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太耗電！乾脆把AI送上太空？軌道資料中心可行嗎？ — Transcript

by 曲博科技教室 Dr. J Class · 839 words · 806 segments · language zh-TW · Watch on YouTube

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0:00外太空的軌道資料中心
0:01從電力系統、散熱管理
0:03火箭發射、軌道選擇
0:05以及設備維護
0:07這五個面向去觀察
0:08確實有它的可行性
0:10但是在成本計算的時候
0:12這個白皮書卻忽略了
0:15各位曲博科技教室的觀眾朋友大家好
0:17我是曲博
0:17大家都知道這幾年人工智慧的發展
0:20讓資料中心的建置變成非常重要的問題
0:23但是在地面上因為土地短缺能源不足
0:27資料中心的建置遇到很多困難
0:30開始有科學家提出
0:31可以將資料中心放在外太空的低地球軌道上
0:36利用取之不盡用之不竭的太陽能來進行供電
0:40這個想法聽起來好像可行
0:42但是感覺起來成本又很高
0:45似乎又不可行
0:46那到底實際的情況如何呢
0:48最近總算有太空軌道資料中心的新創公司
0:52提出了白皮書
0:53說明太空資料中心
0:55其實比地面的資料中心具有更多的優勢
0:59到底是為什麼呢
1:00今天我們就來和大家談談這個題目
1:02所以我們今天的題目是
1:03資料中心的未來在太空
1:05為什麼我們應該在太空訓練人工智慧
1:08首先我們和大家談談
1:09人工智慧的領袖們都說了些什麼
1:12以及為什麼要在太空建置資料中心
1:15再來我們談談太空資料中心如何降低營運支出
1:19以及軌道資料中心的電力系統
1:22散熱管理
1:22火箭發射
1:23軌道選擇和裝置維護
1:25到底在外太空建立資料中心
1:28有哪些困難需要解決
1:30我們今天的資料來源是
1:32StarCloud的公司網站
1:33以及三位科學家發表在StarCloud的文章
1:37題目是
1:38為何我們應該在太空訓練人工智慧
1:41首先這個文章就談到
1:43人工智慧的領袖們都說了些什麼
1:45為了跟上人工智慧的發展進度
1:48全球將需要部署大量的新型資料中心
1:51以及數十億瓦的新電力基礎設施
1:55來供應能源的需求
1:57在此同時
1:58隨著工業交通
1:59還有供暖
2:00這些領域持續的電氣化
2:02電力公共事業
2:04正在面臨一波龐大的用電需求
2:07未來幾年全球電力需求
2:09可能會增加到目前的三倍
2:11然而西方國家的電力公用事業
2:14受到規劃和審批的限制
2:16沒有辦法達到所需要的速度和規模
2:20來完成基礎建設
2:22因此
2:22未來幾年缺電變成必然發生的結果
2:26而如果沒有辦法迅速調整
2:28接下來能源供應緊縮
2:30就會限制人工智慧的發展
2:322024年
2:33多位產業和科技領域的重要人士
2:36都已經開始提出相關的警示
2:39例如
2:39OpenAI的執行長
2:41Sam Altman說
2:42我們仍然沒有充分理解
2:44這個技術所需要的能源
2:46如果沒有突破的話
2:48就不可能達成目標
2:49因此
2:50我們需要核融核
2:51或者需要成本大幅降低的太陽能
2:54加上除能的裝置
2:56或是其他類似的方案
2:58來解決電力短缺的問題
3:00以及Starlink的Elon Musk
3:02他說
3:03我們目前已經面臨細的短缺
3:06大約一年之後
3:07可能會出現電源機體電路的短缺
3:10再過大約兩年
3:11就可能會面臨普遍電力短缺的現象
3:14而臉書的創辦人Mark Zuckerberg
3:17則說
3:18如果我們能夠取得足夠的能源
3:20我們就會建造比目前規模更大的運算重極
3:23此外
3:24Tong Mueller
3:25SpaceX的第一位員工也說
3:27到了2045年
3:28運算所需要的電力可能相當於目前整個地球的基礎電力供應
3:33資源消耗如此的龐大
3:35因此必須把這些運算部署在太空
3:38利用太陽能
3:39這是利用太空協助拯救地球的一個很好的方法
3:43而泰雷茨阿萊尼亞航太公司的技術長也說
3:47歐盟職委會研究的結果證實
3:49將資料中心部署在太空
3:52能夠為資料託管和處理提供更具環境永續性的解決方案
3:57而且除了能源的因素之外
3:59地面製藥中心在擴充套件到10億瓦等級規模的時候
4:04還會面臨非常多其他的限制
