把数据中心送出地球

2022年底，埃隆·马斯克(Elon Musk)的SpaceX公司干了两件大事，一个是低调推出了具有卫星间跨轨道激光通讯能力的“星盾（Starshield）”计划，另一个是两年多前向美国联邦通委员会FCC申请部署的29988颗星链二代（Starlink Gen2）卫星，已经有7500颗获得了批准。这两件看似离我们很遥远的事，其实都与数据中心行业密切相关，背后更深层次原因也值得关注。

经过几年的发展，如今的SpaceX公司已经具备把可组网数据中心通过卫星大批量送上天的太空部署能力，同时还在加紧筹备组建星链“星座”，以加快实现太空分布式算力。与此同时，欧洲也已经进入“太空云”的最后可行性研究阶段，而微软、亚马逊、IBM、AMD、惠普、NTT（日本最大电服务商）、Ramon.Space、OrbitsEdge（太空数据中心硬件供应商）、LEOCloud（卫星“星座”组网业务初创厂商）、Axiom Space（新兴商业空间站开发商）、Lonestar、SkyCorp、Sierra Space、Skyloom等大批科技巨头和初创公司，都在想方设法把更多数据中心送出地球。

2022年12月26日消息，据西班牙《国家报》网站报道，欧盟正计划将数据中心送入太空，目前欧盟已展开对欧洲净零排放和数据主权高级空间云（ASCEND）计划的可行性研究；

2022年11月底消息，微软Azure云平台开发了一个新的太空软件开发工具包，正与LEOCloud合作，以实现在Axiom Space的空间站上提供基于太空的云计算服务；

2022年11月消息，IBM正与商业航天公司Sierra Space合作开发太空计算基础设施，以实现各种卫星和设备在太空轨道上直接通；

2022年9月消息，Space Compass（NTT和SKY Perfect JSAT新成立的合资公司）与Skyloom签署了合作条款清单，将为地球观测市场提供光学数据中继服务，实现卫星间超高速数据传输服务促进太空分布式计算。

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把数据中心送出地球进入太空，似乎正在成为数据中心行业的共同选择，这是为什么？

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无碳能源与极寒之地

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目前，欧盟已选择法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司(Thales Alenia Space)对欧洲净零排放和数据主权高级太空云（ASCEND）计划的可行性进行研究。据悉，这一研究最重要目标是让数据中心进入太空，然后利用宇宙中的太阳能为数据中心供电，从而大幅减少碳排放。目前该计划主要是评估发射和运营太空数据中心产生的碳排放，是否能够低于地面数据中心产生的碳排放。 

数据中心进入太空以后，至少可以从两个方面解决其能耗问题

第一、可以大幅降低数据中心的整体运营成本。目前全球所有数据中心在运营阶段，每年大概总体会消耗220-320亿KWh电力。根据科智咨询估计，数据中心运营阶段成本中，电力成本高达56.7%。如果解决了数据中心用电成本问题，数据中心运营阶段的成本将至少会降低一半。而太空拥有免费且近乎无限的太阳能，可以给数据中心持续供应“无碳能源”。也就是说，把数据中心送进太空可以彻底解决碳中和背景下最棘手的能耗问题。

第二、可以大幅降低数据中心设备耗电量。地面上的数据中心之所以耗电量巨大，很大程度源于制冷设备对电力的消耗。据科智咨询估计，目前我国大型数据中心制冷设备的电力消耗占数据中心总能耗的22%左右。在太空中，在没有阳光直射的地方，温度会降到-170℃，这种极寒的真空环境是非常理想的天然冷却系统，可以大幅降低数据中心能耗水平。

来源科智咨询

不止如此，随着算力需求增加，未来数据中心网络传输的耗电量问题也不容忽视。据测算，对于10 Gbps的服务器带宽，网络服务器能耗约占数据中心总能耗的3%，但当带宽达到800Gbps时，服务器能耗将高达20%。目前，NTT的太空光通技术正在解决这个问题，据悉，这一技术可以在太空中将数据中心间的数据传输耗电量降到无线传输的百分之一左右。

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“地数天算”打造终极分布式算力

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“现在，地球上的科学家们正在思考着他们以前根本无法想象的事情”，“当我可以在13分钟内（太空中）处理完数据，并在两秒内（地球上）下载结果时，我就可以每天而不是每月监测宇航员的健康状况”，美国科技公司HPE太空计算机首席工程师Mark Fernandez说。他还表示，在太空中直接处理数据，可以使太空与地面需要传输的数据量减少20000倍。

把太空中原本需要发回地球进行计算的数据直接实现在太空中进行计算，或者把地球上非低延时需求的算力直接转移到太空中去计算，这两件事对于当前数据中心和算力行业来说，都是一个颠覆性的变化。

但要实现这种“地数天算”，也就是在太空中形成卫星“星座”组网，需要解决两个棘手的问题，一个是在太空中建数据中心形成算力基础设施，一个是要让这些数据中心之间实现，无需将数据返回地球直接在太空中进行数据传输。

