Elon Musk: Skalierung von Starlink V3 und Einstieg in die Welt der Weltraum-Rechenleistung

In letzter Zeit hat Elon Musk auf X angekündigt, dass SpaceX die Anzahl der Starlink-V3-Satelliten erhöhen und damit beginnen wird, Rechenzentren im Weltraum aufzubauen, um dem Mangel an Rechenkapazität in der Ära der Künstlichen Intelligenz entgegenzuwirken.

Was? Soll die Rechenkapazität wirklich in den Weltraum gehen?

Heute wollen wir über das Thema „Weltraumrechenkapazität“ sprechen. Wie immer nutzen wir AlphaEngine für die Analyse.

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Musks Vision: Erweiterung der V3-Satellitenflotte und Einstieg in die Weltraumrechenkapazität

Mit dem starken Anstieg des Bedarfs an Rechenkapazität in der Künstlichen Intelligenz wächst auch das Interesse an Weltraumrechenzentren (Space-based Data Centers) rapide.

Im Mai dieses Jahres übernahm Eric Schmidt, der ehemalige CEO von Google, die Leitung von Relativity Space und hat sich damit auf das Gebiet der Weltraumrechenkapazität konzentriert.

Im Oktober hat Jeff Bezos, der Gründer von Amazon, öffentlich erklärt, dass innerhalb der nächsten 10 bis 20 Jahre Gigawatt-Rechenzentren im Weltraum gebaut werden sollen.

Vor kurzem berichtete die Technologiezeitschrift Ars über die Möglichkeit, mit autonomer Montagetechnik große Rechenzentren im Weltraum aufzubauen. Musk reagierte darauf auf der sozialen Plattform X und erklärte, dass die Starlink-Satelliten für diesen Zweck genutzt werden könnten.

Er schrieb auf X: „Es reicht, die Anzahl der Starlink-V3-Satelliten zu erhöhen. Diese Satelliten sind mit Hochgeschwindigkeits-Laserverbindungen ausgestattet, und SpaceX wird diesen Plan vorantreiben.“

Musks Interesse an Weltraumrechenkapazität hat die Aufmerksamkeit auf diese aufstrebende Branche stark erhöht.

Die derzeitigen Starlink-V2-Mini-Satelliten von SpaceX haben eine maximale Downloadkapazität von etwa 100 Gbps, während die Kapazität der V3-Satelliten voraussichtlich um das Zehnfache auf 1 Tbps steigen wird.

SpaceX plant, mit dem Starship jeweils mehrere Dutzend Starlink-V3-Satelliten in den Weltraum zu bringen. Die ersten Startversuche könnten bereits im ersten Halbjahr 2026 stattfinden.

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Der einzigartige Wert von Weltraumrechenzentren

Weltraumrechenzentren sind modulare Recheninfrastrukturen, die in der Erdumlaufbahn platziert werden. Im Wesentlichen handelt es sich um die Verlagerung von Rechenzentren aus der Erde in den Weltraum.

Durch die Installation von Hochleistungsrechenmodulen sollen diese Zentren das Konzept des „Rechen im Weltraum“ umsetzen, d. h. die Verarbeitung von Daten direkt in der Umlaufbahn. Dadurch können die physikalischen Beschränkungen von Rechenzentren auf der Erde, die durch Energie- und Landressourcen bedingt sind, überwunden werden.

Angesichts der Prognose, dass der Strombedarf von globalen AIDC-Systemen bis 2030 auf 347 GW steigen wird, bieten Weltraumrechenzentren einzigartige Vorteile.

In Bezug auf den Energieverbrauch können Weltraumrechenzentren durch die Installation von effizienten Solarmodulen Sonnenenergie nutzen. Die Stromerzeugung pro Flächeneinheit ist fünfmal höher als auf der Erde, was eine autarke Energieversorgung in der Umlaufbahn ermöglicht und die Abhängigkeit von Erdnetzen beseitigt.

