谷歌發(fā)布了一項(xiàng)前瞻性研究計(jì)劃Project Suncatcher（太陽捕手計(jì)劃），旨在探索構(gòu)建一個(gè)基于太空、可高度擴(kuò)展的AI計(jì)算集群，你可以把它理解為"AI版星鏈"

谷歌這次把眼光放在整個(gè)太陽系了，隨著 AI 對(duì)計(jì)算能力和能源需求的爆炸式增長(zhǎng)，地球資源將面臨巨大壓力，而太陽系中最豐富、最強(qiáng)大的能源——太陽能，在太空中可以被更高效地利用

簡(jiǎn)單來說Project Suncatcher項(xiàng)目的設(shè)想是通過部署由太陽能供電、搭載 Google TPU 并由自由空間光通信連接的衛(wèi)星星座，在近地軌道上構(gòu)建一個(gè)“太空數(shù)據(jù)中心”。初步研究表明，盡管存在巨大的工程挑戰(zhàn)，但從基礎(chǔ)物理學(xué)和未來經(jīng)濟(jì)可行性的角度來看，這一構(gòu)想并非遙不可及

馬斯克已經(jīng)給劈柴哥留言了，表示想法很好，劈柴哥說這完全得益于SpaceX在發(fā)射技術(shù)方面的巨大進(jìn)步，看來馬斯克又要坐著數(shù)錢了

谷歌今天已經(jīng)發(fā)表了預(yù)印本論文《 面向未來高度可擴(kuò)展的天基人工智能基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì) 》，揭秘了一些早期研究成果

paper：

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

以下是論文的詳細(xì)解讀

為什么要在太空中進(jìn)行 AI 計(jì)算？

LLM快速發(fā)展正在面臨前所未有的挑戰(zhàn)：對(duì)計(jì)算能力和能源的巨大需求

盡管算法效率在不斷提升，例如，Google Gemini 的單次查詢能耗在一年內(nèi)降低了 33 倍，但 AI 產(chǎn)品和服務(wù)的增長(zhǎng)速度更快，導(dǎo)致全球數(shù)據(jù)中心的能源需求急劇攀升。為了滿足這種增長(zhǎng)，必須尋找更具可擴(kuò)展性和可持續(xù)性的能源解決方案

Project Suncatcher 的出發(fā)點(diǎn)正是基于這一根本性問題，并將目光投向了我們太陽系中最宏偉的能量源：太陽

太陽的巨大潛力：太陽每秒釋放的能量高達(dá) 3.86 × 102? 瓦，是人類總發(fā)電量的 100 萬億倍以上，幾乎取之不盡

太空的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：在太空中利用太陽能，相比于地球表面具有顯著優(yōu)勢(shì)。在特定的軌道上，太陽能電池板幾乎可以 24 小時(shí)不間斷地接收光照，擺脫了晝夜循環(huán)和天氣的影響。這使得其發(fā)電效率比地球上中緯度地區(qū)的太陽能電池板高出最多 8 倍，同時(shí)也大大降低了對(duì)重型儲(chǔ)能電池的依賴

傳統(tǒng)的太空太陽能構(gòu)想通常聚焦于如何將產(chǎn)生的電力傳輸回地球，但這面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。Project Suncatcher 提出了一個(gè)新的思路：與其將能源傳回地球，不如直接將數(shù)據(jù)中心（即計(jì)算任務(wù)）部署到太空。這個(gè)太空數(shù)據(jù)中心將由大量通過自由空間光鏈路高速互聯(lián)的太陽能衛(wèi)星組成。這種方法不僅有望實(shí)現(xiàn)前所未有的計(jì)算規(guī)模，還能最大限度地減少對(duì)地球土地、水等寶貴資源的影響

這個(gè)項(xiàng)目是 Google 繼自動(dòng)駕駛汽車（Waymo）和大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)之后，又一次挑戰(zhàn)科學(xué)和工程極限的“登月計(jì)劃”

Suncatcher 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：構(gòu)建軌道上的 AI 集群

