Google 在 2025 年 11 月初公布了一項(xiàng)名為 Project Suncatcher 的計(jì)劃：將 TPU（Tensor Processing Unit，張量處理單元）送入太空，與衛(wèi)星公司 Planet Labs 合作，在距地 650 公里的低地球軌道上構(gòu)建 AI 計(jì)算集群。按照設(shè)想，這個(gè)集群將由 81 顆衛(wèi)星組成，分布在半徑 1 公里的范圍內(nèi)，彼此間距僅 100 到 200 米，比任何現(xiàn)有衛(wèi)星星座都要緊密得多。首批兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃在 2027 年初發(fā)射。

Google 已經(jīng)發(fā)布了詳細(xì)的預(yù)印本論文，闡述技術(shù)路線。CEO Sundar Pichai 在聲明中說(shuō)，這需要“解決大量復(fù)雜的工程挑戰(zhàn)”，但 Google 的工程師們顯然認(rèn)為這些挑戰(zhàn)是可以應(yīng)對(duì)的。他們已經(jīng)開(kāi)始用 67MeV 質(zhì)子束轟擊 Trillium 代 TPU 芯片，模擬太空輻射環(huán)境；在實(shí)驗(yàn)室里搭建了自由空間光通信演示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 1.6Tbps 的雙向傳輸速率；還建立了精密的軌道動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算如何讓這么多衛(wèi)星在如此近的距離上編隊(duì)飛行。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Google）

電力已經(jīng)成為當(dāng)前數(shù)據(jù)中心發(fā)展的最大瓶頸之一，而把 AI 計(jì)算搬到太空，正是想解決這個(gè)問(wèn)題。太陽(yáng)每秒輸出 3.86×10^26 瓦的能量，是人類全球電力生產(chǎn)總量的 100 萬(wàn)億倍以上。在晨昏太陽(yáng)同步軌道上，太陽(yáng)能板幾乎可以持續(xù)接受光照，每年接收的能量是地球中緯度地區(qū)的 8 倍。隨著生成式 AI 的爆發(fā)，數(shù)據(jù)中心能耗以驚人速度增長(zhǎng)。Google 聲稱已將 Gemini 查詢的能耗在一年內(nèi)降低了 33 倍，但 AI 應(yīng)用的增長(zhǎng)速度更快。如果 AI 真的成為類似電力或蒸汽機(jī)那樣的通用基礎(chǔ)技術(shù)，其能源需求預(yù)計(jì)將持續(xù)攀升，地球上的電力資源終將面臨瓶頸。

太空太陽(yáng)能發(fā)電的構(gòu)想存在已久，但一直被一個(gè)問(wèn)題困擾：如何把電力傳回地球？無(wú)論是微波束還是激光束，能量傳輸效率和安全性都難以保證。Project Suncatcher 選擇繞開(kāi)了這個(gè)死結(jié)。既然傳回電力這么難，干脆在太空直接進(jìn)行計(jì)算，只把結(jié)果傳回地面。這個(gè)思路轉(zhuǎn)換使整個(gè)方案的可行性大幅提升。

但除此之外還有一系列嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，首當(dāng)其沖的是衛(wèi)星間通信。地面數(shù)據(jù)中心的 TPU 超級(jí)計(jì)算機(jī)使用定制的低延遲光學(xué)芯片互連（ICI，Inter-Chip Interconnect），每個(gè)芯片的吞吐量達(dá)到數(shù)百 Gbps。商用光學(xué)衛(wèi)星間鏈路的數(shù)據(jù)速率通常只有 1 到 100Gbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

Google 的方案是采用密集波分復(fù)用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）技術(shù)，理論上可實(shí)現(xiàn)每條鏈路約 10Tbps 的聚合帶寬。問(wèn)題在于，這種技術(shù)需要數(shù)百微瓦的接收光功率，而傳統(tǒng)長(zhǎng)距離衛(wèi)星間鏈路只有約 1 微瓦。

緊密編隊(duì)正是為了解決功率問(wèn)題。光信號(hào)的接收功率與距離的平方成反比，把衛(wèi)星間距離從數(shù)千公里縮短到數(shù)百公里，鏈路預(yù)算就能大幅改善。距離進(jìn)一步縮短到公里級(jí)后，還能實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，在不同衛(wèi)星的收發(fā)器陣列之間建立多個(gè)獨(dú)立光束，每個(gè)光束攜帶獨(dú)立的 DWDM 數(shù)據(jù)流。Google 的實(shí)驗(yàn)室演示已經(jīng)在短距離上實(shí)現(xiàn)了 800Gbps 單向傳輸，證明方向是對(duì)的。

