Nature Nachschriften: Aufbau eines Datencenters im Weltraum mit unbegrenzter Energieversorgung. Die Zhejiang-Universität bestätigt erstmals die Machbarkeit.

Eine neue Studie von Zhejiang-Universität und der Nanyang Technischen Universität Singapur zielt darauf ab, die Machbarkeit eines raumgestützten kohlenstoffneutralen Rechenzentrums zu untersuchen. Die Weltraumumgebung bietet zwei einzigartige Vorteile: Das reichlich vorhandene Sonnenlicht kann die Rechengeräte mit sauberer und stabiler Energie versorgen, und die nahezu absolute Null des Weltraums bietet ideale Bedingungen für die Abfuhr der Abwärme der Server. Wir schlagen zwei Implementierungsansätze vor: Erstens die Integration von KI-Acceleratoren in Fernerkundungssatelliten, um ein "Orbit-Edge-Rechenzentrum" zu schaffen, das die Daten direkt an der Quelle verarbeiten kann. Zweitens die Gründung eines Rechensatelliten-Konstellations, um ein "Orbit-Cloud-Rechenzentrum" zu bilden, das sowohl in der Lage ist, Weltraumdaten zu verarbeiten als auch terrestrische Rechenaufträge zu übernehmen. Gleichzeitig haben wir auch ein Bewertungssystem für die Kohlenstoffeffizienz eines Weltraum-Cloud-Rechenzentrums über seinen gesamten Lebenszyklus entwickelt.

Raumfahrttechnologie und Informationstechnologie sind zunehmend mit Nachhaltigkeitsbelastungen konfrontiert.

Einerseits wird die erdnahe Umlaufbahn schnell von großen Satellitenkonstellationen besetzt. Diese Satelliten generieren in den Bereichen Kommunikation, Fernerkundung und Wetterüberwachung ständig riesige Mengen an "Weltraum-Eigen-Daten", deren Größe pro Satellit und Tag mehrere Dezens von Terabyte (TB) erreichen kann.

Andererseits treibt die rasante Entwicklung von Technologien wie Künstlicher Intelligenz (KI) und Hochleistungsrechnen (HPC) weltweit den Bau von energieintensiven Rechenzentren an, was zu einem starken Anstieg des Stromverbrauchs und des Kohlenstoffausstoßes führt.

Das traditionelle "Bogenrohr"-Verarbeitungsmodell, bei dem alle Weltraumdaten auf die Erde übertragen und in terrestrischen Rechenzentren verarbeitet werden, bringt nicht nur eine erhebliche Kommunikationsverzögerung mit sich, was für Anwendungen mit hoher Echtzeitanforderung wie Katastrophenreaktionen nachteilig ist. Noch wichtiger ist, dass es die bereits hohe Energie- und Umweltbelastung der terrestrischen Rechenzentren weiter verschärft.

Daher ist es von entscheidender Bedeutung, eine neue Architektur für Recheninfrastrukturen zu erforschen, die die Daten direkt an der Quelle verarbeiten und den Kohlenstoffausstoß grundlegend reduzieren kann.

Die Zhejiang-Universität hat erstmals systematisch einen vollständigen technischen Rahmen und ein Bewertungssystem für die Errichtung eines kohlenstoffneutralen Rechenzentrums im Weltraum vorgeschlagen, um den gleichzeitigen Herausforderungen des explosionsartigen Wachstums der erdnahen Umlaufbahndaten und des hohen Kohlenstoffausstoßes der terrestrischen Rechenzentren zu begegnen.

Link zur Studie: https://www.nature.com/articles/s41928-025-01476-1

Die Machbarkeit dieses technischen Rahmens basiert auf zwei nachhaltigen Vorteilen, die die einzigartige physikalische Weltraumumgebung bietet.

Zunächst gibt es die nahezu unbegrenzten Sonnenenergieressourcen. Die Sonnenlichtdichte in der Erdumlaufbahn ist viel höher als auf der Erdoberfläche und wird nicht stark von Wetter und Tag-Nacht-Zyklus beeinflusst. Dadurch können effiziente Sonnenkollektoren die energieintensiven Rechengeräte kontinuierlich, stabil und kohlenstoffneutral mit Strom versorgen.