4:07讓這個做法難以用具備經濟和永續性的方式持續擴張
4:12目前大型超大規模製藥中心的功率需求
4:16可以達到100百萬瓦
4:19而且部分規劃中的設施甚至會接近10億瓦
4:23因此如果全球希望維持目前的擴充套件速度
4:27來持續建造更大型的運算重集
4:30並且推動通用人工智慧的發展
4:33就必須採取新的方法
4:35將10億瓦級的資料中心從地球表面轉移到外太空
4:40是管理這個轉型的一種創新方式
4:44儘管這種航態基礎設施將會面臨相當大的挑戰
4:49但是Stark Cloud從基本原理出發
4:51進行設計分析之後
4:53發現目前並沒有任何無法克服的障礙
4:57換句話說呢
4:58Stark Cloud公司認為
5:00把資料中心放在外太空的可行性其實是很高的
5:04而且隨著新一代可重複使用
5:07具有成本效益的重型運載火箭即將投入服務
5:11再加上軌道網路基礎設施日漸普及
5:15這個機會正處於理想的發展時機
5:18Stark Cloud就是這個領域的先行者
5:21也是首批用這種規模推動軌道資料中心的企業之一
5:26所以接下來呢
5:27這個文章就會談到
5:28Stark Cloud的高層次願景到底有哪些
5:32這圖是全球資料中心電力需求的趨勢和預測
5:37從這邊各位可以看出
5:39人工智慧的資料中心所需要的電力會逐年爆發的成長
5:44從2020年大概300億瓦增加到2030年大約2000億瓦
5:52顯然這個增加的規模非常的巨大
5:54接下來這個文章就談到
5:56為什麼要在太空建置資料中心
5:59與地面資料中心相比
6:01軌道資料中心具有多項根本性的優勢
6:04尤其是在擴充套件到10億瓦等級規模的時候
6:08首先透過使用低成本的太陽能
6:11可以大幅降低營運成本
6:14而且不受地面太陽能電廠的限制
6:16其次
6:17軌道資料中心可以利用太空中的被動式輻射冷卻
6:21來直接取得低溫冷卻的條件
6:24這樣就可以降低冷卻的成本
6:27更重要的是軌道資料中心幾乎可以無限擴充套件
6:30不受地面空間土地使用
6:33以及許可程式
6:35這一些物理和法規的限制
6:37並且可以透過模組化設計來快速部署
6:41這些因素整體而言將會為環境帶來正面的效益
6:46因此歐盟職委會近期的一項研究指出
6:49軌道資料中心可以大幅降低由電網供電所產生的溫室效應
6:55以及溫室氣體排放
6:56並且消除冷卻過程中對於淡水的使用
7:00接下來呢
7:01我們就會逐項來說明太空資料中心的優勢
7:05同時評估在太空部署和營運相關的基礎設施
7:09所面臨的挑戰
7:10還有額外的成本
7:12那麼太空資料中心要如何降低營運支出呢
7:15太空的資料中心可以利用高強度全天候的太陽能
7:20不受晝夜迴圈
7:21天候以及大氣衰減這些因素影響
7:25使得它能夠取得遠高於地面設施的能源利用效率
7:29進而大幅降低邊際能源成本
7:32還有整體營運支出
7:34因為呢發電設施通常透過風值輸出功率
7:39以及容量因素來比較發電的效能
7:43美國在地面的太陽能電廠
7:45具有的容量因素中位數大約是24%
7:49而在北歐這些溫帶的地區
7:52太陽能專案的容量因素通常低於10%
7:56大多數地面的太陽能電廠發電的潛力
7:59都會受到太陽位置不理想
8:01以及大氣和天候造成的能量損失影響
8:06如果只考慮晝夜迴圈的因素
8:09也就是白天和晚上
8:10太陽能只能在白天發電
8:13那麼地面太陽能的容量因素
8:15就不可能超過50%
8:17因為通常我們有一半的白天
8:20和一半的黑夜
8:21所謂的容量因素
8:22又稱為容量因子或者裝置利用率
8:25它是指發電裝置
8:27在特定的時間內實際發電量
8:31除以這個時間內最大額定容量
8:34持續運轉的理論最大發電量的比值
8:38換句話說
8:39容量因素會等於實際的發電量
8:42除以理論上的最大發電量
8:44包含額定容量乘以運轉時間
8:47這個數值的範圍是介於0到1
8:50也就是0%到100%之間
8:52代表的意義是用來衡量發電裝置的實際執行效率和穩定性
8:58容量因素越高代表機主長時間處於滿載或者高負載運轉的狀態
9:05也就是可以產生更多的能量
9:08而我們剛剛介紹過美國在地面的太陽能容量因素只有24%
9:13代表整體的發電容量100%
9:16卻只產生24%的電能
9:19那還是因為美國大部分的緯度比較低
9:23像北歐這些溫帶地區因為緯度比較高
9:27太陽能照射的效率更低
9:29因此容量因素通常低於10%
9:33而各型別發電廠的容量因素差異是由於不同的發電方式
9:38因此容量因素會有很大的不同
9:41平均的參考值如下
9:43例如核能的容量因素大約90%