編隊(duì)飛行帶來(lái)了軌道控制的復(fù)雜性。81 顆衛(wèi)星需要在 1 公里半徑內(nèi)保持隊(duì)形，同時(shí)每個(gè)軌道周期完成兩次形狀循環(huán)。外圍衛(wèi)星在軌道不同位置會(huì)經(jīng)歷遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)，高度在 650 公里上下浮動(dòng) 500 米。

在理想的開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)中，這種“自由落體”星座在一個(gè)完整軌道后會(huì)自動(dòng)復(fù)位，不消耗燃料。但現(xiàn)實(shí)中，地球的扁率、太陽(yáng)和月球潮汐、大氣阻力都會(huì)造成擾動(dòng)。Google 提出用機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)控制星座，通過(guò)調(diào)整集群形狀補(bǔ)償可預(yù)測(cè)的漂移。根據(jù)計(jì)算，將軸比從標(biāo)準(zhǔn)的 2:1 調(diào)整到 2:1.0037，可以把 J2 項(xiàng)（地球扁率效應(yīng)）引起的漂移降低到每年每公里不到 3 米每秒。

輻射環(huán)境是另一道坎。在太陽(yáng)同步低地球軌道上，即使有 10 毫米鋁當(dāng)量的屏蔽，輻射劑量仍約為每年 150 拉德（rad(Si)）。五年任務(wù)壽命意味著累積劑量達(dá)到 750 拉德。輻射造成的損害分兩類：總電離劑量效應(yīng)導(dǎo)致器件逐漸退化，單粒子效應(yīng)則產(chǎn)生瞬時(shí)故障。Google 測(cè)試了 Trillium 代 V6e 云 TPU 和配套的 AMD 服務(wù)器，用質(zhì)子束模擬軌道輻射條件。

測(cè)試結(jié)果喜憂參半。高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）對(duì)總電離劑量最敏感，在累積 2 千拉德后開(kāi)始出現(xiàn)異常，好在這仍是任務(wù)要求的近 3 倍。單粒子效應(yīng)方面，HBM 同樣最脆弱，主要表現(xiàn)為不可糾正的 ECC 錯(cuò)誤。

對(duì)于推理工作負(fù)載，觀察到的錯(cuò)誤率約為每 50 拉德一次，換算成實(shí)際軌道環(huán)境，大約每 1,000 萬(wàn)次推理出現(xiàn) 1 次失效。Google 認(rèn)為這個(gè)比例“對(duì)推理可能是可接受的”。但對(duì)訓(xùn)練任務(wù)，影響還不清楚。訓(xùn)練過(guò)程中的位翻轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致靜默數(shù)據(jù)損壞，這在任何環(huán)境下都是嚴(yán)重問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究緩解措施。

另外，散熱也是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。真空中運(yùn)行高功率密度的 TPU，只能靠輻射散熱。Google 在論文中提到需要“先進(jìn)的熱界面材料和熱傳輸機(jī)制，最好是被動(dòng)式以最大化可靠性”，將熱量從芯片高效傳導(dǎo)到專用散熱器表面。這部分技術(shù)細(xì)節(jié)論文中著墨不多，顯然還在攻關(guān)階段。

最關(guān)鍵的可能還是發(fā)射成本。目前發(fā)射到低地球軌道的價(jià)格在每公斤 1,500 到 2,900 美元之間。Google 的分析顯示，只有當(dāng)成本降至每公斤 200 美元，發(fā)射費(fèi)用攤銷到航天器壽命周期后，按每千瓦計(jì)算才能與地面數(shù)據(jù)中心的能源成本相當(dāng)，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的電力支出約為每千瓦每年 570 到 3,000 美元。

每公斤 200 美元，這個(gè)數(shù)字有多現(xiàn)實(shí)？Google 對(duì) SpaceX 的歷史數(shù)據(jù)做了學(xué)習(xí)曲線分析。從 Falcon 1（獵鷹 1 號(hào)）到 Falcon Heavy（獵鷹重型），價(jià)格展現(xiàn)出約 20% 的學(xué)習(xí)率。每當(dāng)累計(jì)發(fā)射質(zhì)量翻倍，每公斤價(jià)格下降約 20%。

如果 SpaceX 的 Starship 能盡快投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，并達(dá)到每年約 180 次的發(fā)射頻率，到 2035 年左右，價(jià)格可能降到每公斤 200 美元以下。這需要 Starship 實(shí)現(xiàn)高頻次、高可靠性的運(yùn)行，也需要足夠的市場(chǎng)需求來(lái)支撐這個(gè)發(fā)射規(guī)模。即便發(fā)射頻率打七折，價(jià)格也能降到每公斤 300 美元，對(duì)大規(guī)模星座的可行性仍有實(shí)質(zhì)性影響。

