太空资料中心

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太空资料中心（space-based data center），又称轨道资料中心（orbital data center）或在轨资料中心，是指地球轨道、月球或其他天体上，于太空部署资料中心设施以执行资料储存与运算，其主要构想是把原本设于地面的服务器、图形处理器与储存装置送上轨道，就近利用太空环境近乎不间断的太阳能供电，并借由真空中的热辐射散热，以缓解地面资料中心在电力、用水与土地上的压力。

太空资料中心构想源于2020年代人工智能运算对电力的庞大需求。国际能源署预估，全球资料中心的用电量将于2030年前后翻倍、逼近每年1000太瓦时，使电网、供水与选址许可承受沉重负担。倡议者主张，晨昏太阳同步轨道上的太阳能板可近乎全天候受光、发电效率为地面的数倍，且太空中无须耗用淡水冷却，因而可望以较低的碳排与营运成本承载高耗能的人工智能运算。

2025年至2026年间，太空资料中心从概念快速进入实证阶段。美国新创公司Starcloud于2025年11月发射搭载辉达H100图形处理器的Starcloud-1卫星，成为首具在轨运作的资料中心级图形处理器；Google公布“太阳捕手计划”（Project Suncatcher），规划于轨道部署搭载张量处理单元的卫星星座；欧洲太空总署资助的ASCEND可行性研究由法国泰雷兹阿莱尼亚太空主导；中华人民共和国则以“星算计划”的三体计算星座于2025年5月发射首批12颗计算卫星。此外，公理太空、Lonestar Data Holdings、日本NTT等亦推出各自的轨道或月球运算计划。

尽管业界宣称前景可观，太空资料中心的可行性与环境效益仍存在重大争议。独立的技术与经济分析指出，真空散热、抗辐射、发射成本与大规模在轨组装均为尚未克服的难题；有研究更发现，一旦计入火箭发射与再入焚烧的排放，轨道设施的碳足迹可能不减反增，甚至损害臭氧层。研究认为，短期内太空资料中心较可能以“地面与太空混合”的形式承担特定运算任务，而非全面取代地面设施。

## 背景与动机

长远而言，太空人工智能显然是唯一能规模化的途径。光是利用太阳能量的百万分之一，就已超过我们文明当前用量的百万倍以上。

太空资料中心的构想，源于地面资料中心在人工智能时代所面临的资源瓶颈。随着大型语言模型的训练与推论需求激增，资料中心的耗电量快速攀升。国际能源署预估，全球资料中心的用电量可能于2020年代结束前翻倍，达到接近每年1000太瓦时的规模。据该报导，资料中心预计将占2030年前美国电力需求成长的近一半，并持续挤压电网与水资源。此外，大型资料中心的冷却每年消耗庞大水量，据估计全球资料中心的冷却用水已达每年数千亿升，且可能于2030年前再度倍增。在部分地区，供电与供水的紧张已使地方政府开始限制新建机房，例如法国马赛有意管制新资料中心的设立。据估计，全球资料中心2024年的用电量约为415太瓦时、约占全球用电的1.5%，且近五年来以每年约一成二的速度成长。

面对上述限制，倡议者主张太空提供了三项地面难以企及的条件。其一为供电：位于太阳同步轨道的设施几乎不受昼夜与天候影响，可近乎全天候接收日照，太阳能板的发电效率据估计可达地面的数倍。其二为散热：深空的背景温度仅约摄氏零下270度，接近绝对零度的宇宙微波背景辐射温度，倡议者认为这一极低温环境搭配真空，可作为天然的散热条件，并免除地面资料中心庞大的淡水冷却需求。其三为选址：轨道部署可绕过地面日益困难的土地取得与环评许可。这些论点使Google、亚马逊创办人杰夫·贝佐斯、伊隆·马斯克等科技业者与多国研究机构，自2020年代中期起相继投入相关研究与投资。

能源已成为决定人工智能发展规模的核心瓶颈。科技业预估到2020年代结束前将在地面资料中心投入超过5兆美元，仍不敷所需，前Google执行长埃里克·施密特即警告产业正“用罄电力”。倡议者因而主张，地面电网难以支撑持续攀升的人工智能用电，唯有取用太空中近乎无限的太阳能才可能规模化；而近年可重复使用火箭已将发射成本压低数个量级，使原本近乎科幻的构想转为可评估的工程方案，吸引多家科技与航太业者及多国研究机构自2020年代中期起相继投入。