Beim Kühlungssystem können Weltraumrechenzentren die extreme Kälte (-270 Grad Celsius) und das Vakuum auf der sonnenabgewandten Seite des Weltraums nutzen. Die Kühlleistung ist dreimal höher als auf der Erde, und es wird kein kostbares Wasser benötigt. Dadurch wird das Problem der Kühlung von Rechenzentren auf der Erde, das nahe an seine physikalischen Grenzen gelangt ist, grundlegend gelöst.

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Von „Erfassung im Weltraum, Verarbeitung auf der Erde“ zu „Verarbeitung im Weltraum“

Weltraumrechenzentren revolutionieren den traditionellen Datenverarbeitungsprozess durch das Konzept des „Verarbeitung in der Umlaufbahn und bedarfsorientierter Datenübertragung auf die Erde“.

In der herkömmlichen Methode müssen alle Rohdaten, die von Satelliten erfasst werden, auf die Erde zurückgesendet werden. Dies ist jedoch aufgrund der begrenzten Kommunikationsbandbreite zwischen Satelliten und Erde ineffizient und kostspielig, was zu einer Anhäufung oder einem Verlust von Daten führt.

Weltraumrechenzentren können Daten direkt in der Umlaufbahn reinigen, analysieren und intelligente Informationen extrahieren. Nur die wertvollsten Analyseergebnisse und Entscheidungsinformationen werden auf die Erde übertragen, was das Konzept des „Rechen im Weltraum“ realisiert.

Das von Starcloud geplante erste KI-Satellit ist ein gutes Beispiel. Es wird mit einem H100-Chip ausgestattet sein und soll die täglich von Raumfahrzeugen und Raumstationen erzeugten Terabyte an Rohdaten verarbeiten.

Der Satellit kann Satellitendaten in Echtzeit analysieren, einschließlich der Analyse von Synthetischer-Apertur-Radar-Daten und der Verarbeitung von Tiefenraumsignalen. Dies umgeht direkt die Probleme der Datenübertragung auf der Erde.

Das „Trisolaris Computing Constellation“ des Zhijiang Lab konzentriert sich ebenfalls auf Weltraumrechnen. Es besteht aus 12 Rechensatelliten, die nicht nur untereinander verbunden sind, sondern auch über eine vollständige Rechenkapazität in der Umlaufbahn verfügen.

Ein einzelner Satellit kann eine Rechenleistung von 744 TOPS (Trillion Operations Per Second) erreichen, und die Laserkommunikationsrate zwischen den Satelliten kann bis zu 100 Gbps betragen. Dies kann die Anforderungen von Anwendungen wie Katastrophenüberwachung und Wettervorhersage, die eine hohe Echtzeitfähigkeit erfordern, effizient unterstützen.

Abbildung: Startplan des Trisolaris Computing Constellation, Minsheng Securities, AlphaEngine

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Weltraumrechenzentren vs. traditionelle Rechenzentren auf der Erde

Weltraumrechenzentren bieten in Bezug auf die technische Architektur, die Kostenstruktur, die Installationsmethode, die Energieeffizienz und die Skalierbarkeit deutliche Vorteile gegenüber traditionellen Rechenzentren auf der Erde.

Abbildung: Stärken und Schwächen von Weltraumrechenzentren, AlphaEngine

Besonders in Bezug auf die Kostenstruktur haben Weltraumrechenzentren deutliche Vorteile.

Um ein 40-Megawatt-Rechenzentrum über 10 Jahre zu betreiben, würde die Betriebskosten eines traditionellen Rechenzentrums etwa 167 Millionen US-Dollar betragen, darunter 140 Millionen US-Dollar für Energieverbrauch und etwa 7 Millionen US-Dollar für Kühlung.

Um dasselbe Ziel mit Weltraumrechenzentren zu erreichen, werden die Gesamtkosten auf etwa 8,2 Millionen US-Dollar geschätzt.

Der größte Kostenfaktor ist die „einmalige Startkosten“ von etwa 5 Millionen US-Dollar, gefolgt von den Kosten für die Solarmodule von etwa 2 Millionen US-Dollar. Die Energieversorgung erfolgt hauptsächlich durch Sonnenenergie, so dass die Energiekosten nahezu Null sind.