9:47通常是24小時滿載執行
9:50只有維修停機的時候降低
9:52而燃煤的容量因素大約75%
9:56燃氣也就是天然氣的容量因素大約60%
10:00風力發電包括陸地的風力發電
10:03和離岸的風力發電平均值容量因素大約27%
10:08而且會受到天候和風速季節的影響
10:12而太陽能在地面的容量因素大約14%
10:16而且夜間無法發電
10:18會受到日照和地理位置的影響
10:21相較之下在外太空的軌道上
10:23使用太空太陽能陣列
10:26也就是把太陽能電池陣列
10:28放在外太空的軌道上
10:30它的容量因素可以超過95%
10:33由於不存在晝夜迴圈
10:35可以讓太陽能板維持最佳的朝向
10:39和太陽光線保持垂直
10:41同時也不會受到季節和天候的影響
10:44換句話說
10:45可以讓太陽能板永遠對著太陽
10:48永遠是白天沒有黑夜
10:50太空中的風值發電量會比地面的太陽能電廠高出40%
10:55原因在於即使是在晴朗的天候下
10:58大氣還是會對太陽輻射產生衰減和散射
11:02所以在地面的太陽能電廠
11:05所具有的風值發電量
11:07還是比外太空低很多
11:09因此在相同面積下
11:11位於太空中的太陽能陣列
11:13所產生的能源
11:15將會超過地面陣列的5倍
11:17這個就意味著
11:18在太空中生產極低成本的太陽能是可行的
11:22假設每次500萬美元的發射成本
11:26可以部署一座40百萬瓦的資料中心
11:29並且假設太陽能電池材料的成本是每瓦0.03美元
11:34而且所有成本都用10年為期來進行攤提
11:39那麼STACLOUD預估可以提供只有每千瓦時0.002美元等效的能源成本
11:46作為比較
11:47美國、英國跟日本目前平均批發電價
11:50通常分別是每千瓦時0.045美元、0.06美元和0.17美元
11:58這些數字都遠高於外太空的太陽能發電成本
12:02因此軌道資料中心所取得的能源成本
12:06理論上可以低到目前在地面上的太陽能源價格的22分之一
12:12意思是在外太空使用太陽能的價格比地面上的太陽能低很多
12:18而軌道資料中心的概念和太空太陽能發電站具有一定的相似性
12:24而且啊
12:25軌道資料中心不需要面對太空太陽能最具挑戰性的問題
12:30也就是將所產生的電力傳輸回地球表面
12:34這個意思是
12:35我們剛剛提到的太空太陽能陣列
12:37實際上是把太陽能電池放在外太空
12:41將太陽光轉換成電能再傳送到地面上
12:45如何傳送就是一個大問題
12:48目前比較可行的方法是在外太空將太陽能轉換成電能之後
12:54再轉換成光能以雷射光的形式傳送到地面
12:59再將光能轉換成電能來使用
13:01但是這種太空太陽能陣列產生電力的效率極低
13:06這樣轉來轉去其實效率很低
13:09為了實現這個效能
13:10必須在資料中心的整個使用壽命期間
13:14妥善地處理
13:15並且平衡太陽能電池受到的遊離輻射
13:18指外線以及熱係數影響的問題
13:21其中溫度升高會導致太陽能電池效率下降
13:26而這些因素都可能會降低電池的輸出功率
13:30然而透過適當地選擇太陽能電池
13:33並且最佳化陣列的設計
13:35目前已經證實
13:36在外太空的太陽能電池
13:39可以達到每年只有0.15%的衰減率
13:43我們知道太陽能電池造射太陽光之後
13:46它的發電量每年都會衰減
13:49這個現象當然在外太空會比地面上更嚴重
13:53但是STAR CLOUD的意思是目前的技術呢
13:57已經可以做到在外太空的太陽能電池
14:01每年只有0.15%的衰減率
14:04但是如果把太空太陽能發電站
14:07和太空資料中心建置在一起
14:10就意味著我們可以在外太空將太陽能轉換成電能
14:16就直接提供給資料中心用掉
14:19這個圖是太空和地球表面的太陽輻射照度比較
14:24橫軸是太陽光的發光波長
14:27縱軸是太陽光的輻射照度
14:29從這個圖可以看出太陽光大部分都是在波長500到1000這個範圍
14:36因此大部分是可見光
14:39在海平面上的照度是藍色的曲線
14:42在外太空的照度是綠色的曲線
14:45顯然在外太空太陽的照度會遠高於在海平面上
14:51也就是地球表面
14:52這個圖可以看出大氣對太陽光線造成的衰減
14:57在外太空的軌道資料中心
14:59可以取得比地面高出40%的太陽輻射照度
15:04也就是綠色的這一個曲線下方的面積
15:08會比藍色曲線下方的面積多出40%
15:12此外在外太空的深空環境溫度極低
15:15如果以有效環境溫度來說
15:18大概只有-270度C接近絕對零度