Zweitens gibt es die extremen Kühlbedingungen. Der Weltraum mit nahezu absoluter Null (etwa -270°C) bildet eine natürliche riesige Wärmesenke. Dadurch kann die Abwärme der Rechengeräte über Strahlungskühlung direkt in den Weltraum abgeleitet werden, wodurch die Abhängigkeit von komplexen, energie- und wasserintensiven Kühlsystemen (wie Kühltürmen und Kältemaschinen) in terrestrischen Rechenzentren vollständig beseitigt wird. Dies ermöglicht "null Wasserverbrauch", "null Energieverbrauch" und "null Kohlenstoffausstoß" bei der Wärmeabfuhr der Rechengeräte.

Der Kernrahmen

Der Kernbeitrag dieser Studie liegt in der Entwicklung eines hierarchischen "Orbit-Rechenzentrum"-Technikrahmens, der aus zwei sich ergänzenden Teilen besteht.

Orbit-Edge-Rechenzentrum

Dieser Rahmen zielt darauf ab, bestehende Datenerfassungssatelliten zu Rechenknoten mit intelligenter Datenverarbeitungskapazität auf dem Satelliten zu verbessern.

Der technische Ansatz besteht darin, auf der Satellitenplattform Datenaufnehmer (wie hochauflösende Kameras), auf bestimmte Bereiche optimierte KI-Acceleratoren (wie VPU, NPU, GPU, FPGA usw.), eine ausreichend große Sonnenkollektorfläche sowie ein effizientes Wärmemanagementsystem für die Weltraumumgebung (wie Strahlungskühler) hochintegriert anzuordnen.

Der Kernwert liegt in der "On-Orbit-Informationsextraktion", d. h. die meisten Rechen- und Analyseaufgaben werden direkt an der Datenquelle durchgeführt. Nur die gefilterten und verarbeiteten hochwertigen, aber niedervolumigen Informationsprodukte (wie Erkennungsergebnisse und Merkmalsparameter) werden auf die Erde übertragen. Dadurch wird der Druck auf die knappen Downlink-Bandbreiten erheblich reduziert und die Datenübertragungsverzögerung minimiert.

Orbit-Cloud-Rechenzentrum

Dieser Rahmen stellt die Vorstellung einer noch größeren verteilten Orbit-Rechensatellitenkonstellation dar.

Es besteht aus einer Satellitenkonstellation in der erdnahen Umlaufbahn. Jeder Rechensatellit ist im Wesentlichen ein "Weltraumserver", der mehrere Hochleistungs-Allzweckserver (einschließlich CPU, GPU, Arbeitsspeicher, Speicher und Betriebssystem usw.) und Hochgeschwindigkeits-Breitbandkommunikationsfunktionen aufweist.

Eine solche Orbit-Cloud-Plattform hat zwei Dienstleistungsfähigkeiten:

Erstens kann es als aggregierter Rechenkapazitätspool fungieren, um komplexe Rechenaufgaben (wie die Fusion und Analyse von großen Mengen von multisensorischen Fernerkundungsdaten) aus den einzelnen Orbit-Edge-Rechenzentren zu verarbeiten, die über deren eigene Verarbeitungsfähigkeiten hinausgehen.

Zweitens kann es als kohlenstoffneutraler Outsourcing-Rechenplatz für terrestrische Rechenaufgaben dienen. Benutzer können über ein "Kohlenstoff-sensitives" intelligentes Scheduling-System dynamisch entscheiden, ob die Rechenaufgaben an das Orbit-Cloud-Rechenzentrum mit niedrigerem Kohlenstoffausstoß oder an ein terrestrisches Cloud-Rechenzentrum in einer bestimmten Region übertragen werden sollen, um die globale Kohlenstoffeffizienz zu optimieren.

Neuerungsbewertung: Das Modell für die Kohlenstoffnutzungseffizienz über den gesamten Lebenszyklus

Um die Umweltauswirkungen des Orbit-Rechenzentrums wissenschaftlich und fair zu bewerten und die Einseitigkeit zu vermeiden, die nur auf den Kohlenstoffausstoß während der Betriebsphase abzielt, hat das Forschungsunternehmen innovativ den Bewertungsindikator "Kohlenstoffnutzungseffizienz über den gesamten Lebenszyklus" vorgeschlagen.

Dieses Modell erweitert die Bewertungsgrenze auf die gesamte Wertschöpfungskette, einschließlich der Herstellung der Rechensatelliten und der Trägerraketen, des Raketenstarts, des Betriebs im Orbit (mit null Kohlenstoffintensität des Stroms) sowie der Entsorgung am Ende der Lebensdauer.