Abbildung: Kostenstruktur von Weltraumrechenzentren, StarCloud, AlphaEngine

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Von der Phantasie zur industriellen Umsetzung: Fünf technische Herausforderungen der Weltraumrechenkapazität

Einige Kritiker halten Weltraumrechenzentren für eine Utopie, da die technischen Anforderungen zu hoch seien. Ist das wirklich so? Lassen Sie uns die derzeitigen technischen Probleme betrachten.

Erstens: Die Herausforderung der Strahlenschutz und der Hardwarezuverlässigkeit.

Die extreme Strahlungsumgebung im Weltraum stellt eine direkte Bedrohung für Rechenhardware dar.

Rechenknoten in der Erdumlaufbahn müssen mit kosmischen Strahlen, Single-Event-Upsets (SEU) und Single-Event-Latchups (SEL) umgehen, die zu logischen Fehlern oder dauerhaften Schäden an Chips führen können.

Deshalb müssen bei der Konstruktion von Weltraumrechenzentren militärisch gehärtete Elektronikgeräte oder redundante Backup-Systeme eingesetzt werden. Beispielsweise versucht Axiom Space, militärisch gehärtete Geräte gegen Strahlungseinflüsse zu verwenden, und Lonestar untersucht die Möglichkeit, zukünftige Mondrechenzentren in unterirdischen Lavahöhlen zu platzieren.

Zusätzlich müssen mehrere Rechenmodule als Backup installiert werden, um die Hardware-Redundanz zu erhöhen und das Risiko von Ausfällen zu verringern.

Zweitens: Die Gestaltung des Kühlungssystems.

Obwohl das Vakuum im Weltraum eine effiziente Strahlungskühlung ermöglicht, bleibt die Wärmeverwaltung von Hochleistungs-Chips (z. B. GPU) eine Herausforderung.

Im Vakuum kann keine Luftkonvektion zur Kühlung genutzt werden. Stattdessen müssen Wärmerohre oder Flüssigkeitskreisläufe eingesetzt werden, um die Wärme auf Kühlplatten zu übertragen, die dann die Wärme durch Infrarotstrahlung abgeben.

Beispielsweise muss das hochleistungsfähige Satellit von Starcloud ein Mischsystem aus Flüssigkeitskühlung und großen Kühlflügeln verwenden.

Allerdings erfordert die Kühlung von Hochleistungsgeräten (z. B. KI-Chips) größere Kühlplatten, was das Gewicht des Satelliten erhöht und somit die Startkosten steigert.

Drittens: Die Stabilität der Energieversorgung.

Obwohl die Effizienz der Sonnenenergie im Weltraum zwei- bis dreimal höher ist als auf der Erde, bleibt das Problem der „Stromversorgung in der Schattenzone“ bestehen.

Satelliten müssen in der Schattenzone der Umlaufbahn auf Energiespeicherbatterien zurückgreifen. Die Kapazität und die Lebensdauer der Speichersysteme sind die entscheidenden Faktoren.

Um dieses Problem zu lösen, plant Starcloud, ein 5 km x 4 km großes Solarmodul-Array aufzubauen. Die Installation eines solchen großen Arrays erfordert die Überwindung von technischen Herausforderungen bei der Montage im Weltraum.

Abbildung: Schematische Darstellung einer Sonnenufer-Umlaufbahn (ganzjährig entlang der Dämmerungslinie)

Viertens: Die Kommunikationsengpässe und die autonome Wartung.

Die Kommunikation zwischen Satelliten und zwischen Satelliten und Erde ist mit Verzögerungen verbunden. Obwohl Laserkommunikation eingesetzt wird, um die Verzögerungen zu verringern (z. B. die Laserverbindungen zwischen Starcloud und Starlink), müssen immer noch die Probleme der atmosphärischen Störungen und der Signalschwächung über lange Entfernungen überwunden werden.

Darüber hinaus müssen Weltraumrechenzentren langfristig ohne menschliche Wartung betrieben werden. Deshalb müssen leichte, containerisierte Softwareplattformen entwickelt werden, die autonom