15:21相當於宇宙微波背景輻射的溫度
15:25而位於外太空的高軌道受到遮蔽
15:28不直接接收太陽光以及地球反射光的物體
15:33自然就可以趨近這個溫度
15:35也就是-270度C
15:37如果要將外太空的深空作為散熱端來排放廢熱
15:43也就是要把製藥中心的伺服器產生的廢熱排放出去
15:48則需要部署可以展開的散熱器
15:51我們知道物質散熱的效果是固體大於液體大於氣體
15:56但是在外太空沒有辦法用固體液體氣體的方式散熱
16:01只能用輻射的方式散熱
16:03因此需要部署可以展開大面積的散熱器
16:07一塊維持在20度C尺寸為1公尺乘1公尺的黑色輻射板
16:13向深空雙面散熱的時候
16:16每秒鐘可以輻射大約838瓦的熱能
16:20這個大約是太陽能板每平方公尺所產生電力的三倍
16:25因此必須看散熱器的具體配置方式來決定
16:29太空資料中心需要散熱器的面積
16:32可以小於太陽能陣列面板的一半
16:36在太空環境中可以採用比地面資料中心更簡單
16:41而且更高效的冷卻架構
16:43不必依賴高耗能的水冷基礎來達到低溫環境
16:47因此STAR CLOUD預估在外太空的資料中心
16:51它的電力使用效率PUE
16:54可以達到和目前最先進的超大規模地面資料中心相當的水準
17:00所謂的電力使用效率PUE
17:02是在計算資料中心節能省電的標準
17:05計算的方式是資料中心的總用電量
17:09與供應資訊科技裝置的用電量之間的比值
17:14例如電力使用效率PUE等於1.4
17:17代表總用電量是1.4
17:19但是隻有1是用在伺服器上
17:220.4是浪費在其他裝置
17:24例如散熱或者冷氣或者電燈照明
17:28傳統資料中心使用氣能PUE大約1.5到1.6
17:33單向易能大約1.1到1.2
17:36電力使用效率PUE值越接近1
17:39代表電力使用的效率越加
17:42因為幾乎全部的電力都是應用在伺服器
17:46來計算人工智慧的資料
17:48也就是大部分的電都是拿來做運算
17:51此外呢
17:52位於特定的外太空軌道的資料中心
17:56它的環境溫度幾乎不會發生變化
17:59太陽輻射照度變化只有0.2%
18:02非常的小
18:03並且處於高度穩定的熱力和基建環境中
18:07有助於實現更有效率的熱管理和系統穩定性
18:11相較之下地面的資料中心冷卻系統必須依照最炎熱的天氣條件來設計
18:18環境溫度有時候甚至會超過45度C
18:21因此相較於平均執行的條件
18:24系統必須進行大幅的過度配置
18:27也就是要預留一些多餘的散熱條件
18:31正是在外太空的環境就不需要進行這一類的過度配置
18:35這個表示單一40百萬瓦的運算重極執行10年
18:40在太空或者地面的成本比較
18:43如果以10年來計算
18:45在地面使用太陽能
18:47每千瓦小時需要0.04美元
18:5110年總共需要1億4000萬美元
18:54而在太空中使用太陽能陣列只需要200萬美元
18:59發射成本
19:00如果在地面的資料中心沒有發射成本
19:03而太空資料中心單次發射
19:05包含運算模組太陽能板和輻射散熱板
19:09需要大約500萬美元
19:11冷卻系統
19:12在地面上的資料中心大約需要700萬美元
19:15而在外太空的資料中心
19:17因為太空的溫度接近絕對零度
19:21因此和伺服器的溫度差很大
19:24散熱的過程中不需要額外的成本
19:27水的使用量
19:28在地面的資料中心
19:30每千瓦小時需要0.5升的水
19:33因此總共需要170萬噸水
19:36但是在外太空的資料中心不需要水
19:39而伺服器的機殼
19:41包括衛星和地面資料中心
19:44在地面和外太空的成本差不多
19:47備用的電源供應器
19:49在地面的資料中心
19:51使用商用的裝置
19:53大約需要2000萬美元
19:55在外太空的資料中心
19:56因為使用太陽能
19:58因此不需要備用的電源供應器
20:01其他資料中心的硬體成本
20:03在地面和外太空差不多
20:05輻射的防護
20:07在地面的資料中心不需要
20:09但是在外太空
20:10因為有大量的高能輻射
20:12必須使用特殊的輻射防護技術
20:15運算用的伺服器
20:17每千瓦需要1公斤的防護裝置
20:20發射的時候
20:21每1公斤需要30美元
20:23總共需要120萬美元
20:25因此資料中心在地面上執行10年的總成本
20:30是16700萬美元
20:32而資料中心在外太空執行10年的總成本
20:35只有820萬美元
20:37差異高達20倍
20:38但是各位特別注意
20:40這張表其實忽略了維修成本
