Große KI-Modelle in Satelliten einbauen: Ist das ein echter vielversprechender Trend in der kommerziellen Raumfahrt oder nur eine weitere Kapitalgeschichte?

In letzter Zeit macht eine extrem reizvoll klingende Geschichte in der Szene der kommerziellen Raumfahrt und KI-Risikokapitals die Runde:

Die irdischen KI-Rechenzentren erschöpfen allmählich die Stromnetze, während der Weltraum nicht nur unerschöpfliche 24-Stunden-Solarenergie, sondern auch eine natürliche extrem kalte Umgebung von minus 270 Grad Celsius bietet. Wenn man Server in den Weltraum verlegt, spart man sogar Strom- und Klimaanlagenkosten.

Unter dem Einfluss dieser Erzählung starten im In- und Ausland massenhaft Rechenleistungssatelliten in ihre Umlaufbahnen. Von der "Pazhou Space Intelligent Computing Satellite Group" über das "Star Computing"-Programm von Guoxing Aerospace bis hin zu den orbitalen Rechenzentren von SpaceX und Starcloud ist "Strom aus dem Weltraum beziehen, Daten im Weltraum verarbeiten" zum neuesten Konsens der Kapitalgeber geworden.

Aber wenn Sie leitende Satelliten-Gesamtdesigner oder Wärmesteuerungsingenieure fragen, werden sie Ihnen sagen: Die Behauptung über die Stromversorgung in der ersten Hälfte ist richtig, aber die allgemeine Annahme über die Wärmeabfuhr in der zweiten Hälfte ist völlig falsch.

Wenn die globale kommerzielle Raumfahrt massenhaft GPUs in den Weltraum bringt, müssen wir zuerst die Hülle der Konzepte abziehen, die physikalischen Grenzen der Weltraumrechenleistung klar berechnen, die völlig unterschiedlichen kommerziellen Wege zwischen China und den USA vergleichen und herausfinden, wie die empfindlichen KI-Chips im Weltraum überleben können.

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Die Vorteile der Dämmerungsumlaufbahn und die Lüge der "natürlichen Wärmeabfuhr im Weltraum"

Um KI-Chips mit hohem Stromverbrauch in den Weltraum zu befördern, müssen zuerst die Probleme der Stromversorgung und Wärmeabfuhr gelöst werden. Genau hier zeigt sich der deutlichste Wendepunkt in der kommerziellen Raumfahrt.

Wenn man sich die Satelliten der 02. Gruppe des "Star Computing"-Programms von Guoxing Aerospace ansieht, die kürzlich ihre erste Vernetzung abgeschlossen haben, entdeckt man einen wichtigen Umlaufbahnparameter: Diese Satelliten fliegen auf einer Dämmerungs-Sonnensynchronbahn (Dawn-Dusk SSO).

Gewöhnliche Satelliten in niedriger Umlaufbahn fliegen bei jeder Erdumrundung (ca. 90 Minuten) etwa ein Drittel der Zeit in den Schattenbereich der Erde. Sobald sie in den Schatten gelangen, fallen die Solarpaneele sofort aus, und die Satelliten können nur auf schwere Lithiumbatterien zurückgreifen, was nicht ausreicht, um Rechenkarten mit hohem Stromverbrauch zu betreiben.

Die Dämmerungsumlaufbahn hingegen ist eine spezielle Umlaufbahn, die entlang der Trennlinie zwischen Tag und Nacht der Erde verläuft. Die Solarpaneele der Satelliten können fast 365 Tage im Jahr 24 Stunden lang direkt zur Sonne zeigen. Außerhalb der Atmosphäre beträgt die Solarkonstante bis zu 1361 Watt pro Quadratmeter, ohne Dämpfung durch Wolken, und die Stromerzeugungseffizienz ist mehrmals so hoch wie auf der Erde. Die Besetzung der Dämmerungsumlaufbahn verschafft den Satelliten tatsächlich einen fast unbegrenzten Zugang zu kostenloser Elektrizität.

