AI 數據中心是否能搬移至外太空？

Wired - AI

8 天前

AI 生成摘要

生成式 AI 的龐大數據中心對地球有害。那麼把它們發射到軌道上如何？

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AI 數據中心能搬到外太空嗎？

在 AI 熱潮的推動下，世界各地正以瘋狂的速度建造數據中心。這些設施消耗的電量驚人。到 2028 年，光是 AI 伺服器消耗的能源可能就相當於美國家庭總用電量的 22%。當然，這種需求會推高所有人的電價，我們也需要更多的發電廠，這意味著全球暖化會更加嚴重。

接著是水資源問題。高密度 AI 晶片運行時產生的熱量極高，僅靠空氣冷卻是不夠的。新設施正轉向水冷技術。首選技術是水蒸發冷卻。它比循環水冷更有效且更節能，但使用這種方法的大型數據中心每天消耗數百萬加侖的水，耗盡了當地的水源供應。

因此，越來越多的城鎮抵制在其地區建設數據中心項目也就不足為奇了。但如果每個人都抱持「鄰避效應」（NIMBY，不在我後院），情況就會演變成「NOMPY」——就像是「別在我星球上，你們這些混蛋」（not on my planet, you bastards）。該怎麼辦？人們不會停止使用 AI。這就是為什麼有些人說我們應該在太空建立數據中心。

試想一下：你可以從太陽能板獲得 24 小時不間斷的能源——太空裡總是陽光普照——而且散熱問題也不再是問題，因為那裡非常寒冷。你可以在軌道數據中心進行繁重的處理，然後像衛星網路一樣將結果傳回地球。至少，理論上是這麼說的。

這真的可行嗎？還是這跟殖民火星一樣不切實際？我詢問了 Google 的 AI 概覽（AI Overview），它說：「是的，數據中心可以建在太空。」但它當然會這麼說。我想我們必須徹底反其道而行，動用一些老式的人類智慧來探討這個問題。

能量啟動

科學中一個非常重大的概念叫做能量守恆。這意味著對於任何「系統」（我們選擇的任何物體集合），進入系統的總能量等於該系統能量的變化加上離開系統的能量：

或者重新排列一下，系統能量量的任何變化都等於能量輸入與輸出的差值。這說明能量既不能被創造也不能被消滅，只能從一種形式轉換為另一種形式——就像太陽能板將光能轉換為電能。

能量以焦耳為單位，但通常討論功率會更容易。功率是單位時間（Δt）內的能量變化（ΔE），因此以焦耳每秒為單位，也就是瓦特（W）。就功率而言，能量守恆表示進入系統的功率等於離開系統的功率加上內部能量變化的功率。

例如，假設「系統」是一台配備 300 瓦電源供應器的桌上型電腦。這意味著最大功率輸入為 300 瓦。那麼系統中的能量變化呢？電腦會變熱，所以熱能會增加。但它很快就會達到穩定的運行溫度。電腦中其實沒有其他能量變化，所以所有進入的 300 瓦功率必須等於輸出的功率。

這 300 瓦的輸出去了哪裡？你的電腦有一個風扇，可以讓空氣流過處理器和 GPU。發熱組件與空氣接觸使其升溫。風扇隨後將這些空氣排出，將熱量從電腦轉移到你的房間。是的，你的電腦基本上就是一個同時能玩電動遊戲的 300 瓦電暖器。

兩種熱傳遞方式

如果兩個物體的溫度不同，熱能會從較熱的物體轉移到較冷的物體。因此，那台發熱的電腦會將能量轉移到較涼爽的空氣中。因為 CPU 和空氣分子有接觸，我們稱之為熱傳導。它的速度很快。這就是為什麼 70 華氏度（約 21 攝氏度）的泳池水感覺很冷：你浸泡在其中，它會迅速從你的身體吸收大量熱能。

但還有另一種熱傳遞方式。如果物體沒有接觸但有直接視線，就會發生輻射交互作用。這就是沒有氣流的電烤箱中發生的情況。加熱元件沒有接觸到你的披薩，但它非常燙（例如超過 1,000 華氏度），會輻射出紅外光，從而加熱你的食物。