20:43大家知道在地面的資料中心維修相對容易很多
20:47而外太空的資料中心維修必須依賴太空人
20:52因此成本會高出許多
20:54接下來我們就針對太空資料中心所需要的各種裝置來進行分析
21:00第一個是軌道資料中心的電力系統
21:03一座50億瓦的資料中心需要大約4公里乘以4公里的太陽能陣列
21:09也就是太陽電池
21:11用這個來估算
21:12如果使用細機的太陽電池
21:1590%的電池填充率
21:17以及22%的初始效率
21:19作為假設
21:20目前這一類的太陽電池已經具備大規模量產的能力
21:252023年全球部署已經超過3000億瓦
21:28其中絕大多數都是使用細的技術
21:31而太陽電池的材料成本甚至可以低到每一瓦只有0.03美元
21:37由於太空中的容量因素和峰值發電能力都高於地面
21:42因此如果達到相同的有效發電容量
21:46所需要的太空軌道太陽能陣列會明顯小於地面的太陽能電廠
21:52而且成本也低於地面的太陽能電廠
21:56為了最大化每次發射所部署的太陽能陣列
21:59因此在外太空的資料中心必須使用薄膜太陽電池
22:04也就是非精細的太陽電池
22:07這種薄膜太陽電池所使用的細晶圓厚度小於25微米
22:12因為薄膜太陽電池是使用化學氣象成績將細成長在某些材料的基板表面
22:21因此成本最低可以達到超過1000瓦每公斤的功率密度
22:26可以建構具備非常高質量還有體積效率的太陽能陣列
22:31而且這一類的電池在整個使用壽命期間仍然可以維持比較高的轉換效率
22:38換句話說它的衰減率比較低
22:40而且不需要使用覆蓋玻璃
22:42它的原因是這些電池能夠在中等溫度下透過退火的機制來修復輻射所造成的損傷
22:50而且這種25微米厚的薄膜太陽電池可以在發射期間摺疊或者卷繞成高密度緊湊的配置等送入太空之後再展開到非常大的面積
23:04而這些太陽電池陣列的展開可以採用已經在軌道環境中獲得驗證的設計概念
23:11例如例行摺疊的方式或者捲筒式展開的方式或者畫框式的結構
23:17這個是目前StarCloud核心的研發專案之一
23:21換句話說外太空的太陽電池技術如何展開大面積足夠資料中心使用
23:28這個是非常核心的關鍵技術
23:31此外還需要開發創新的結構和控制方式來確保這些超大型的柔性結構太陽電池
23:39能夠由姿態決定與控制系統ADCS來有效的控制太陽能電池的方向
23:46相關的姿態決定與控制系統技術目前也正在StarCloud進行開發
23:52從太陽能陣列向運算模組輸送電力最適合的方式是採用具備適當電氣學員設計的高壓直流電輸電線路
24:04和地面電力系統相同
24:06所選擇的輸電電壓必須在兩個因素之間取得平衡
24:10一方面是隻有隻有轉換器 DCDC Converter 的複雜度和效率
24:16另一方面是所需要的同導線具備的線徑和重量
24:20也就是同導線的粗細和重量
24:23而且在外太空的製藥中心將太陽能板開啟之後面積非常巨大
24:29必須24小時正對著太陽因此必須位於太陽同步軌道SSO建立資料中心
24:37而這些太陽能板展開之後尺寸高達4公里乘4公里
24:42除了太陽能陣列也就是太陽電池之外還需要散熱器
24:46因為在外太空沒有空氣
24:49因此沒有辦法用固體液體或氣體來散熱
24:53只能使用輻射散熱
24:55所以需要非常大面積的散熱器
24:57第二個我們和大家談談軌道資料中心的散熱管理
25:01資料中心的運算模組會產生大量的熱負載
25:05必須從資料中心的中央區域傳送到散熱器
25:09也就是剛剛面積非常大的散熱器利用輻射散熱
25:13這個系統將會採用多組的冷卻迴路
25:16在適當的情況下將會採用兩項式易能的方式來降低所需要的質量流率
25:24也就是可以使用更少的冷卻液
25:27進而減少幫普運送冷卻液的功耗
25:30以及流體輸送的損失
25:32在運算模組的內部必須採用晶片直接易能
25:36因為目前資料中心的處理器所使用的易能都是在封裝的外面
25:42也就是易能發展的第一個階段
25:45未來進入第二個階段就會將易能轉移到封裝的裡面
25:49而未來第三階段就是將易能
25:52直接製作圍流體通道在晶片的背面
25:56這樣才能達到最好的散熱效果
25:59這個意思是
26:00將來太空資料中心的易能所使用的
26:03微通道必須由臺積電在晶圓製作的時候
26:07就製作在細晶圓的背面
26:09稱為晶片直接易能
26:11或者是在適當的情況下采用兩項靜默式易能
26:16來實現高功率密度
26:18以及高空間利用率的機架配置
26:21這個是最大化單次發射所能夠部署的運算能力
26:25不可或缺的設計
26:27這個冷卻系統的基本原理