Aber wo die Elektrizität hereinkommt – wie wird die Wärme abgeführt?

Die Logik, die manche Leute am liebsten vertreten, lautet: Die Hintergrundtemperatur des Weltraums liegt nahe bei minus 270 Grad Celsius (ca. 3 Kelvin), also ist der Weltraum von Natur aus ein großer Kühlschrank. Das ist jedoch ein grundlegender physikalischer Fehler. Der Weltraum ist kein Kühlschrank, sondern ein riesiger vakuumisolierter Thermobecher.

In irdischen Rechenzentren wird die Wärme schnell abgeführt, indem Lüfter verwendet werden (Wärmekonvektion) oder kaltes Wasser durch Rohre direkt an den Chips vorbeifließt (Wärmeleitung). Aber im Hochvakuum des Weltraums gibt es kein Luftmedium, sodass Wärmekonvektion und Wärmeleitung vollständig versagen. Für die Wärmeabfuhr von Satelliten gibt es nur einen einzigen Weg: Wärmestrahlung.

Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ist die Leistung der Wärmeabstrahlung eines Körpers proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur. Bei der zulässigen Höchsttemperatur für den normalen Betrieb von Chips (60℃ bis 80℃) ist die Effizienz der weltraumtauglichen Strahlungskühlplatte tatsächlich sehr gering: Pro Quadratmeter der schattigen Kühlfläche können nur wenige hundert Watt Wärme abgeführt werden.

Nehmen wir an, ein Standard-KI-Server mit 8 H100-GPUs in einem irdischen Rechenzentrum hat eine volle Auslastungsleistung von etwa 10 Kilowatt.

Wenn man diesen Server unverändert in den Weltraum verlegt, muss man – selbst ohne Berücksichtigung der externen Wärmeströme durch direkte Sonneneinstrahlung und Infrarot-Reflexion der Erde – Dutzende Quadratmeter große riesige Strahlungskühlflügel außerhalb des Satelliten ausklappen, die mit komplexen zweiphasigen Fluidkreisläufen und Phasenwechsel-Wärmerohren bedeckt sind, nur um diese 10 Kilowatt Abwärme durch Strahlung abzuführen.

Jensen Huang, CEO von NVIDIA, hat die größten technischen Engpässe von Weltraum-Rechenzentren scharf benannt: Die größte Herausforderung für Weltraum-Rechenleistung liegt in der Kühlung. Die riesigen Kühlmechanismen lassen das Gewicht, das Volumen und die Kosten für die Lagesteuerung der Satelliten exponentiell ansteigen. Bei den derzeit im Orbit befindlichen Rechenleistungssatelliten liegt die Leistungsaufnahme pro Satellit größtenteils noch im Bereich von einigen hundert Watt bis ein bis zwei Kilowatt, also weniger als die Leistung von einem halben Rack in einem irdischen Rechenzentrum.

Bis die Kühlprobleme vollständig gelöst sind, bleiben "große Weltraum-Rechenzentren" nur auf dem Papier.

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90 % der Satelliten laufen im Leerlauf – China und die USA befinden sich nicht einmal auf der gleichen Wettbewerbsbahn

Wenn die Wärmeabfuhr im Weltraum so teuer ist, warum beeilen sich dann chinesische und US-amerikanische Unternehmen der kommerziellen Raumfahrt, Rechenleistung in den Weltraum zu befördern?

Viele Leute verwechseln das "Orbital-Rechenzentrum" von Elon Musk mit dem "Daten im Weltraum verarbeiten"-Konzept chinesischer Unternehmen. Tatsächlich berechnen die Unternehmen auf beiden Seiten des Pazifiks völlig unterschiedliche wirtschaftliche Rechnungen.