為了實(shí)現(xiàn)這一愿景，Project Suncatcher 提出了一個(gè)由模塊化、小型化衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)放棄了建造單一、巨大的“巨石型”空間數(shù)據(jù)中心的想法，因?yàn)楹笳咝枰獜?fù)雜的在軌組裝，且在避障和結(jié)構(gòu)上都面臨更大困難。模塊化設(shè)計(jì)則為逐步擴(kuò)展和迭代提供了極大的靈活性

系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)要素包括：

軌道選擇：計(jì)劃將衛(wèi)星星座部署在晨昏-太陽同步近地軌道（dawn–dusk sun-synchronous low earth orbit, LEO）。這個(gè)軌道的特點(diǎn)是衛(wèi)星始終飛行在地球的晨昏線上方，這意味著它們幾乎可以持續(xù)不斷地被太陽照射。這不僅最大化了太陽能的收集效率，也進(jìn)一步減少了對(duì)電池的需求，從而降低了衛(wèi)星的質(zhì)量和發(fā)射成本。同時(shí)，近地軌道也能有效降低與地面站通信的延遲

計(jì)算核心：每顆衛(wèi)星都將攜帶 Google 的 TPU 加速器芯片。具體來說，初步測(cè)試使用的是 Trillium，即 Google 的 v6e Cloud TPU。這些芯片將負(fù)責(zé)執(zhí)行大規(guī)模的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）工作負(fù)載

高速互聯(lián)：為了讓分散在多顆衛(wèi)星上的 TPU 協(xié)同工作，如同在地面數(shù)據(jù)中心一樣，必須建立超高帶寬、超低延遲的連接。這通過自由空間光通信（FSO）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。為了達(dá)到所需的通信性能，衛(wèi)星之間將以非常近的距離（數(shù)百米到數(shù)公里）進(jìn)行編隊(duì)飛行

編隊(duì)控制：維持如此緊密的衛(wèi)星編隊(duì)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)將采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的飛行控制模型，精確控制每顆衛(wèi)星的軌道，確保它們?cè)诒３志o密距離的同時(shí)能夠避免碰撞

熱量管理：在真空中，高功率的 TPU 芯片產(chǎn)生的熱量無法通過對(duì)流散發(fā)，必須通過熱管和散熱器以熱輻射的形式排向太空。高效的熱管理系統(tǒng)對(duì)于保證芯片在標(biāo)稱溫度下穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要

這一系列設(shè)計(jì)旨在最大化每公斤發(fā)射質(zhì)量所能提供的計(jì)算能力，從而在經(jīng)濟(jì)上更具可行性。該研究計(jì)劃的首要任務(wù)，就是逐一攻克實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)所面臨的四大核心技術(shù)挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)一：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心級(jí)的星間光通信

大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，特別是模型訓(xùn)練，要求計(jì)算集群中的各個(gè)加速器之間能夠進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的快速交換。地面上的 Google TPU 超級(jí)計(jì)算機(jī)通過定制的、每秒數(shù)G的光學(xué)芯片間互連來滿足這一需求。然而，目前商業(yè)化的星間光鏈路的數(shù)據(jù)速率通常在 1 到 100 G之間，遠(yuǎn)不能滿足要求。Project Suncatcher 的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)十TB的星間鏈路帶寬，這是一個(gè)數(shù)量級(jí)的飛躍

解決方案：短距離 + 多通道

谷歌研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，可以采用類似于地面數(shù)據(jù)中心中成熟的商用密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM）收發(fā)器技術(shù)。但這種技術(shù)有一個(gè)關(guān)鍵瓶頸：它需要非常高的接收光功率，通常在數(shù)百微瓦的量級(jí)，而傳統(tǒng)長(zhǎng)距離星間通信的接收功率僅為 1 微瓦左右