26:28可以沿用地面資料中心的技術架構
26:31但是需要針對太空環境和發射條件
26:35進行部分的硬體最佳化
26:37因為火箭發射的時候會劇烈振動
26:40因此所有的冷卻系統都需要最佳化
26:44確保劇烈振動不會出現故障
26:47例如降低冷卻翼和冷板的質量
26:50這樣可以減輕發射的重量
26:52因此運算模組可以採用兩種主要的配置方式
26:56第一種配置是加壓惰性氣體
26:59也就是在運算模組內維持惰性的氣體
27:03對沒有直接進行異能的元件
27:06來提供強制對流冷卻的效果
27:09第二種配置是靜默式冷卻
27:11將運算元件直接靜默在冷卻翼當中
27:15同時利用冷卻翼提供輻射遮蔽的效果
27:19也就是阻擋外太空的各種有害輻射線
27:23從整體能量平衡的觀點來看
27:25太陽能陣列所產生的幾乎全部電力
27:29以及外露表面所吸收的其餘太陽能
27:33最終都必須以廢熱的形式排放
27:36由於太空環境不存在可供利用的熱傳導和對流散熱機制
27:42也就是外太空沒有液體或氣體可以協助散熱
27:46因此資料中心必須配置
27:49能夠透過輻射的方式排放10億瓦級的熱負載
27:54這樣的散熱器
27:56換句話說
27:56在外太空的資料中心必須利用輻射的方式散熱
28:01為了實現這個目標
28:02Star Cloud正在開發一種輕量化
28:05可以展開的大面積散熱器
28:08大家要記得透過輻射散熱
28:10基本上就是面積越大效果越好
28:13它的面積將會非常的龐大
28:15預計成為氣晶部署在太空中最大型的散熱器
28:20這些散熱器將主要朝向深空進行熱輻射來散熱
28:25深空的平均背景溫度只有2.7K
28:29接近絕對零度
28:30也就是-270度C
28:32而散熱器可以和太陽能陣列
28:35也就是太陽電池採用同向排列
28:38使散熱器其中的一側暴露在陽光之下
28:42換句話說
28:43太陽電池設計在其中一面
28:46照射太陽光產生電能
28:48而散熱器可以設計在另外一面
28:52向深空中散熱
28:53在不採用熱棒的情況下
28:55仍然可以實現可行的設計
28:58然而如果利用熱棒來提高散熱器的溫度
29:02則由於史特班波茲曼定律
29:04利用這個定律的公式當中
29:07溫度四次方向
29:08可以計算出每平方公尺的散熱功率輸出
29:12會因為溫度的四次方而大幅提升
29:15但是相對應的也會增加熱棒運轉的時候
29:19所需要的能源成本
29:21意思是說熱棒本身運作也需要消耗電力
29:25而這種散熱器可以和展開式的太陽能陣列
29:29採用機械式的整合設計
29:31太陽能陣列本身
29:33一面朝向太陽吸收太陽光產生電能
29:37同時可以透過在太陽電池的背面
29:40施加可調控放射率的塗層
29:43這樣就可以拿來散熱
29:45以被動方式進行熱管理
29:47不需要額外再設計冷卻易迴圈系統
29:50因此在散熱器維持在20度C的條件下
29:54每平方公尺散熱器的近熱輻射功率
29:57可以達到633瓦
29:59這一篇文章其實有
30:01史特班波茲曼定律計算的詳細過程
30:04不過這些數學
30:05我想我們今天就不討論
30:06有興趣的人
30:07可以自己參考這一篇文章的描述
30:11這個圖表示輻射板功率和散熱器溫度的關係
30:15當散熱器的溫度越高
30:17則輻射板可以輻射的功率就越高
30:21換句話說散熱的效果越好
30:23其中藍色的線是所謂的黑體輻射能量
30:26而橘色的線是太空資料中心的總功率輻射能量
30:32第三個是軌道資料中心的火箭發射
30:35全球正在逐步迎來發射成本的重大結構性轉變
30:40主要是受惠於多款部分或者完全可重複使用的重型運載火箭發展
30:46也就是火箭回收技術
30:48長期而言預期單次發射的成本可以降低到500萬美元
30:52如果以一次將100噸的醜載送入低地球軌道
30:57LEO或者太陽同步軌道SSO來計算
31:01相當於每公斤的發射成本只有30美元而已
31:05而且目前已經有研究認為
31:07成本未來甚至可以進一步降低到每公斤10美元
31:11在這個價格水準下
31:12發射成本將不再是軌道資料中心主要的成本驅動因素
31:17從網路架構和輻射遮蔽的角度來看
31:20理想的做法是儘可能擴大每個運算容器的尺寸
31:25也就是太空資料中心的伺服器要設計成一個一個容器
31:30而且尺寸儘量擴大
31:32使單一容器在理想的情況下
31:35能夠充分利用運載火箭的仇載艙空間
31:39以及質量容量每個容器的尺寸主要受到地面測試設施
31:44以及下一代的重型運載火箭仇載能力的限制
31:48因此單一容器的質量上限實際上大概是100噸