Der Weg der USA ist "Strom aus dem Weltraum beziehen", im Wesentlichen eine Energiearbitrage.

Die Erweiterungsgeschwindigkeit des nordamerikanischen irdischen Stromnetzes kann nicht mit dem steigenden Bedarf der KI-Rechenzentren Schritt halten.

Nach der Fusion von SpaceX und xAI hat das Unternehmen direkt bei der US-amerikanischen Federal Communications Commission (FCC) einen Antrag auf bis zu 1 Million Satelliten für orbitalen Rechenzentren eingereicht und in Texas mit dem Bau der Gigasat-Fabrik begonnen.

Das von YC geförderte Weltraum-Rechenleistungs-Unicorn-Unternehmen Starcloud geht noch weiter: Es hat nicht nur den ersten NVIDIA H100-Chip in den Weltraum gebracht, um Modelltrainings durchzuführen, sondern auch mehr als 50 Starlink-Mini-Laserkommunikations-Endgeräte bei SpaceX bestellt.

Ihre Rechnung lautet: Wenn auf der Erde keine Transformatoren und Stromnetzkontingente genehmigt werden, verlegen sie die Rechencluster einfach auf die Dämmerungsumlaufbahn, um die Vorteile der rund um die Uhr verfügbaren Solarenergie zu nutzen und reine "Weltraum-Cloud-Rechenleistungsvermietung" anzubieten.

Bei der aktuellen Welle von chinesischen kommerziellen Raumfahrt-Projekten, die Rechenleistung in den Weltraum befördern, handelt es sich hingegen um "weltraumbasierte Edge-Computing", das die Bandbreitenprobleme von Fernerkundungssatelliten lösen soll.

Lu Jianhua, Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Professor an der Tsinghua-Universität, hat zuvor eine schmerzhafte Wahrheit der Branche offengelegt: 90 % der chinesischen Fernerkundungssatelliten laufen im Weltraum im Leerlauf.

Wang Shangguang, Dekan der Fakultät für Informatik der Beijing University of Posts and Telecommunications und Chefwissenschaftler des TianSuan Constellation, lieferte weitere alarmierende Daten: Nur weniger als 10 % der nutzbaren Daten eines voll ausgelasteten Fernerkundungssatelliten werden schließlich erfolgreich zur Erde zurückübertragen.

In den letzten zehn Jahren hat die chinesische kommerzielle Raumfahrt eine große Anzahl von Fernerkundungssatelliten gestartet, aber die meisten befinden sich noch im Stadium von "digitalkameras, die am Himmel hängen". Der traditionelle Arbeitsablauf lautet: "Aufnahmen im Weltraum machen, bei Vorbeiflug an der Bodenstation übertragen, auf der Erde zu Karten zusammenfügen und analysieren". Dabei gibt es zwei unüberwindbare Probleme:

Erstens ist die Ausschussrate extrem hoch. Mehr als 50 % der Erdoberfläche sind dauerhaft von Wolken bedeckt. Bei den riesigen Mengen an Rohbildern, die von optischen Satelliten aufgenommen werden, handelt es sich bei mehr als der Hälfte um wertlose Wolken.

Aber traditionelle Satelliten haben kein "Gehirn": Sie können nicht unterscheiden, welche Aufnahme Wolken und welche das Ziel zeigt. Sie speichern Hunderte von GB an nutzlosen Aufnahmen auf der Festplatte des Satelliten und warten auf das nur wenige Minuten lange Zeitfenster, wenn sie über der Bodenstation vorbeifliegen, um die Daten über die extrem teure Satelliten-Boden-Funkbandbreite zwangsweise zu übertragen.

Zweitens ist die Aktualität gleich Null. Bei Szenarien wie Waldbränden, Dammbrüchen bei Überschwemmungen oder Ölverschmutzungen auf See kann eine Verzögerung von nur einer Stunde dazu führen, dass sich die Anzahl der zu evakuierenden Menschen und die Fläche des verbrannten Waldes drastisch vergrößern.