除能源与成本外，太空资料中心也承载了策略与地缘政治上的考量。欧洲的ASCEND研究即以“欧洲净零排放与资料主权”为名，将在轨设施视为确保欧洲资料主权与数位自主的途径。中华人民共和国则将“星算计划”定位为国家级的“新型基础设施”，欲透过在轨超级电脑抢占天基算力的先机，使这场人工智能的算力竞赛延伸至地球轨道。

不过，将资料中心送上轨道也带来地面所没有的考量。太空中的游离辐射与宇宙射线会损害半导体、造成运算错误，使硬件的可靠度与寿命成为疑问。发射与运转大量卫星也将加剧轨道的拥挤：截至2020年代中期，地球轨道上的活跃卫星已约1万4500颗，且数量在十年间增加约十倍。此外，设施退役后若未妥善离轨，其庞大结构本身即可能成为太空碎片，或于再入大气时焚烧而衍生污染。这些因素使太空资料中心的可行性与效益至今仍具高度争议，也构成后文技术挑战与环境争议两章探讨的核心。

## 运作原理与技术挑战

### 供电

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太空资料中心最根本的立论基础在于供电。地球轨道不受大气衰减，所接收的太阳辐照度约为每平方米1361瓦，即太阳常数；相形之下，地面太阳能受大气吸收与散射、昼夜循环及云雨天候的限制，实际发电量大幅减少。若将设施置于近地轨道的黎明至黄昏太阳同步轨道，卫星沿晨昏线飞行，可几乎全时受光而极少进入地球阴影。Google在其“太阳捕手计划”（Project Suncatcher）的技术报告中指出，在适当轨道上，太阳能板的产电量最高可达地面同等装置的八倍，并能近乎连续发电，从而大幅减少对电池的需求。这种近乎全时的日照也反映于容量因数：研究指出，位于适当轨道的设施其日蚀时间可压低至运转时间的百分之一以下、近乎连续发电，可用率远高于受昼夜与天候限制的地面太阳能；相较之下，美国公用事业级太阳能电厂的容量因数平均仅约25%。

以太空太阳能驱动资料中心级的运算，所需的阵列规模十分可观。《IEEE综览》估计，单颗搭载约175具图形处理器的卫星，需配置约1024平方米的太阳能板，方能产生约240至250千瓦的电力。一项2026年的技术研究以“太阳能、运算与散热三合一”的整合面板为设计，估算单颗重约150公吨的卫星可展开20米乘2200米、由约1万6千片面板组成的阵列，支援约16百万瓦的运算功率；研究并宣称每公吨酬载可换得逾100千瓦的运算功率、太阳能电池的比功率约为每公斤500瓦，远高于传统太空系统。功率需求越大，阵列面积也越庞大：Starcloud设想的5吉瓦级设施，其太阳能与散热面板须展开成约4公里见方的巨型结构。

各计划的实际供电规模仍处于早期。Starcloud的首颗示范卫星Starcloud-1为约60公斤的小型实证卫星，公司规划后续卫星逐级扩大至百万瓦乃至吉瓦级的规模。欧洲的ASCEND研究则设想以太空太阳能电厂供电，并订出2050年前于轨道部署达1吉瓦的目标。由于太空中的废热只能以辐射方式排除，发电面积与散热面积的量级相近，供电规模的扩大也同步放大了散热的工程负担（详见下节）。

### 散热

散热是太空资料中心最大的技术挑战之一。真空环境中并不存在热传导与对流，设施运转所产生的废热只能透过热辐射向外排放，因而散热效率远低于地面的气冷或液冷系统。辐射散热受斯特凡-波兹曼定律制约，散热功率与散热面积及温度的四次方成正比。《IEEE综览》的分析指出，一具功耗约700瓦的辉达H100图形处理器，在摄氏60度下运作时约需1.4平方米的散热器；一座40千瓦的机柜需约80平方米；而一座100百万瓦的设施则需约2500具此类散热器。若容许芯片在摄氏85度的较高温度下运作，单具H100所需的散热面积可降至约1平方米，但也相应提高元件的热应力。