31:52而這類運載火箭的仇載艙
31:55在以50%容量配置的情況下
31:58可以容納大約300個機軌
32:00其餘的空間則用來配置支援系統
32:03也就是伺服器以外的裝置
32:05如果假設每個機櫃的功率密度是120千瓦
32:10相當於NVIDIA GB200 NVL72的水準
32:14則單次發射就可以部署大約40百萬瓦的運算能力
32:19同時還可以透過機櫃層級的設計來降低結構的質量
32:24因為未來數年的功率密度預計還會大幅提升
32:27因此上述的估計還算保守
32:30由此推算部署50億瓦的運算能力可能只需要不到100次發射就可以完成
32:36而Star Cloud設計中的太陽能和散熱器模組可能也需要相近的發射次數
32:42目前這些運載火箭的設計目標是每天最多執行三次發射
32:46從理論上來說呢單一運載火箭就可以在2-3個月內完成整座50億瓦資料中心的部署
32:55長期來看發射頻率因此不太可能成為瓶頸
32:58儘管具備這些能力更可以採取的方案仍然是逐步的建置資料中心
33:03透過模組化的設計將一個一個的容器也就是運算模組逐漸組裝在中央樞紓的周圍
33:11同時逐步增加太陽能和散熱器模組
33:15並且向外延伸形成平面的結構
33:18換句話說這些人工智慧伺服器用容器的方式變成一個一個單位
33:24從中央開始組裝
33:26最後呢再組裝太陽能電池陣列和散熱器模組
33:31這個設計呢只需要兩種主要的結構型別
33:34因此可以在製造過程中實現規模經濟
33:37來放大生產並且降低工程設計所需要的工作量
33:41第四個是軌道資料中心的軌道選擇
33:44也就是資料中心執行的軌道必須在多項因素之間取得平衡
33:50包括輻射空氣阻力網路的可用性
33:53以及延遲還有太空碎片等等
33:56甚至是發射的可達性
33:58其中最重要的因素就是能不能夠持續進行太陽能發電
34:03因此這個設計會選擇低地球軌道的太陽同步軌道
34:08SSO
34:08在這個軌道上呢可以成昏同步
34:11也就是資料中心的航天器
34:14會維持執行在地球的晝夜分界線上方
34:18換句話說可以永遠都是白天
34:20也就是所謂的成昏線
34:22這個軌道平面呢每年繞地球旋轉一週
34:26因此全年大致上都維持和太陽方向垂直的狀態
34:31這個就使得太空資料中心幾乎能夠持續在太陽的照射之下
34:36所謂的太陽同步軌道 SSO
34:38就是這個圖裡面紅色的軌道
34:40基本上在這個軌道上可以永遠都是白天
34:44永遠對著太陽
34:45這樣就可以確保太陽能發電全年無休
34:49供電讓資料中心運轉
34:51這是低地球軌道當中唯一具備這個特性的軌道
34:54可以持續受光對系統來說非常重要
34:58主要的原因包括
34:59第一個是和具有晝夜迴圈的軌道相比
35:03可以讓平均發電量增加接近一倍
35:06因為它可以一直面對著太陽
35:09第二個是降低太陽能板
35:11因為週期性進入地球陰影而產生的熱迴圈疲勞
35:15也就是太陽能板會永遠有光照
35:18而不會忽亮忽暗
35:19產生熱迴圈疲勞
35:21第三個是使資料中心能夠維持運作
35:24而且持續的工作不需要配置大量電池來儲存能量
35:28儘管和其他許多軌道相比
35:30太陽同步軌道的輻射環境相對比較低
35:34但是仍然必須採取輻射遮蔽的措施
35:37這樣才能夠降低外太空的輻射
35:40對資料中心的伺服器裡面
35:42敏感的元件所造成的影響
35:44這裡面的影響包括拴鎖效應
35:47順態的效應
35:48以及總遊離劑量效應等等
35:50這些效應都會影響資料中心的伺服器運作
35:54其中包括儲存裝置
35:56也就是記憶體和電力供應系統這些元件
36:00值得注意的是
36:01已經有研究顯示
36:02邏輯元件也就是處理器
36:04具備良好的抗輻射能力
36:06尤其是在人工智慧訓練
36:08這種高度運算的情境下
36:11輻射遮蔽所需要的質量
36:13和容器表面基層線性關係
36:15而且單一容器所能提供的運算能力
36:19和它的體積相關
36:20因此隨著容器的尺寸增加
36:23每個單位運算能力所需要的輻射遮蔽質量
36:26就會呈線性下降
36:28這個效應呢
36:29再加上冷卻模組本身所提供的額外遮蔽作用
36:33這個就意味著相較於目前大部分衛星上面的電子裝置
36:38這種輻射遮蔽對軌道資料中心整體設計而言
36:41相對重要性會大幅降低
36:44因為一般的通訊衛星體積小
36:46所以受到外太空的輻射影響比較大
36:49而太空資料中心因為體積很大
36:52相對它受到外太空輻射的影響反而變小
36:56第五個是軌道資料中心的裝置維護
