把人工智能超算中心建在太空，这个看似科幻的想法，已成为未来产业的热门赛道。近日，SpaceX公司向美国联邦通信委员会申请发射最多100万颗卫星，建立轨道数据中心系统，还并购了人工智能初创企业xAI。在中国，中科天算公司已研制出多卡全尺寸GPU架构的天基超算节点原型机，其计算能力相当于一个小型数据中心。
获得上海未来产业基金投资后，中科天算将于今年下半年发射太空超算实验节点。这家中国科学院计算技术研究所孵化的企业，计划2030年完成万卡级太空超算中心在轨部署，为全球提供实时智能空天信息服务，抢占下一代空间信息标准制定权。
“天基计算是未来空间与未来信息领域的关键前沿技术，我们将助力突破算力瓶颈，投资、孵化空天信息产业生态。”上海未来产业基金负责人说。
为何要发展天基计算
中科天算创始人刘垚圻博士介绍，近年来，卫星星座的飞速发展产生了海量数据，也催生了对高性能天基计算的需求。所谓天基计算，是在卫星等天基平台上部署计算资源，处理大规模数据，提供信息服务。
“天算计划”超算节点示意图（来源：中科天算）
太空中辐射干扰大，超算中心的功耗和重量受限，为何要发展天基计算呢？原因有很多。
在卫星遥感领域，遥感影像的地面分辨率已达到0.1米，数据量较过去10米分辨率增长了近10000倍。然而，卫星与地面通信的带宽、星地通信的时间窗口是有限的，海量数据只有不到5%能传输回来。即使传到地面站，也需要几天时间，这对于森林火灾预警、重要目标识别等应急响应任务来说，显然是太慢了。通过天基计算赋能，卫星可直接从海量数据中提取高价值信息，显著降低所需的传输带宽和服务时间。
在卫星通信领域，天基计算也有用武之地。通信卫星用户众多，为确保通信效率，近年来兴起了语义通信等新技术，对天基计算能力提出很高要求。
大模型引发的“能源危机”也是天基计算兴起的重要原因。在美国，由于电力短缺，为数据中心用电犯愁的人工智能企业纷纷投资核聚变能和太空光伏。据英伟达投资的Starcloud公司测算，太空数据中心如果运行在太阳同步轨道，可利用高强度的24小时×7天太阳能，不受昼夜循环、天气和大气衰减影响，接收的太阳辐射能量比地面高40%左右，可实现能源自给自足。
除了能源优势，太空数据中心较地面数据中心还有冷却优势。太空温度可低至零下270℃，使数据中心的热量以辐射方式快速散发。
技术方案经过在轨验证
虽然有诸多优势，但打造太空超算中心仍面临不少技术难题：在轨运行的超算系统会受到远超地面的太空辐射干扰，导致核心计算芯片无法稳定运行；太空设备一旦发生故障，几乎无法进行人工维修，所以系统必须具备极强的自主容错与自愈能力；太空是真空环境，缺乏空气对流，为超高热流密度的芯片设计高效、可靠的热控系统，也是“超算上天”必须跨越的工程鸿沟。
依托中国科学院计算所的技术积累，中科天算在容错计算和热控系统方面开发的技术方案，比国际上已公布的方案更先进。公司在器件、系统架构、操作系统和算法等不同层面建立了跨层协同容错机制，当辐射干扰导致部分计算、存储单元出错时，仍能保障整个计算系统的正确运行。在热控技术方面，针对热流密度极高的高功率GPU等计算单元，科研团队设计了封闭式流体回路散热结构，它能将热量从计算核心快速转移到外部辐射板，破解了太空导热难题。
这些技术方案能否通过太空实战的考验？2024年2月，“东方慧眼”智能遥感星座首发星——东方慧眼高分01星成功发射，中国科学院计算所韩银和团队为这颗卫星研制了“极光1000·慧眼”星载智能计算机，它采用国产芯片，建有系统级容错体系，可提供100 TOPS（每秒万亿次运算）算力。凭借这个大算力、高可靠的天基计算平台，东方慧眼高分01星不必将海量数据传到地面站，而是“天数天算”，具备了在轨实时“感知—判定—决策—行动”能力。
2024年2月，“极光1000·慧眼”智能计算机发射成功。
东方慧眼高分01星还完成了我国首个天基大模型的在轨验证。该模型以智源大语言模型为基座，融合视觉编码模块，在太空中执行了图像解析、语义交互、指令生成等任务。
如今，中科天算已研制出多卡全尺寸GPU架构的天基超算节点原型机。它采用国产高性能GPU，通过可扩展的卡群计算架构，突破了天基计算长期受限于单机性能的瓶颈。今年下半年，这款原型机将发射升空，为实施“天算计划”开展关键技术验证。
上海对新技术有敏感度
根据“天算计划”的时间表，中科天算将在2030年打造一个万卡级太空超算中心。它由10颗以上卫星组成，部署于晨昏太阳同步轨道。这个天基超算平台有能源舱、算力舱、通信舱三大核心模块：由1平方公里太阳能电池组成的能源舱，总装机功率超100兆瓦；由高集成度算力板阵列组成的算力舱，包含超10000张国产高性能计算卡，总算力设计目标为10 EOPS（每秒百亿亿次运算），具备可持续升级、在轨故障冗余替换功能；超100台高功率激光通信器组成的通信舱，总通信能力达10 Tbps（太比特每秒），具备星地双向通信、星间转发与分布式数据广播功能。
在实施“天算计划”过程中，中科天算将与多家上海科研机构和企业合作。刘垚圻告诉记者：“上海的创业环境非常好，太空产业链齐全，在卫星互联网、多光谱遥感器、光通信、芯片等领域有很强实力，与中科天算聚焦的领域形成了互补。”
“天算计划”超算节点示意图（来源：中科天算）
去年11月，中科天算完成数千万元天使轮融资，由上海未来产业基金、格物致知私募基金联合领投。目前，公司正在进行天使+轮融资，也有上海投资机构参与。“一些投资人觉得我们的项目处于早期阶段，离商业化很远，但上海未来产业基金敢于投早投小，体现了对新技术的敏感度。”刘垚圻说。
这种敏感度，也体现在上海高校和政府部门的布局上。去年12月，上海交通大学与国星宇航签约，启动建设国内首个太空计算联合实验室。它围绕天基算力网需求，聚焦太空计算芯片、机器人卫星、在轨增材制造等前沿领域，推动形成具有全球影响力的太空计算产业集群。在市科委指导下，东方天算已入驻上海交大工研院，这家企业是太空计算联合实验室的产业化平台，旨在推动产学研合作和科技成果转化，加速天基算力网的产业化进程。
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