物理學(xué)原理提供了解決方案：在自由空間中，接收到的光功率與通信距離的平方成反比（P ∝ 1/d2）。這意味著，只要將衛(wèi)星之間的距離急劇縮短，就可以顯著提高接收功率，從而滿足 DWDM 收發(fā)器的工作條件，即“閉合鏈路預(yù)算”。通過將衛(wèi)星編隊(duì)距離縮短至幾公里甚至更近，就能克服這一功率挑戰(zhàn)

進(jìn)一步擴(kuò)展：空間復(fù)用（Spatial Multiplexing）

當(dāng)通信距離變得非常短時(shí)（例如，對(duì)于一個(gè) 10 厘米的望遠(yuǎn)鏡，距離在 10 公里以內(nèi)），光束的發(fā)散角很小，光斑尺寸也相應(yīng)變小。這為空間復(fù)用帶來了新的機(jī)遇

研究團(tuán)隊(duì)可以在一個(gè)總孔徑內(nèi)集成多個(gè)獨(dú)立的光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)陣列。例如，在一個(gè) 10 厘米的總孔徑中，可以集成一個(gè) 2x2 的 5 厘米光學(xué)系統(tǒng)陣列（適用于 2.5 公里距離），或一個(gè) 4x4 的 2.5 厘米光學(xué)系統(tǒng)陣列（適用于 0.63 公里距離）。每個(gè)子系統(tǒng)都承載一個(gè)獨(dú)立的 DWDM 數(shù)據(jù)流，從而使總帶寬成倍增加。這種擴(kuò)展方式類似于 Google 在地面上使用的 Palomar 光學(xué)電路交換機(jī)

初步驗(yàn)證

為了驗(yàn)證這一概念，谷歌團(tuán)隊(duì)已經(jīng)搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用現(xiàn)成的商用組件，在一小段自由空間路徑上成功實(shí)現(xiàn)了單向 800G，雙向總計(jì) 1.6 Tb的傳輸速率，有力地證明了該技術(shù)路線的潛力

挑戰(zhàn)二：駕馭大規(guī)模緊密衛(wèi)星編隊(duì)的軌道動(dòng)力學(xué)

為了實(shí)現(xiàn)超高帶寬的星間通信，Suncatcher 的衛(wèi)星星座需要以前所未有的緊密隊(duì)形飛行。谷歌研究團(tuán)隊(duì)通過數(shù)值和解析物理模型，深入分析了這種星座的軌道動(dòng)力學(xué)特性。

建模與仿真

團(tuán)隊(duì)以一個(gè)由 81 顆衛(wèi)星組成的平面星座作為示例進(jìn)行分析。該星座的平均軌道高度為 650 公里，整個(gè)集群的半徑 R 為 1 公里。在這種配置下，相鄰衛(wèi)星之間的距離會(huì)在 100 米到 200 米之間周期性地振蕩

建模的起點(diǎn)是經(jīng)典的 Hill-Clohessy-Wiltshire (HCW) 方程，它描述了在理想開普勒軌道下，一顆衛(wèi)星相對(duì)于另一顆衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。隨后，團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)基于 JAX（一種可微分編程框架）的模型進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，該模型能夠計(jì)入更復(fù)雜的擾動(dòng)因素

在 650 公里的軌道高度，影響衛(wèi)星軌道最主要的非開普勒效應(yīng)是地球引力場(chǎng)的非球形性（特別是由于地球扁率引起的 J2 項(xiàng)擾動(dòng)）以及潛在的大氣阻力

“自由落體”星座的動(dòng)態(tài)演化

仿真結(jié)果顯示，這個(gè)星座并非一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，而是在引力作用下持續(xù)演化的“自由落體”集群。在沒有推力干預(yù)的情況下，整個(gè)星座的形狀會(huì)在一個(gè)軌道周期內(nèi)完成兩次完整的變形循環(huán)，其邊界始終被一個(gè)旋轉(zhuǎn)的橢球所包裹

