馬斯克造星鏈，劈柴造算鏈！英偉達(dá)卷到宇宙，谷歌也要上天

新智元報(bào)道

編輯：定慧 桃子

【新智元導(dǎo)讀】谷歌TPU也要上空了！「登月計(jì)劃」Project Suncatcher推出，預(yù)計(jì)在2027年發(fā)射兩顆原型衛(wèi)星，用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)AI。

繼英偉達(dá)之后，谷歌也要把TPU送上太空了！

今天，谷歌官宣「Project Suncatcher」（捕日者計(jì)劃），要在太空建設(shè)可擴(kuò)展的AI計(jì)算系統(tǒng)。

它將利用幾乎無限的太陽(yáng)能量，相當(dāng)于人類總發(fā)電量100萬(wàn)億倍，為下一代機(jī)器學(xué)習(xí)注入動(dòng)力。

谷歌CEO劈柴稱之為，「全新的登月計(jì)劃」。

預(yù)計(jì)2027年，谷歌與Planet將把兩顆原型衛(wèi)星送入軌道，一個(gè)全新里程碑即將實(shí)現(xiàn)。

不過，AI算力上空之前，還有許多亟待解決的工程難題。

好在，谷歌新一代Trillium架構(gòu)TPU，在模擬近地軌輻射水平的粒子加速器測(cè)試中，「扛住了」太空輻射。

除此之外，熱管理、在軌系統(tǒng)可靠性等，仍是需要攻克的工程挑戰(zhàn)。

太陽(yáng)直接給AI充能

谷歌最新的論文叫做《邁向未來基于太空的、高度可擴(kuò)展的人工智能基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)》。

看名字似乎有些長(zhǎng)，但是這篇論文，還有一個(gè)簡(jiǎn)單的文件名，Suncatcher，太陽(yáng)捕捉者、捕日計(jì)劃。

AI對(duì)算力的需求正在催生一個(gè)難以想象的需求，一個(gè)地球目前也無法滿足的需求：電量不夠了。

于是，這些AI巨頭開始把目光投向天空，投向太陽(yáng)。

在太陽(yáng)系中，太陽(yáng)的能量輸出為3.86 × 10^26瓦，發(fā)出的能量超過人類總電力產(chǎn)量的100萬(wàn)億倍以上。

處于合適軌道時(shí)，太陽(yáng)能板的產(chǎn)能可比地球上高出多達(dá)8倍，并且?guī)缀蹩梢猿掷m(xù)發(fā)電，從而減少對(duì)電池的依賴。

在未來的某個(gè)時(shí)候，為AI供能的最佳方式很可能就是直接利用太陽(yáng)能！

谷歌提出一種替代方案：不是從太空向地球傳輸電力，再供給AI數(shù)據(jù)中心。

而是直接建立基于太空的機(jī)器學(xué)習(xí)「數(shù)據(jù)中心」，由許多太陽(yáng)能供電的衛(wèi)星通過自由空間光學(xué)星間鏈路聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成。

一個(gè)自由下落（無推力）星座在地球引力作用下的演化過程，其建模細(xì)節(jié)足以推算出太陽(yáng)同步軌道。該模型位于一個(gè)非旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，并以中心參考衛(wèi)星S0為參照。箭頭指向地心。品紅色：衛(wèi)星S0的最近鄰衛(wèi)星。橙色：示例「外圍」衛(wèi)星S1。橙色虛線：S1 相對(duì)于集群中心的位置（在非旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中）。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵挑戰(zhàn)

谷歌提出的系統(tǒng)由一個(gè)「網(wǎng)絡(luò)化的衛(wèi)星星座」構(gòu)成，可能會(huì)運(yùn)行在晨昏太陽(yáng)同步低地球軌道上。

在該軌道上，衛(wèi)星能夠近乎持續(xù)地接收到陽(yáng)光照射。

這種軌道選擇最大化了太陽(yáng)能的收集，并減少了對(duì)重型星載電池的需求。為使該系統(tǒng)成為可能，必須克服以下幾項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)：

1. 打造數(shù)據(jù)中心級(jí)別的星間鏈路

大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載要求將任務(wù)分布在眾多加速器上，并通過高帶寬、低延遲的連接進(jìn)行通信。

為了提供堪比地面數(shù)據(jù)中心的性能，衛(wèi)星之間的鏈路需要支持每秒數(shù)十太比特（Tbps）的傳輸速率。

谷歌分析表明，采用「多通道密集波分復(fù)用」（DWDM）收發(fā)器和空間復(fù)用技術(shù)，這一目標(biāo)有望實(shí)現(xiàn)。

然而，要達(dá)到如此高的帶寬，所需的接收功率水平要比傳統(tǒng)遠(yuǎn)程部署高出數(shù)千倍。

由于接收功率與距離的平方成反比，可以讓衛(wèi)星以非常緊密的編隊(duì)（間距在公里級(jí)或更小）飛行來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，從而滿足鏈路預(yù)算的要求，即通信系統(tǒng)中端到端信號(hào)功率損耗的核算。

谷歌團(tuán)隊(duì)已通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證系統(tǒng)著手驗(yàn)證此方法，該系統(tǒng)使用一對(duì)收發(fā)器成功實(shí)現(xiàn)了單向800Gbps（總計(jì)1.6Tbps）的傳輸速率。

2. 控制大型、緊密集群的衛(wèi)星編隊(duì)