太空中的電腦

現在，如果你把遊戲電腦放在近地軌道上會怎樣？我們要如何排走產生的廢熱？內部的風扇將毫無用處。如果沒有空氣，它們就無法讓空氣流過處理器。唯一的選擇是與周圍環境進行輻射交互作用，而輻射的效率不如傳導。

這正是人們在思考地球外運算時常出錯的地方。事實上，太空甚至稱不上「冷」。溫度是物質的一種屬性——它衡量分子的運動——而太空基本上是真空。沒有分子可以振動，它就沒有內在溫度。由於輻射是唯一的熱傳遞手段，太空中的物體冷卻速度實際上非常緩慢。

我們可以使用史蒂芬-波茲曼定律（Stefan-Boltzmann law）計算物體的熱輻射率（P）。公式如下：

這裡 ε 是物體的發射率——衡量其作為輻射體的有效程度（0 < ε < 1），σ 是史蒂芬-波茲曼常數，A 是表面積，T 是溫度（以克耳文為單位）。由於溫度是四次方，你可以看到較熱的物體比冷物體輻射出的功率要多得多。

好，假設你想在太空玩《碧血狂殺》。你的電腦會變得很熱——大約 200 華氏度（366 克耳文）。為了簡單起見，假設這是一台立方體電腦，總表面積為 1 平方公尺，且是一個完美的輻射體（ε = 1）。那麼熱輻射功率約為 1,000 瓦。當然你的電腦不是完美的輻射體，但看起來應該沒問題。只要輸出（1,000 瓦）大於輸入（300 瓦），它就會降溫。

現在假設你想運行一些適度的 AI 任務。這是一項更大的工作，所以讓我們擴大立方體電腦的規模，邊長是之前的兩倍。這會使體積增加八倍（2³），所以我們可以放置八倍數量的處理器，我們需要八倍的功率輸入——2,400 瓦。然而，表面積僅增加四倍（2²），因此輻射功率約為 4,000 瓦。你的輸出仍然大於輸入，但差距正在縮小。

規模至關重要

你可以看到趨勢。如果你繼續擴大規模，體積的增長速度會快於表面積。因此，你的太空電腦越大，冷卻就越困難。如果你想像的是一個像地球上數據中心那樣沃爾瑪大小的軌道結構，那是不可能發生的。它會融化。

當然，你可以增加外部輻射面板。國際太空站（ISS）就有這些。它們需要多大？假設你的數據中心運行功率為 1 百萬瓦（Megawatt）。（地球上現有的 AI 數據中心使用 100 到 1,000 百萬瓦。）那麼你需要至少 980 平方公尺的輻射面積。這開始變得難以收拾了。

而且，這些輻射器不像太陽能板那樣僅由電線連接。它們需要系統將熱量從處理器傳導到面板。國際太空站透過管道網絡泵送氨水來實現這一點。這意味著需要更多材料，這使得將其送入軌道的成本更加昂貴。

讓我們總結一下。儘管我們設定了有利的假設，但前景看起來並不樂觀。我們甚至還沒有考慮到太陽輻射也會加熱電腦，這將需要更多的冷卻。或者是強烈的太陽輻射可能會隨著時間損壞電子設備。而且你要如何維修？

然而，有一點很清楚：由於太空冷卻效率低下，你的「數據中心」必須是由具有更好面積體積比的小型衛星組成的集群，而不是幾個大型衛星。這正是大多數支持者（如 Google 的 Project Suncatcher）目前所建議的。伊隆·馬斯克的 SpaceX 已經向 FCC 申請許可，準備發射一百萬顆小型 AI 衛星進入軌道。

嗯。近地軌道已經擁擠不堪，有 10,000 顆活躍衛星和約 10,000 公噸的太空垃圾。碰撞的風險，甚至是災難性的凱斯勒現象（Kessler cascades），已經是現實。而我們還要增加一百倍數量的衛星？我只能說：「小心頭頂。」