为在真空中排除高热通量，工程界提出热管、蒸气室与泵驱两相流冷却回路等主动热输送方案。作为现成的工程对照，国际太空站即以填充氨的流体回路搭配大型可展开散热器，将舱内废热以辐射排入太空。Starcloud采用可展开的黑色散热板，透过向约摄氏零下270度的太空背景辐射散热。

散热因此成为一项系统级的权衡：工程师须在散热器质量、太阳能阵列面积、发射成本、可靠度与姿态控制之间取舍，其中一项根本矛盾在于太阳能板须正对太阳、散热器却须尽量背向阳光，两者的指向需求彼此冲突。散热器涂层在紫外线、原子氧与游离辐射作用下约五年即损失近四成效率，使单具H100的散热面积须由1.4平方米增至近2平方米，迫使营运方一开始就多发射至少四成的散热器质量。此外，由于每以约每平方米400瓦发电，就须再以约每平方米450瓦的能力散热，散热面积几乎与发电面积相当，构成难以回避的物理限制。这一限制在实务上已经显现：Starcloud-1虽已将H100送上轨道，但因散热能力不足，该芯片无法以全功率运转。

### 辐射与可靠性

轨道上的游离辐射会损害半导体元件：高能粒子可能造成内存的位元翻转，长期累积亦会缩短晶体管的寿命，导致运算错误或硬件劣化。因应之道包括采用错误更正内存、冗余运算与金属屏蔽。Google在“太阳捕手计划”中，以能量67百万电子伏特的质子束测试其张量处理单元，模拟五年近地轨道任务的辐射剂量；结果显示芯片本体可承受，仅高带宽内存较为敏感，但受影响程度在可接受范围内。具体而言，其高带宽内存在累积约2千拉德剂量后开始出现异常，但屏蔽后五年任务的预期剂量仅约750拉德，且芯片在测试中承受达15千拉德仍未发生硬性失效。另有分析指出，在轨芯片的劣化较地面为快，可能每5至6年即需更换。此外，2017年慧与在国际太空站进行的实验中，20颗固态硬盘有9颗发生故障，显示商规硬件在太空环境中的可靠度仍待验证。

轨道环境中的游离辐射与高能带电粒子对半导体构成持续威胁。传统太空任务多采用抗辐射专用芯片，但这类元件的运算效能通常不及最新的商用产品；因此太空资料中心的倡议者倾向直接采用商用高效能芯片，再以错误更正、冗余运算与屏蔽加以补偿，Google测试中商用张量处理单元展现的抗辐射裕度即为此一路线的例证。不过，这类屏蔽材料与冗余备援设计本身也会增加系统的复杂度与成本。

### 通讯与延迟

太空资料中心须透过自由空间光通讯（激光）在卫星之间及与地面之间传输资料。Google在“太阳捕手计划”中，示范了单一收发对每方向达每秒800吉位元、合计每秒1.6兆位元的传输。然而现行在轨激光通讯的速率仍相当有限，欧洲资料中继系统的中继速率最高可达每秒1.8吉位元，与地面光纤相比仍有数量级的差距。此外，资料在地面与轨道之间往返会产生数十毫秒的传输延迟。不过对于就地处理卫星观测资料的边缘运算应用，在轨处理可避免将资料传回地面再运算的往返延迟，实现近乎即时的分析。

对地传输是另一项瓶颈。受地面站数量与卫星过境视窗的限制，要将庞大的原始资料全数送回地面并不容易，因此多数设计倾向在轨道上完成运算、仅回传处理后的结果，这也是各在轨运算计划的共通思路。星间激光链路虽然带宽高，Google宣称资料中心级应用的目标可达每秒数十兆位元，但卫星须彼此维持在数公里以内并精准对准，方能维持足够的接收功率。

### 发射与部署

发射成本与大规模部署是太空资料中心规模化的主要障碍。将硬件送入轨道的成本虽已大幅下降（每公斤酬载的入轨成本从早期的数万美元，降至猎鹰重型时代的约1000美元），但要使轨道运算在经济上与地面竞争，多数估算认为发射成本仍须进一步降至每公斤200美元以下。大型设施所需的卫星数量与质量亦极为庞大：《IEEE综览》估算，要组建一座1吉瓦的轨道设施，需在近地轨道紧密编队约4300颗卫星、总质量达3000万公斤。为此，欧洲太空总署的ASCEND研究主张以模组化的太空制造搭配自主机器人技术逐步建造，而非一次发射完整设施。在部署与运转期间，设施还须面对太空碎片与微流星体的撞击风险；随着在轨物体数量快速增加，避撞已成为常态化的营运负担，如星链卫星在2024年12月至2025年5月的半年间便执行逾14万次碰撞规避机动。