有趣的是，這種動(dòng)態(tài)演化在很大程度上是穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)的。即使考慮了地球扁率（J2 項(xiàng)）的影響，這種可預(yù)測(cè)的漂移也可以通過對(duì)星座初始形狀進(jìn)行微小的調(diào)整來補(bǔ)償。例如，將橢球的軸長(zhǎng)比微調(diào)至 2:1.0037，就可以將 J2 項(xiàng)引起的漂移降低到每年每公里僅 3 米/秒的水平

結(jié)論：低成本的軌道維持

這些模型分析表明，維持這樣一個(gè)緊密編隊(duì)可能只需要適度的軌道維持機(jī)動(dòng)，其燃料消耗可能不會(huì)顯著超過維持單顆衛(wèi)星精確軌道所需。這意味著，控制這樣一個(gè)龐大而緊密的星座在技術(shù)上是可行的，且運(yùn)營(yíng)成本可控

挑戰(zhàn)三：商用 TPU 在太空輻射環(huán)境下的生存能力

將為地面數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的尖端商用芯片直接用于太空，最大的疑問在于它們能否承受太空中的輻射環(huán)境。Project Suncatcher 團(tuán)隊(duì)對(duì) Google 的 Trillium v6e Cloud TPU進(jìn)行了首次公開的輻射測(cè)試

測(cè)試環(huán)境：

團(tuán)隊(duì)使用67MeV（兆電子伏）的質(zhì)子束來模擬太陽同步近地軌道上的輻射環(huán)境。在這個(gè)軌道上，主要的輻射源是穿透性強(qiáng)的質(zhì)子和銀河宇宙射線

測(cè)試模擬了帶有 10 毫米鋁等效屏蔽下的情況，預(yù)計(jì) 5 年任務(wù)期內(nèi)的總輻射劑量約為 750 rad(Si)。

輻射效應(yīng)與測(cè)試結(jié)果：

1.總電離劑量（Total Ionizing Dose, TID）：這是輻射粒子在芯片絕緣層中累積電荷造成的長(zhǎng)期退化效應(yīng)

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，TPU 中最敏感的部件是HBM子系統(tǒng)

HBM 在累積劑量達(dá)到 2 krad(Si)時(shí)才開始出現(xiàn)異常，這幾乎是 5 年任務(wù)預(yù)期劑量的 3 倍

在高達(dá) 15 krad(Si) 的測(cè)試劑量下，芯片沒有出現(xiàn)因 TID 導(dǎo)致的永久性硬故障。結(jié)論是，Trillium TPU 對(duì)于太空應(yīng)用而言具有“驚人的輻射耐受性”。

2.單粒子效應(yīng)：這是單個(gè)高能粒子撞擊芯片，瞬間引起的邏輯錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)

HBM 同樣是 SEE 最敏感的部分，主要表現(xiàn)為不可糾正的 ECC（錯(cuò)誤糾正碼）錯(cuò)誤（UECCs）

對(duì)于典型的推理任務(wù)，觀測(cè)到的 HBM UECC 發(fā)生率約為每 50 rad 一次，換算下來，錯(cuò)誤概率極低，大約為每一千萬次推理發(fā)生一次。這個(gè)錯(cuò)誤率對(duì)于推理應(yīng)用是完全可以接受的

然而，SEE 對(duì)模型訓(xùn)練任務(wù)的影響，以及系統(tǒng)級(jí)緩解措施的有效性，還需要進(jìn)一步研究

測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，宿主系統(tǒng)的 CPU 和 RAM 分別在每 450 rad(Si) 和 400 rad(Si) 時(shí)會(huì)發(fā)生一次由 SEE 引起的系統(tǒng)崩潰

這些積極的測(cè)試結(jié)果表明，使用商用現(xiàn)成品（Commercial-Off-The-Shelf, COTS）的 ML 加速器在太空中是可行的，這為項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性奠定了重要基礎(chǔ)。

挑戰(zhàn)四：太空 AI 的經(jīng)濟(jì)可行性與發(fā)射成本分析

歷史上，高昂的發(fā)射成本是所有大規(guī)模太空項(xiàng)目的最大障礙。Project Suncatcher 的可行性在很大程度上取決于未來發(fā)射成本能否顯著降低。

