太空计算中心：优势与挑战

2024年4月24日召开的中国航天大会,将“太空计算中心构建及运行技术”列为《2024年宇航领域科学问题和技术难题》之一。大会对该技术赋予了优化国家算力基建布局、支撑太空科技产业发展的重大现实意义。当前,随着各类航天器更加频繁地往来太空,载人航天、月球探索、深空探测、多卫星联合通信等任务的形态愈发复杂,对航天器的计算能力、通信延时提出了更高的要求。太空计算中心凭借其得天独厚的优势,有潜力突破航天器算力不足的困局。

太空计算中心,也称太空数据中心,是一种部署在地外空间的超高性能综合计算平台,可以提供数据计算、AI计算、数据存储、通信链路搭建等服务。这些任务通常具有高算力、高能耗、高稳定性、大空间的需求,若由执行任务的航天器自行承担,会严重降低其载荷利用率。解决方法是将复杂任务的计算端和执行端分开,由太空计算中心负责数据计算、由具体航天器负责任务执行,即搭建“天数天算”的航天器组网体系。显而易见的优势有:第一,太空计算中心可以将复杂计算留在太空中完成,避免了空-地通信的时间浪费和潜在的数据丢失,极大地保证了计算的效率与品质;第二,太空计算中心可以对接多个任务航天器,设备可以轮替使用,提高利用率的同时降低了体系整体成本,同时对太空计算中心的升级就是对所有任务航天器的升级,从而延长了整个组网体系的运行寿命;第三,太空计算中心可以在固定的轨道运行,相较各式任务航天器(探月、探火等)拥有稳定的轨道环境,从而提高了计算任务、传输链路的可靠性。

除此之外,太空数据中心也可以完成对地计算任务,即搭建“地数天算”的立体数据分析体系。相较于传统的陆上、海底超算平台,太空数据中心有以下优势:首先是能源与环保优势,太空环境中有着未被大气层干扰的太阳能资源,可以通过轨道设计达到无间断、无穷尽的清洁能源供给,与依赖化石燃料的传统数据中心相比,太空计算中心有着更高的能源效率和更低的运营成本;其次是连接性优势,太空计算中心部署在环地轨道上,与地面的通信不受地理位置的影响,消除了地面有线连接的延时,确保了数据传输的可靠性与快速响应;最后是工作环境优势,太空环境温度极低,有利于排出计算设备运行时产生的大量热量,且太空中没有天气变化、湿度变化、灰尘等,也给计算设备提供了稳定的工作环境。

另一方面,太空计算中心也在技术、维护和法律法规临着三个维度的挑战。技术上需解决太空辐射环境的影响,太空中存在的宇宙射线、太阳辐射等可能会对电子元器件造成不可逆的损害,且这些射线通常难以预测,因此抗辐射设计、防护屏蔽技术的运用极为重要;维护方面,太空计算中心面临着建设和维护成本高的问题,尽管近些年随着商业航天、可回收火箭的发展,近地轨道发射成本有所下降,但考虑到太空计算中心的庞大规模、长时间的运行寿命,发射成本仍然需要充分考虑;法律法规层面,由于太空是全球人类共享的公共空间,太空计算中心需要满足以联合国相关法律为代表的国际法,而当前的法律体系尚在建设之中,存在潜在的法律法规、政策导向风险。

综合考虑以上种种优势与挑战,各国工程师总体上还是对太空计算中心持乐观态度,目前已有多家国内外公司推出了各自的发展规划或概念产品,主要集中在卫星间组网通信、太空旅行、太空运输、加密货币应用、高容量网络交换中心等具体领域。特别是我国宇航协会已将太空计算中心构建及运行技术列入《2024年宇航领域科学问题和技术难题》,号召全国各航天企业、科研院所与高校机构加大对该领域的关注力度与资金人力投入。相信在不远的将来,太空计算中心将成为环绕在地球轨道上的“外置大脑”,为全世界的通信、航天、宇航事业注入新的澎湃动力。(航天三院三部 岳泽华)