部署速度本身也是一大限制。《IEEE综览》估算，若要以每次可载约60颗卫星的星舰部署100万颗卫星，需约1万6千次发射，而即使是发射最频繁的SpaceX，2025年也仅执行165次轨道发射并创下自身纪录，人类史上的轨道发射总计也不过约7000次。制造端的产能同样受限：以星链每年约4000颗的产能推算，即使提升十倍，生产100万颗卫星仍需约25年。

## 主要计划与参与者

### Starcloud

2024年1月，美国新创公司Starcloud成立，其业务为在太空设计、建造和部署资料中心，透过Y Combinator、辉达与In-Q-Tel等投资者募得约2400万美元。2025年11月2日，Starcloud以SpaceX猎鹰9号将重约60公斤的Starcloud-1卫星送入约325公里高的轨道，其上搭载的辉达H100成为首具在轨运作的资料中心级图形处理器。辉达表示，该卫星的运算能力较过往的太空运算高约100倍，并宣称可将能耗与生命周期碳排放降低约十倍，惟这些数字均为业者自行提出。相较之下，地面的人工智能专用资料中心规模约为100百万瓦，而Meta规划中的设施更达2吉瓦。该卫星并在轨道上运行Google的Gemini模型。2026年3月，Starcloud完成1.7亿美元的A轮募资、估值达11亿美元，成为Y Combinator史上最快达到独角兽规模的公司之一。公司规划后续发射8千瓦的Starcloud-2与200千瓦的Starcloud-3，并提出以边长约4公里的巨型设施承载5吉瓦运算的长期愿景。

### “太阳捕手计划”

2025年11月，Google发布“太阳捕手计划”，目标是在太阳同步轨道上部署搭载自家张量处理单元的卫星星座。其技术报告描绘的构型为81颗卫星组成、半径约1公里的编队，卫星间距100至200米，并以自由空间光通讯互联。Google与卫星影像公司Planet Labs合作，计划于2027年初发射两颗原型卫星，验证在轨的光学链路与张量处理单元运作。此计划亦被视为Google因应人工智能庞大电力需求的代表性尝试。有分析估计，若要以此构型提供相当于一座1吉瓦地面资料中心的算力，约需1万颗卫星。公司估计，唯有当发射成本于2030年代中期降至每公斤约200美元以下时，此类系统的整体成本才可能与地面资料中心相当。

### ASCEND研究

欧洲联盟“展望欧洲”计划资助了名为“欧洲净零碳排放与资料主权的先进太空云”（Advanced Space Cloud for European Net zero emission and Data sovereignty, ASCEND）的可行性研究，由法国泰雷兹阿莱尼亚太空主导，成员涵盖环境顾问Carbone 4与VITO、云端业者Orange与CloudFerro、慧与、火箭商亚利安集团、德国航空太空中心与空中客车国防航天等，其研究构想以激光通讯在卫星与地面之间传输资料，并规划透过在轨组装逐步建造大型设施。2024年6月公布的研究结论认为，太空资料中心在技术、经济与环境上均属可行，但关键前提是必须开发出全生命周期碳排放低于现行十分之一的火箭。研究拟定的时程为：2035至2036年先于约1400公里高的轨道部署13个模组、达到10百万瓦规模，2050年前扩充至1吉瓦；每个模组尺寸约200米乘80米、重约32公吨。研究并估计，2030年整体资料中心市场约达23吉瓦，而ASCEND仅图其中1吉瓦。