高帶寬星間鏈路要求衛(wèi)星以遠(yuǎn)比現(xiàn)有任何系統(tǒng)都更緊湊的編隊(duì)飛行。

為此，谷歌團(tuán)隊(duì)開發(fā)了數(shù)值和解析物理模型，來分析此類星座的軌道動(dòng)力學(xué)。

他們從希爾-克洛赫西-威爾特方程（Hill-Clohessy-Wiltshire equations）出發(fā)，采用一種近似方法，并利用一個(gè)基于JAX的可微分模型進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，以計(jì)入更多的攝動(dòng)因素。

希爾-克洛赫西-威爾特方程組在開普勒近似下，描述了衛(wèi)星相對(duì)于圓形參考軌道的運(yùn)動(dòng)

在谷歌規(guī)劃的星座高度上，地球引力場(chǎng)的非球形特性以及潛在的大氣阻力，是影響衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)最主要的非開普勒效應(yīng)。

下圖標(biāo)示了一個(gè)包含81顆衛(wèi)星的示例星座在一個(gè)完整軌道周期內(nèi)的軌跡，該星座位于軌道平面內(nèi)，平均集群高度為650公里。

集群半徑R=1公里，在地球引力影響下，次近鄰衛(wèi)星間的距離在約100-200米的范圍內(nèi)振蕩。

模型表明，在衛(wèi)星間距僅數(shù)百米的情況下，或許只需進(jìn)行適度的軌道保持機(jī)動(dòng)，即可在預(yù)期的太陽(yáng)同步軌道上維持星座的穩(wěn)定。

3. TPU 的抗輻射能力

為了讓機(jī)器學(xué)習(xí)加速器在太空中有效運(yùn)行，它們必須能夠承受低地球軌道的嚴(yán)苛環(huán)境。

谷歌在67MeV的質(zhì)子束中對(duì)谷歌的v6e云TPU——Trillium進(jìn)行了測(cè)試，以評(píng)估總電離劑量（TID）和單粒子效應(yīng)（SEE）對(duì)其造成的影響。

測(cè)試結(jié)果十分喜人。

盡管高帶寬內(nèi)存（HBM）子系統(tǒng)是最敏感的組件，但它們直到累積輻射劑量達(dá)到2 krad(Si) 時(shí)才開始出現(xiàn)異常——這幾乎是預(yù)期的（有屏蔽防護(hù)下）五年任務(wù)總劑量750 rad(Si)的三倍。

在對(duì)單個(gè)芯片高達(dá)15 krad(Si)的極限劑量測(cè)試中，沒有出現(xiàn)任何可歸因于總電離劑量的硬故障。

這表明，Trillium TPU 對(duì)于太空應(yīng)用而言，表現(xiàn)出驚人的抗輻射能力。

4. 經(jīng)濟(jì)可行性與發(fā)射成本

歷史上，高昂的發(fā)射成本一直是部署大規(guī)模天基系統(tǒng)的主要障礙。

然而，谷歌對(duì)歷史及預(yù)測(cè)的發(fā)射價(jià)格數(shù)據(jù)分析表明，只要（成本）學(xué)習(xí)率能持續(xù)下去，到2030年代中期，發(fā)射價(jià)格有望降至每公斤200美元以下。

在這一價(jià)格水平上，以「每千瓦/年」為單位計(jì)算，一個(gè)天基數(shù)據(jù)中心的發(fā)射和運(yùn)營(yíng)成本，或?qū)⑴c公開報(bào)道的同等規(guī)模地面數(shù)據(jù)中心的能源成本大致相當(dāng)。

解讀谷歌星間鏈路

大規(guī)模地面機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）集群的網(wǎng)絡(luò)需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有衛(wèi)星間鏈路（ISL）技術(shù)的能力。

例如，谷歌的TPU超級(jí)計(jì)算機(jī)采用兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。高速數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)一種定制的低延遲光學(xué)芯片間互連（ICI）每芯片吞吐量達(dá)數(shù)百吉比特每秒。

相比之下，商業(yè)可用的光學(xué)ISL提供的速率僅在1–100Gbps范圍內(nèi)。

圖中X軸（距離，單位：km）：表示光學(xué)星間鏈路（OISL）中數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，范圍從不到1公里到超過10,000公里。Y軸（帶寬，單位：Gbps）：表示不同光學(xué)系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)距離下所能實(shí)現(xiàn)的帶寬。

可以看到，距離和帶寬之間呈現(xiàn)出典型的反比關(guān)系，即隨著距離增加，帶寬會(huì)下降，這在光通信中是常見的現(xiàn)象，因?yàn)楣庑盘?hào)在傳播過程中會(huì)衰減。

像8x8空間復(fù)用這種系統(tǒng)，適用于非常短的通信距離，能夠提供較高的帶寬；而像Starlink和24路DWDM這種系統(tǒng)則適用于較長(zhǎng)距離的通信，能夠在更遠(yuǎn)的距離上傳輸大量數(shù)據(jù)。

谷歌提出的星間通信方案主要是：

• 飛行衛(wèi)星群處于近距離編隊(duì)（距離在「數(shù)百米至幾公里」量級(jí)）以大幅降低鏈路路徑損耗，從而獲得高接收功率。

• 利用自由空間光通信結(jié)合多通道密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)（類似或采用于地面數(shù)據(jù)中心的商用DWDM收發(fā)器）來實(shí)現(xiàn)每鏈路10?Tbps級(jí)別的帶寬目標(biāo)。

• 在距離極短的時(shí)候，還考慮「空間復(fù)用」多個(gè)光束共傳以進(jìn)一步提升容量。

參考資料：

https://research.google/blog/exploring-a-space-based-scalable-ai-infrastructure-system-design/

https://x.com/sundarpichai/status/1985754323813605423