Erste Modellierungsanalysen mit diesem Modell zeigen, dass obwohl das Orbit-Rechenzentrum in den Herstellungs- und Startphasen einen erheblichen "einmaligen" Kohlenstoffausstoß verursacht, es aufgrund seiner kontinuierlichen kohlenstoffneutralen Vorteile während des Betriebs im Orbit von der Perspektive des gesamten Lebenszyklus die Kohlenstoffeffizienz von terrestrischen Rechenzentren, die an ein Netz mit mittlerer Kohlenstoffintensität angeschlossen sind, übertreffen und allmählich das Niveau fortschrittlicher terrestrischer Rechenzentren erreichen kann, die vollständig von erneuerbaren Energiequellen versorgt werden.

Herausforderungen und Ausblick: Technologische Durchbrüche und neues Paradigma für zukünftige grüne Rechenleistung

Die Studie analysiert auch objektiv die technologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen, die bei der Umsetzung dieses Konzepts auftreten.

Der wichtigste technologische Engpass ist die Weltraumstrahlung, die eine ernsthafte Bedrohung für die Zuverlässigkeit kommerzieller Hochleistungs-Server darstellt. Die zukünftige Entwicklung hängt von der Reife von Strahlungsschutztechnologien für Weltraum-Rechenzentren ab, was jedoch möglicherweise die Kosten, Komplexität und den Energieverbrauch des Systems erhöht.

Zweitens gibt es die wirtschaftliche Machbarkeit. Die Kosten für Satellitenplattformen, Hochleistungs-Server und Startdienste sind immer noch sehr hoch. Obwohl im Rahmen vorgesehen ist, dass die Rechensatelliten Breitbandkommunikationsfähigkeiten haben, um die Kosteneffizienz zu verbessern, bleibt die hohe anfängliche Kapitalinvestition der Haupthemmnis für die Massenimplementierung.

Trotzdem hat die kleine Skala des Orbit-Edge-Rechenens bereits die Phase der technologischen Validierung und ersten kommerziellen Erkundung erreicht, was auf einen machbaren technologischen Weg hinweist.

Das Orbit-Cloud-Rechenzentrum als transformierendes langfristiges Ziel hat das Potenzial, die kooperative Entwicklung von Weltraumenergie-, Wärmeverwaltung-, Kommunikations- und Hochleistungsrechnetechnologien in extremen Umgebungen anzutreiben und eine solide Grundlage für die Schaffung einer globalen, niedrigverzögerten und umweltfreundlichen nächsten Generation von grünen Recheninfrastrukturen zu legen.

Zusammenfassung

Dieser in Nature Electronics veröffentlichte Artikel ist von großer Bedeutung, da er über die Diskussion einer einzelnen Technologie hinausgeht und erstmals systematisch das komplette Architekturkonzept der Weltraum-basierten Recheninfrastruktur skizziert und ein dazu passendes Bewertungssystem für die Umweltauswirkungen über den gesamten Lebenszyklus entwickelt hat.

Er bietet nicht nur innovative Lösungen für die effiziente Verarbeitung der zunehmenden Weltraumdaten, sondern auch eine vorausschauende Idee, um das Problem des hohen Kohlenstoffausstoßes der terrestrischen Rechenzentren grundlegend zu lösen. Dies weist einen wichtigen Weg für die zukünftige Entwicklung von nachhaltigen Rechentechnologien.

Erster Autor

Der erste Autor und Mitkorrespondenzautor ist Ablimit Aili, Dr. rer. nat., der seit Juni 2024 als Gastwissenschaftler am Yangtse-Delta-Intelligent-Oase-Innovationszentrum der Zhejiang-Universität tätig ist. Er hat 2021 einen Doktorgrad in Maschinenbau an der Universität von Colorado (Boulder) in den USA erhalten (2017 - 2021) und wurde anschließend als "President's Postdoctoral Fellow" an der Nanyang Technischen Universität Singapur ausgewählt (2022 - 2024). Im Jahr 2024 wurde er in das Talent-Einwanderungsprogramm der Provinz Zhejiang aufgenommen. Seine Forschungsgebiete umfassen Ingenieurwärmephysik, grüne Rechenzentren, grüne Gebäude und intelligente Mikrogitter.

Professor Yonggang Wen, der stellvertretende Vizepräsident der Nanyang Technischen Universität Singapur, ist Mitkorrespondenzautor.

Referenzen

https://www.nature.com/articles/s41928-025-01476-1

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Account "New Intelligence Yuan" und wurde von 36Kr mit Genehmigung veröffentlicht.