### 星算计划与三体计算星座

中华人民共和国也有发起在轨计算星座计划，如成都的国星宇航发起、之江实验室提供核心载荷的“星算计划”。2025年5月14日，该计划以长征二号丁火箭一箭12星，将首批“三体计算星座”卫星送入约700公里高的太阳同步轨道。该星座由之江实验室主导，其名称依官方说法源自牛顿的三体问题，坊间则多联想到刘慈欣的同名科幻小说。依官方资料，首批12颗卫星单星算力最高达每秒744兆次运算，星座整体算力达每秒5千兆次运算、星间激光通讯速率达每秒100吉位元，并搭载80亿参数的天基人工智能模型。之江实验室总工程师赵志峰表示，该星座为千星规模，建成后总算力可达每秒100万兆次运算（1000拍次每秒）；“星算计划”整体则规划最终以2800颗算力卫星组网，官方并举例，在轨运算可将森林火灾的资料处理由小时级缩短至分钟或秒级。中华人民共和国之所以将计算送上轨道，官方说法之一是传统“天感地算”模式下，遥感卫星所产生的资料仅有不到十分之一能传回地面处理。之江实验室主导的天基分布式操作系统包含约24万行程式码，并联合国星宇航、天链测控等二十多家企业与研究机构共同建设。首批任务中，其中01、02号两颗卫星另搭载宇宙X射线偏振探测器以执行天文观测。台湾的国家实验研究院科技政策研究中心指出，该计划最终规划扩充至2800颗卫星，并提醒各界关注其衍生的资料安全与国际监理议题。开发商国星宇航称该星座为全球首个专用的在轨运算星座。

### 公理太空轨道资料中心

美国太空基础设施商公理太空自2023年起推动轨道资料中心（Orbital Data Center）节点建设服务。2023年12月，公司宣布与开普勒通讯及Skyloom合作，在其太空站舱段上整合吞吐量达每秒10吉位元、符合美国太空发展署互通标准的光学星间链路。2025年4月，公理太空进一步宣布将两个节点搭载于开普勒的光学资料中继卫星，并于当年底前发射；其应用包括卫星资料的即时处理、人工智能分析与资安端点侦测，并可支援美国的“金穹导弹防御”计划。2025年8月，公司将小型原型AxDCU-1送上国际太空站进行边缘运算示范。不过《The Register》指出，随着国际太空站预定于2030年退役，挂载于其上的设施将面临硬件寿命与管辖权的疑虑。

### 月球资料中心

美国Lonestar Data Holdings则尝试将资料中心设于月球，主打以物理隔离提供“灾难复原即服务”的资料备份。据意大利《麻省理工科技评论》报导，该月面装置的储存容量约为8TB，公司并计划于2027年在地月L1拉格朗日点部署商业资料储存服务。2025年2月26日，公司名为“自由”（Freedom）的资料中心载荷随直觉机器的IM-2“雅典娜”（Athena）登月器发射，并在飞行途中完成资料上传、下载、加解密等在轨操作测试。然而，雅典娜登月器于2025年3月6日在月球南极穆顿山附近着陆时侧翻，最终停于一处阴影坑内，太阳能板无法充分受光；外界推测激光高度计的噪声资料可能是肇因之一。登月器于3月7日电力耗尽，任务在着陆不足13小时后提前结束。

### 其他计划与业界动向

日本也有企业推动相关业务，如NTT与完美天空JSAT集团于2022年成立合资公司Space Compass，推动“宇宙统合运算网络”构想，结合光电融合技术与大容量光通讯，并与宇宙航空研究开发机构自2023年起共同研究把人工智能应用于在轨运算，使卫星观测资料能在轨道上先行处理。

其他多位科技业领袖亦公开看好此一方向。亚马逊创办人杰夫·贝佐斯于2025年10月在意大利一场科技活动中预言，10至20年内将出现吉瓦级的太空资料中心，并认为其成本终将胜过地面设施；其创立的蓝色起源正开发搭载抗辐射芯片的Blue Ring在轨载具。伊隆·马斯克的SpaceX于2026年2月并购xAI，并向联邦通讯委员会提交在轨部署人工智能运算卫星的构想，马斯克主张数年内太空将成为人工智能运算成本最低之处。日本媒体并报导，马斯克认为太空缺乏大气衰减，能较地面更充分地利用太阳能。此外，Google前执行长艾力克·施密特表示，其收购火箭商相对论太空是为了在轨道部署资料中心。

## 经济性

太空资料中心能否在经济上与地面竞争，是各方争论的焦点。倡议者强调太空的免费太阳能与免水冷可大幅降低营运成本：Starcloud曾宣称一座40百万瓦设施十年的成本约为820万美元，远低于地面同等设施的1.67亿美元。然而《Blocks & Files》指出，此一估算并未计入高达数十亿美元的硬件与发射成本。