關(guān)鍵成本目標(biāo)：

研究團(tuán)隊(duì)將太空數(shù)據(jù)中心的“發(fā)射功率價(jià)格”，即每發(fā)射一單位功率（kW）到軌道并分?jǐn)偟侥辏?/kW/y）的成本，與地面數(shù)據(jù)中心的年均電力成本進(jìn)行比較

目前美國(guó)地面數(shù)據(jù)中心的年電力成本大約在570 至 3,000 美元/kW/y之間

發(fā)射成本的下降趨勢(shì)：

分析 SpaceX 從獵鷹 1 號(hào)到重型獵鷹的歷史發(fā)射價(jià)格和載荷數(shù)據(jù)，揭示了一個(gè)大約 20% 的學(xué)習(xí)率，即累計(jì)發(fā)射質(zhì)量每翻一番，每公斤發(fā)射價(jià)格就下降約 20%。

如果這一學(xué)習(xí)率得以維持（這將需要每年約 180 次 Starship 級(jí)別的發(fā)射），那么到2030 年代中期，將有效載荷送入近地軌道的成本有望降至每公斤 200 美元以下

另一種基于 Starship 公開規(guī)格和復(fù)用目標(biāo)的分析甚至更為樂觀，預(yù)測(cè)成本可能低至每公斤 60 美元（10 次復(fù)用）甚至 15 美元（100 次復(fù)用）

成本對(duì)比結(jié)論：

以 Starlink v2 mini 衛(wèi)星為例，如果發(fā)射成本降至 200 美元/公斤，其“發(fā)射功率價(jià)格”將約為 810 美元/kW/y

這個(gè)數(shù)字已經(jīng)進(jìn)入了地面數(shù)據(jù)中心電力成本的范圍，表明從經(jīng)濟(jì)角度看，太空數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本（以發(fā)射成本為主要代表）可以與地面相當(dāng)。即使發(fā)射成本的下降速度不及預(yù)期，例如降至 300 美元/公斤，相應(yīng)的發(fā)射功率價(jià)格約為 1,200 美元/kW/y，仍然在可比范圍內(nèi)

因此，隨著可重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)的成熟和規(guī)?；?，發(fā)射成本將不再是不可逾越的障礙

未來的方向與下一步計(jì)劃

Project Suncatcher 的初步分析結(jié)果還不錯(cuò)，證明了太空 AI 計(jì)算的核心概念并未被基礎(chǔ)物理學(xué)或無法克服的經(jīng)濟(jì)障礙所否定。然而，要將這一愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，仍有大量的工程挑戰(zhàn)需要解決，例如高效的真空熱管理、高帶寬的星地通信、以及在軌系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性與維護(hù)等。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)規(guī)劃了清晰的下一步：

學(xué)習(xí)與驗(yàn)證任務(wù)：團(tuán)隊(duì)已與Planet公司合作，計(jì)劃在2027 年初發(fā)射兩顆原型衛(wèi)星。這次在軌實(shí)驗(yàn)將是關(guān)鍵的里程碑，旨在：

在真實(shí)的太空環(huán)境中測(cè)試和驗(yàn)證軌道動(dòng)力學(xué)模型。

檢驗(yàn) TPU 硬件在太空中的實(shí)際運(yùn)行表現(xiàn)。

驗(yàn)證使用星間光鏈路執(zhí)行分布式機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)的可行性

未來的集成化設(shè)計(jì)：

未來，當(dāng)星座規(guī)模達(dá)到吉瓦級(jí)別時(shí)，可能需要采用更激進(jìn)的衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念

團(tuán)隊(duì)借鑒了智能手機(jī)行業(yè)從分立元件走向高度集成的片上系統(tǒng)的發(fā)展路徑，設(shè)想未來的計(jì)算衛(wèi)星也可能采用一種高度一體化的設(shè)計(jì)，將太陽能收集、計(jì)算單元和熱管理系統(tǒng)緊密地結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和效率的最優(yōu)化