36:58這個也是這篇文章沒有拿來計算成本的問題
37:02儘管採用先進的遮蔽設計
37:05太空的遊離輻射熱效應
37:07還有其他老化因素都會縮短部分電子元件的使用壽命
37:12然而較低的操作溫度還有機械和熱穩定性
37:16以及不存在腐蝕性的大氣環境
37:19這些能夠增加電子元件的使用壽命
37:21除了氧原子
37:22外太空基本有少量的氧原子
37:25而氧原子可以透過遮蔽和塗層有效的抑制
37:29也可能延長其他裝置的使用壽命
37:32Microsoft曾經執行過Progenetic計劃
37:35主要是將密封的資料中心容器放在海底
37:39來進行運涮
37:41經過多年的觀察
37:43發現正面的效應
37:44在進一步擴大規模之前
37:46必須透過多次在太空軌道示範任務
37:50來全面評估
37:51這些正面和負面的因素之間的實際平衡
37:54因為太空資料中心的架構是採用模組化的設計
37:58使得運算容器和其他模組都可以獨立拆換
38:02如此一來就能夠更換老舊故障的裝置
38:05同時持續維持資料中心硬體的現代化和運算能力
38:10意思就是說呢
38:11Stark Cloud設計的太空資料中心
38:14它的伺服器是用一個一個的容器作為單位
38:18當任何一個容器故障的時候
38:20就很容易派太空人到外太空進行更換
38:24而且更換的過程中不會影響到其他容器的運算能力
38:29舊有的容器或者故障的容器
38:31可以重新裝載到火箭上的仇載艙帶回地面
38:36或者是在設計上採取完全可燃燒解體的方式
38:41讓它進入大提成
38:42同時完全燃燒殆盡
38:44就好像現代超大規模資料中心的設計
38:47系統將在架構層級內建立冗餘機制
38:50這就使得整體的系統能夠隨著個別元件失效
38:54而逐步降低效能
38:56而非立刻中斷服務
38:57即使部分的容器正在等待更換
39:00整個資料中心還是可以維持運作
39:03而資料中心真正的使用壽命終點
39:05很可能並不是由運算裝置本身決定
39:08而是由底層的冷卻基礎設施
39:11以及電力輸送紙系統來決定
39:13在國際太空站上
39:15相關的系統設計壽命是15年
39:17因此SAC Cloud預期軌道資料中心
39:20也具備類似的使用壽命
39:22在使用壽命結束之後
39:23軌道資料中心可以進行回收
39:26來收回具有價值的硬體或原材料
39:29或者也可以將所有模組解除對接
39:32按照設計
39:33讓它在大氣層中墜落地球
39:36燒燬解體
39:37左邊這個圖就是在地球軌道上的太陽同步軌道
39:41各位會發現呢
39:42太陽同步軌道的其中一半永遠是亮的
39:46永遠有日照
39:47這樣就可以維持不間斷的發電
39:50而軌道資料中心的伺服器
39:52是採用金葉式的結構設計
39:55將伺服器製作成一個一個容器
39:58每個容器都是獨立運作
40:00可以快速拆解更換
40:02總而言之10億瓦級的軌道資料中心
40:04是人類有史以來最具雄心壯志的太空工程
40:08而它的發展正好在四項重要的趨勢交匯點
40:12第一個是火箭發射的成本大幅下降
40:15第二個是地面的資料中心即將來到電力缺口
40:19第三個是對大型高耗能的圖形處理器運算重極的需求日益增加
40:25第四個是大型的衛星星座可以推動低成本聯網能力快速普及
40:32因此StarCloud認為軌道資料中心在技術上具備可行性
40:36在經濟上具有實現的可能
40:38而且是以快速而且永續的方式充分發揮人工智慧
40:42也就是21世紀最重要的技術
40:45潛力的重要基礎
40:46從前面的介紹
40:47大家會發現在外太空的軌道資料中心
40:51從電力系統、散熱管理
40:53火箭發射、軌道選擇
40:54以及設備維護
40:56這五個面向去觀察
40:57確實有它的可行性
40:59但是在成本計算的時候
41:02這個白皮書卻忽略了設備維護的成本
41:05如果我們把資料中心的設備維護費用
41:08在這十年的壽命都計算進去的話
41:11在外太空的資料中心
41:13真的會比地面上的資料中心
41:15便宜超過20倍嗎
41:16我個人覺得這個問題還需要再精打細算
41:20但是不管怎麼說
41:21Starcloud 公司的白皮書
41:22確實是大家可以參考的一個重要依據
41:26好我們今天的節目到這邊
41:27大家對於外太空的軌道資料中心有任何問題
41:30歡迎大家發表在影片的下方
41:32我們再來討論
41:33謝謝大家
41:34晚安 Bye Bye

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