圖丨不同低地球軌道衛(wèi)星的發(fā)射功率價(jià)格（來(lái)源：Google）

另一種估算基于 Starship 4 的公開(kāi)規(guī)格和重復(fù)使用目標(biāo)。假設(shè)實(shí)現(xiàn) 10 倍組件重復(fù)使用，SpaceX 的發(fā)射成本可能低至每公斤 60 美元；如果達(dá)到 100 倍重復(fù)使用，成本可能降到每公斤 15 美元。當(dāng)然，這些都建立在技術(shù)突破的基礎(chǔ)上。但太陽(yáng)能光伏板行業(yè)在 40 多年里保持了類似的學(xué)習(xí)率，說(shuō)明這種長(zhǎng)期成本下降并非沒(méi)有先例。

實(shí)際上，谷歌并不是唯一一家計(jì)劃將數(shù)據(jù)中心發(fā)射到太空的公司。就在 Google 公布計(jì)劃前幾天，初創(chuàng)公司 Starcloud 發(fā)射了搭載英偉達(dá) H100 芯片的 Starcloud-1 衛(wèi)星，宣稱要建設(shè)一個(gè)跨越 4 公里太陽(yáng)能陣列、功率達(dá) 5GW 的天基數(shù)據(jù)中心。

馬斯克也表示 SpaceX“將會(huì)做”太空數(shù)據(jù)中心，杰夫·貝索斯去年表示 10 年以上后會(huì)有千兆瓦級(jí)設(shè)施出現(xiàn)，前 Google CEO 埃里克·施密特收購(gòu)火箭公司 Relativity Space 也是為了這個(gè)目標(biāo)。Axiom Space、NTT、Ramon.Space、Sophia Space 等公司都在籌劃類似項(xiàng)目。這波熱潮背后，是對(duì) AI 計(jì)算需求持續(xù)增長(zhǎng)的預(yù)期，以及對(duì)地面資源約束的擔(dān)憂。

中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的動(dòng)作更快。2025 年 5 月 14 日，之江實(shí)驗(yàn)室與國(guó)星宇航合作的“三體計(jì)算星座”首批 12 顆計(jì)算衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射, 成為全球首個(gè)成功入軌并組網(wǎng)的太空計(jì)算衛(wèi)星星座。這個(gè)項(xiàng)目在 2024 年 11 月的世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)烏鎮(zhèn)峰會(huì)上首次公布，計(jì)劃建設(shè)千星規(guī)模的天基智能計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，建成后總算力將達(dá)到 1000P（每秒百億億次浮點(diǎn)運(yùn)算）。

但從技術(shù)成熟度看，太空 AI 數(shù)據(jù)中心仍處于極早期階段。Google 的論文列出了一長(zhǎng)串待解決的問(wèn)題：?jiǎn)瘟Ｗ有?yīng)對(duì)訓(xùn)練任務(wù)的影響、可靠的被動(dòng)熱管理系統(tǒng)、克服大氣湍流的高帶寬光學(xué)地面通信、在軌可靠性和維修策略。在太空中無(wú)法像地面數(shù)據(jù)中心那樣手動(dòng)更換故障硬件，最簡(jiǎn)單的辦法是冗余配置，這又會(huì)增加成本。

即使發(fā)射成本降到理想水平，商業(yè)可行性仍存疑問(wèn)?！鞍l(fā)射攤銷成本與地面電力成本相當(dāng)”只是第一步，還沒(méi)算衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造、在軌運(yùn)維、通信等費(fèi)用。更重要的是，AI 計(jì)算通常需要頻繁的數(shù)據(jù)輸入輸出，地面到太空的通信延遲和帶寬限制可能使其只適合特定工作負(fù)載。論文提到 Trillium TPU 的錯(cuò)誤率“對(duì)推理可能是可接受的”，但對(duì)訓(xùn)練任務(wù)“需要進(jìn)一步研究”，意味著太空 TPU 集群可能更適合推理而非訓(xùn)練。

項(xiàng)目能否成功，取決于一系列不確定因素：SpaceX 能否兌現(xiàn) Starship 的承諾，AI 計(jì)算需求是否真的會(huì)持續(xù)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，太空環(huán)境中的技術(shù)挑戰(zhàn)能否逐一攻克，以及商業(yè)模式能否找到足夠應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)支撐前期投入。

Google 研究團(tuán)隊(duì)在論文結(jié)尾寫(xiě)道：“實(shí)現(xiàn)這一雄心勃勃愿景的全部范圍，需要持續(xù)的研究、設(shè)計(jì)的迭代完善，以及實(shí)現(xiàn)若干關(guān)鍵的未來(lái)里程碑。”

答案或許要到 2027 年初那兩顆衛(wèi)星升空后才能揭曉一二。

參考資料：

1.https://services.google.com/fh/files/misc/suncatcher_paper.pdf

2.https://research.google/blog/exploring-a-space-based-scalable-ai-infrastructure-system-design/

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