在太空中建设数据中心，部署阶段会遇到两个问题，第一、需要考虑算力的时延需求，第二、需要一定的建设规模量级。

根据当前算力传输响应需求（主要是20ms-50ms时延），传播时延决定了“星座”组网目前只能选择低轨卫星的轨道。

传播时延=道长度(m)/电磁波在道上的传播速率(m/s)

在传播速率一定的前提下，传播距离几乎直接决定了传播时延，离地球越近，从太空返回的算力结果传回地球所需的时间就越少，就越能满足对算力传输的响应需求，所以把卫星部署在低轨成为必然。

但搭载数据中心的卫星在低轨部署，其实也就意味着“星座”组网实现的算力只能是分布式的，为什么这么说呢？

有一个重要的技术瓶颈在于，当前阶段低轨卫星的容积非常有限，通过太阳能转化过来的电力容量很难超过2000W，导致无法在低轨道建立一个大型的数据中心并对其进行持续有效供电。因此必须把大批小型数据中心分布建立在每一颗卫星上，从而形成太空分布式算力。

但大批数据中心装备到卫星中之后，还需要卫星之间可以直接进行数据传输，才能实现太空分布式算力。

本文开头提到的，马斯克在干的两件大事，其实都与卫星间数据传输的激光链路技术有关。其中2022年12月初最新公布的“星盾”计划，虽然官网中仅有非常有限的几页息，但却透露了这一技术简单说，“星盾”卫星可以实现跨轨道激光传输数据。而12月初刚刚批准、即将大批量部署的“星链”二代卫星，则具有同轨道激光传输数据的能力。

卫星之间在太空低轨道的真空环境中进行数据传输，其实难度非常大，需要非常高级的AI智能算法和协同操作系统才能实现这种精密操作。当然，带来的好处也是显而易见的，太空中卫星间数据传输速度要比地球上的光纤电缆速度快得多。马斯克此前透露，“星链”卫星之间的数据传输速度可以达到97%的光速，比光纤传输速度甚至还要快40%。

具备跨轨道激光传输数据能力的“星盾”，可以支撑SpaceX公司建立星链“星座”，组网之后形成太空分布式算力。其中，低轨卫星数据中心可以满足20ms左右的时延需求，中轨道卫星可以满足50ms的时延需求，高轨卫星100ms以上的时延需求，然后跨轨道之间通过“星盾”卫星进行数据传输，同轨道卫星之间通过“星链”进行数据传输，由此实现让分布式算力跳出低轨道，延伸到整个浩瀚宇宙当中。

把数据中心送出地球实现太空分布式算力，市场空间正在快速增长。花旗银行研究报告指出“预计最快的增长来自新的太空应用和产业，例如太空太阳能、太空物流和月球或小行星采矿等。到2040年，这些行业领域的年销售额可能达到1000亿美元左右。”

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抢占稀缺的低轨道空间资源

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但太空中低轨道部署卫星其实面临着两个极度稀缺的资源问题一个是低轨卫星的轨道资源，一个是卫星之间通过无线电磁波传输时的频谱资源，两者都属于不可再生资源。

根据航天业界的普遍估计，太空低轨道大约能容纳50000-60000颗低轨卫星，目前，SpaceX公司已经发射了超过3500颗星链一代卫星（申请部署12000颗，已获得授权数量为4425颗）。而早在2020年5月，SpaceX就申请发射星链二代29988颗，目前已经获得批准7500颗。

据悉，亚马逊Kuiper项目也已经从2022年开始发射搭载数据中心的低轨卫星，整个计划将最终达到3236颗。此外，由中国政府主导的“GW”巨型星座计划，在2020年9月申请的低轨卫星数量为12992颗，由英国政府主导OneWeb项目，卫星总数大概是650颗。

显然，低轨卫星的轨道资源已经非常紧张了，但频谱资源问题更值得关注，因为如果卫星之间使用传统的无限电磁波的光通，会受到频谱资源的严重制约。但如果使用激光链路技术就不会受到频谱资源限制，目前除了SpaceX的星链二代（星链一代不具备激光通功能）和即将到来的星盾，IBM和NTT也都在进行激光链路技术这个领域的研究，但暂时没有进入应用阶段。

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艰难却充满梦想的抉择

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“我们的计划是建造一个能屏蔽辐射，同时具备热管理功能的盒子，这样放在盒子里的任何东西都能飞起来并工作”，OrbitsEdge创始人兼首席技术官里克·沃德（Rick Ward）表示。

把数据中心送出地球，其实还面临着比想象中更多困难，包括地磁风暴对设备的破坏问题、太阳对芯片的高强度辐射问题、能否制造出无人为干预可以持续运行15年的硬件设备问题、制造和发射数据中心的成本问题、碰撞风险等等。

把数据中心送出地球，是一个艰难却充满梦想的抉择。

| 文章来源中国IDC圈

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