可以长时间受到照射,躲开地面的云层、夜晚和大气影响,从而实现源源不断太阳能发电。谷歌研究团队估算,特定条件下,轨道太阳能板的发电效率最高可达到地面同类系统的约8倍。
要接近持续受光,轨道需要进行精心选择。谷歌研究的是接近晨昏线的太阳同步低轨,让太阳照射角度尽量保持合适。卫星经过阴影区时,还要面对储能和调度问题。

谷歌提出,让许多携带TPU的小卫星在相近轨道结成集群。每颗卫星像机房中的一排设备,利用激光链路交换数据,再把任务分配给不同芯片。如果这种架构成熟,天上的计算设施就有望按模块增加。
三、AI芯片在太空中会面临多重巨大难题
直觉上,太空那么冷,整个宇宙的平均温度低至-270.42℃,把因为计算发热的芯片放到太空中,散热应该容易。
事实上,芯片很难在太空中散热。我们在地面给电脑散热,风扇可以吹动空气,水冷系统可以把热量带到室外。而真空里几乎没有空气,风扇转得再快,也无法靠气流把热吹走。芯片产生的热要先传到热管和散热板,最后靠热辐射散向外部空间。

这意味着卫星必须给散热板留出面积,还要处理它朝向太阳、地球和深空时不断变化的受热条件。芯片集中工作时,热量短时间涌出,整套系统能不能把温度稳住成为关键。
谷歌已在地面用热真空设备模拟轨道环境,测试热管与散热器的组合。下周的飞行则要回答实验室无法完全回答的问题,卫星真正入轨后,TPU工作时各处温度如何变化,散热效率能否达到预期,持续运行会不会出现新的故障。
此外,还有发射这一关。火箭升空时,卫星要经受振动和加速度。谷歌表示,航天器整体可能承受最高约10倍重力加速度,芯片等局部部件在振动中承受的瞬时载荷可能达到50至100倍重力加速度。

进入轨道也不是万事大吉,高能粒子可能穿过电子设备,让存储的数据发生位翻转,相当于本来该记成0的位置被记成1。谷歌此前用质子束照射Trillium TPU,得到的抗辐射结果颇为积极,但累计辐射剂量达标不等于所有计算都会永远正确。卫星得在真实环境中记录错误出现的频率、是否能够纠正,以及芯片长期运行后的状态。
四、卫星要靠激光组网难度在哪里?
假设一颗卫星已经能稳定运行4颗TPU,下一步能不能发射更多卫星把它们连起来?
问题随之变成网络,现代AI模型通常要让很多处理器频繁交换数据。如果每颗卫星只顾自己算,彼此传输跟不上,芯片越多也未必能带来相应的性能提升。
谷歌研究团队提出,未来的星间链路需要达到每秒数十太比特的数据传输能力。作为早期地面验证,他们利用一对光学收发设备实现了两个方向各每秒800吉比特的传输速率。

因为激光束很窄,发射端和接收端得对得极准。卫星绕地球飞行时,彼此位置受轨道、地球引力场和微小阻力影响不断变化。谷歌论文用81颗卫星组成的集群做了轨道模拟,给出约650公里高度、集群半径约1公里的示例,以此研究近距离编队是否有机会长期维持。
距离近有好处,光束飞得越远,接收端越难获得足够强的信号,卫星靠近有助于提高传输能力。但麻烦也随之增加,它们既要保持相对位置,又要避免碰撞。能否高速、稳定地互联,决定卫星集群能否像一座机房那样工作。
五、结语
即便芯片经受住振动、辐射和散热考验,太空机房还面临值不值的巨大问题。
卫星要制造、测试、运输、发射,入轨后不能像地面服务器那样随时派人换零件。太阳能板、散热器、通信设备都占重量,真正用于计算的芯片只是整颗卫星的一部分。寿命结束以后,旧设备怎么退役、新设备怎么接班,也要计入成本。

谷歌论文曾设想,如果到2030年代中期,向低轨发射的成本降到每千克200美元以下,那么,轨道计算的部分成本指标才可能逐渐接近地面设施。这个数字是建立在未来发射价格持续下降基础上的研究情景,现在SpaceX猎鹰9火箭的低轨发射成本约为每千克2720美元。
因此股票配资广东,太空数据中心会不会成为现实,眼下还没人能给出确定答案。
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