在这股热潮中，最雄心勃勃且最具挑战性的想法之一听起来几乎像是科幻小说：轨道数据中心。SpaceX 可能是寻求建设此类设施最知名的公司之一，但它并不是唯一的一家。
其逻辑很诱人：将数据中心发射到轨道上，那里太阳能充足，土地、水和当地电网不再是限制因素。随着人工智能推动计算需求爆发式增长，各公司正在推销轨道数据中心，以此作为摆脱地面计算日益增长的环境和基础设施压力的一种方式。数据中心往往还面临公众的强烈反对，因为人们不愿这些中心建在他们的社区内。
但是，发射卫星与在轨道上运行工业规模的计算基础设施之间存在巨大差异。太空环境是严酷的。辐射会损坏电子设备。电子设备产生大量热量，而在太空中散热出奇地困难。维修费用极其高昂，而且发射到轨道的每一磅载荷仍然成本不菲。
我们是研究数据中心设计和空间系统工程的工程学教授。建设天基数据中心将涉及这两个方面的考量。
地面数据中心的构成要素
首先，考虑一下地面数据中心的构成要素，就像你可能已经开始看到遍地涌现的那些设施一样。这些设施为云计算、视频流媒体、网上银行、科学计算以及日益增长的人工智能提供动力。但数据中心不仅仅是一个装满服务器的房间。
数据中心需要几样东西才能可靠运行。首先是电力。服务器、网络设备和存储设备消耗大量电力，且随着AI的发展，电力需求正迅速增长。
其次是冷却。服务器消耗的几乎所有电力最终都会转化为热量。如果不能快速可靠地移除这些热量，设备性能就会下降，故障增加，甚至导致数据中心关闭。冷却系统通常包括空气处理机组、冷水机组、冷却塔、泵以及日益增多的液冷设备。在许多设施中，冷却是仅次于计算设备本身的最大能源消耗项。
第三是物理基础设施，包括必要的土地、建筑物、结构支撑、备用电源、供水系统、通信网络和维护通道。数据中心还需要足够靠近用户和网络骨干，以提供快速的数字服务。
简而言之，地面数据中心是围绕计算硬件构建的大型电力和热力基础设施系统。
将其部署在太空
那么，在太空建设这些数据中心需要什么，为什么各公司觉得这种可能性是一个如此有趣的商业提案？
与地球上一样，这些数据中心将需要大量的电力。在太空中，这种电力将来自太阳能电池板。太空中阳光永远照耀，不会被云层遮挡。然而，根据太阳能电池板所处轨道的不同，地球可能会在轨道的某一部分遮挡它们。
而且，即使是目前可用的最佳太阳能电池，也只能将照射到它们的大约一半阳光转化为电力。
太空中发现的另一个潜在优势是冷却。太空的寒冷背景（接近零下455华氏度，或零下270摄氏度）创造了一个机会：数据中心的废热可以通过散热器逃逸到太空中，从而保持电子设备冷却。
原则上，这种设计可以消除地球上使用的一些庞大且耗水的冷却基础设施。然而，那些热辐射器将需要巨大的表面积，这还是在太阳能电池板所需面积之外的增加部分。
在太空中，没有空气吹过发热设备来帮助热量散失。热量必须以红外辐射的形式离开，这是一个相对缓慢的过程。结果是，移除10兆瓦的废热可能需要相当于两个足球场大小的散热器表面。
天基数据中心还可以避免在地面建设大型数据中心所带来的一些地方冲突。许多社区因为土地使用、能源和水资源需求，以及噪音和环境影响而抵制新的数据中心开发。
天基系统将避免争夺当地的土地和水资源，也不会产生邻里噪音，也不需要以同样的方式获得当地分区批准。
然而，太空已经变得拥挤，发射数千个大型轨道数据中心将加速这一问题。轨道碎片和微流星体是危险因素，因为它们可以刺穿太空数据中心，最坏情况下的碰撞可能会摧毁它并产生更多太空碎片。
将所有设备送入轨道所需的太空发射频率也可能成为某些社区关注的问题。SpaceX 在其位于德克萨斯州博卡奇卡的发射场遭遇了抗议，当地活动人士认为其火箭测试和发射破坏了周围环境。
所有数据都需要使用无线电波或激光通信系统在地球和这些数据中心之间——以及数据中心相互之间——进行传输。尽管星链和亚马逊Leo（Amazon Leo）等卫星星座已经证明这是可行的，但往返太空的数据量将激增。
其他挑战
这些数据中心及其太阳能电池板和散热器无法整体发射，需要在太空进行组装。这一过程将需要用于在轨服务、组装和制造的新设备。
另一个关键挑战是计算硬件的更新周期。数据中心服务器并非为永久使用而制造。地面上的运营商通常每三到五年更换或升级一次硬件，因为芯片在改进、工作负载在变化且设备在老化。
此外，设备故障可能需要更换组件。在地球上，更新和维修过程相对简单，工作人员可以物理移除并更换服务器。
在太空中，更新和维修变得困难得多。送入轨道的硬件可能难以升级或升级成本过高。如果计算平台无法更新，或太多组件发生故障，它可能在周围基础设施达到使用寿命终点之前很久就已过时。
在一个性能提升如此迅速且计算需求持续增长的领域，这一障碍可能成为重大的经济和运营挑战。
此外还有太空环境的严酷性。这些数据中心将处于近真空状态，并受到持续的辐射轰击。而且根据其轨道不同，它们每天会在阳光下的炎热状态和地球阴影中的寒冷状态之间转换多次。所有这些挑战以及更多问题都是需要解决的问题。
那么，它们还有意义吗？
尽管存在这些挑战，各公司仍在推进天基数据中心的设计。SpaceX 刚刚宣布了其AI1计算卫星的设计，希望将其用作轨道数据中心航天器。然而，这颗卫星的能力比目前的地面数据中心低100到1000倍。
并非每项计算任务都适合在太空中进行。许多数据中心应用依赖于快速响应时间和与地面用户的紧密连接。金融交易、交互式AI服务和大多数云应用对延迟极其敏感。
更可行的早期应用可能是那些对延迟不太敏感且与太空操作联系更紧密的应用。例如处理来自卫星的地球观测数据、军事或情报数据处理、与太空任务相关的科学计算，或为卫星及其他太空资产提供的专用计算。
换句话说，首批可行的太空数据中心可能在能够与地面主流云数据中心竞争之前，先服务于天基客户。