独立分析对成本优势多持保留态度。航太工程师安德鲁·麦卡利普（Andrew McCalip）估算，以现行技术建造一座1吉瓦的轨道设施，五年成本约为510亿美元，相较于地面等效设施的约160亿美元，即使计入免费的太阳能，仍约为地面的三倍。发射成本是决定性变数：2023年麦肯锡估计当时每公斤入轨成本约1500美元，而多数分析认为须降至每公斤数百美元以下，轨道运算才可能与地面打平。

市场研究机构对此新兴领域抱持乐观预期。BIS Research预估，在轨资料中心市场规模将于2035年达到约390亿美元，年均复合成长率达67.4%。另有券商预估，到2030年地面资料中心的总算力需求可能达约200吉瓦、相关基础建设投资近1兆美元，使部分业者将轨道部署视为可能的纾解途径。亦有分析估计，SpaceX与蓝色起源等业者部署的数万颗卫星，其算力到2030年可达地面资料中心的约八分之一。惟此类数字属单一机构的预测，且建立在发射成本大幅下降的假设之上，与实际部署规模仍有相当距离。

## 环境影响与争议

太空资料中心的核心诉求之一是环境效益，但这正是争议最大之处。倡议者主张，以轨道太阳能取代地面的化石燃料电力并免除水冷，可显著降低数位基础设施的碳排放与水足迹。然而，ASCEND研究本身即承认，这项效益的前提是开发出全生命周期碳排低于现行十分之一的火箭，亦即以既有技术并无法达成。ASCEND的环境评估执行方Carbone 4进一步指出，太空资料中心逾七成的排放来自发射阶段，且其研究尚未评估高空大气排放、使用量增加的反弹效应，以及稀有金属的足迹等问题。

若干研究对“太空更环保”的宣称提出直接反驳。德国萨尔兰大学的研究团队发现，一旦计入火箭发射与硬件再入大气焚烧的排放，轨道太阳能设施的有效碳强度可能高于任何地面电网。该研究估算，地面电力的有效碳强度约为每度34克二氧化碳当量，而以猎鹰9号或星舰供电的轨道系统分别约为每度66克与52克；主要排放来自发射与再入的内含排放，即使采用可重复使用的火箭亦然。

除碳排外，卫星再入大气时的焚烧亦引发臭氧层疑虑。研究者指出，每年已有数百公吨太空物体在高层大气中焚烧，生成氧化铝等约20种物质；大气化学家指出，氧化铝尤其可能损耗臭氧层，并影响高层大气的温度与环流。据《自然》旗下《科学数据》期刊的研究，2020至2022年间约有1.2万公吨材料再入大气。此外，一次火箭发射通常向高层大气排放约200至300公吨二氧化碳，并可在该处滞留数年。联合国环境署官员萨莉·拉德万（Sally Radwan）也强调，评估人工智能的环境冲击时应一并计入稀有原料开采等上游环节的影响。大规模卫星星座还会加剧太空碎片与天文观测光害问题。

在可行性层面，多位工程师与学者对太空资料中心的短期前景提出质疑。《IEEE综览》综合散热、辐射、发射与制造等多重瓶颈后认为，太空资料中心当前的热潮明显超前于现实。德国《科学光谱》（Spektrum der Wissenschaft）杂志更直言，散热、辐射、带宽与发射成本等障碍使当前的太空资料中心构想近乎“白日梦”，并推测相关宣传意在转移外界对人工智能泡沫与地面资料中心缺电缺地问题的注意力。卡内基美隆大学教授布兰登·卢西亚（Brandon Lucia）亦认为，马斯克所称数年内即可实现的说法过于乐观。

尽管如此，部分研究认为太空资料中心并非毫无前景，而是需以务实的方式定位，如一篇发表于《航空科学进展》（Progress in Aerospace Sciences）的综述以政治、经济、社会、技术、法律与环境六个面向系统比较地面与太空资料中心，结论认为未来较可能走向“地面与太空混合”模式，由轨道设施承担特定的高耗能或对地观测任务，而非全面取代地面设施；在轨制造、模组化与自主机器人则被视为决定其可维护性与永续性的关键使能技术。