Bis der Satellit die Aufnahmen gemacht hat, eine halbe Erdumrundung vollzogen hat, um eine Bodenstation für die Übertragung zu finden, und die Daten von dem irdischen Rechenzentrum verarbeitet und an die Einsatzkräfte übermittelt werden, vergehen oft mehrere Tage – das goldene Rettungsfenster ist längst geschlossen.

Das chinesische Konzept "Daten im Weltraum verarbeiten" zielt darauf ab, die Datenbereinigung direkt im Weltraum vorzuziehen.

Wenn der Satellit 1 TB an rohen Fernerkundungsbildern aufnimmt, entfernt das großmodell an Bord des Satelliten sofort die nutzlosen Aufnahmen mit Wolkenabdeckung, erkennt die Koordinaten von Waldbränden oder die Spuren von Schiffen und überträgt schließlich nur 1 KB an "Ergebnisanweisungen" über ein Schmalband zur Erde. Statt "rohe Daten zu übertragen" wird direkt "das Ergebnis geliefert": Die Datenmenge wird um hundert Millionen Mal komprimiert, und die Antwortzeit wird von Tagen auf Sekunden reduziert.

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Zwei divergierende Wege im Inland: "Gehirn bauen" und "Vernetzung"

Eingeschränkt durch die Wärmeabfuhr und das Volumen eines einzelnen Satelliten kann keine zu große Rechenleistung im Weltraum untergebracht werden. Angesichts dieses physikalischen Zwangs haben die derzeit führenden Akteure im Inland zwei völlig unterschiedliche technische Lösungen entwickelt.

Der erste Weg wird von der algorithmusorientierten Gruppe vertreten, die von der "Pazhou Space Intelligent Computing Satellite Group" angeführt wird, deren Kernkonzept "Gehirn bauen" lautet.

Der treibende Kraft hinter dieser Satellitengruppe ist Yusuan Xinghe, gegründet von Wang Kai, einem Absolventen der Tsinghua-Universität und Doktor des California Institute of Technology.

Dieses Unternehmen hat ursprünglich Wurzeln in KI-Algorithmen und intelligenter Verkehrstechnik. Sein Ansatz lautet: Da die Rechenleistung eines einzelnen Satelliten begrenzt ist, muss man nicht hart an der Hardware schrauben, sondern ein software-hardware-integriertes "weltraumbasiertes Weltmodell" entwickeln. Durch extrem effiziente Modellquantisierung und -beschneidung wird ein multimodales großes Modell in den leistungsbegrenzten Chip an Bord des Satelliten eingebaut.

Im Geschäftsmodell überspringen sie das traditionelle Konzept "Satelliten verkaufen" oder "rohe Fernerkundungsaufnahmen verkaufen" und verkaufen stattdessen direkt branchenspezifische Analyseberichte, die nach der Verarbeitung im Orbit erstellt wurden, an Kunden aus dem Katastrophenschutz, der landwirtschaftlichen Ertragsschätzung und der Finanzversicherungsbranche. Noch bevor die Satelliten gestartet sind, haben bereits irdische Branchenkunden die Kosten für Rechenleistungspakete im Voraus bezahlt.

Der zweite Weg wird von der infrastrukturorientierten Gruppe vertreten, die von Guoxing Aerospace angeführt wird, deren Kernkonzept "Vernetzung" lautet.

Wenn die Wärmeabfuhr und Leistung eines einzelnen Satelliten nicht für große Modelle mit hunderten Milliarden Parametern ausreichen, werden die Rechenleistungsfragmente durch Laserkommunikation zwischen den Satelliten zusammengesetzt.

Das "Star Computing"-Programm, das Guoxing Aerospace gemeinsam mit mehr als 100 Universitäten und Forschungsinstituten im Inland entwickelt, sieht 2800 Rechenleistungssatelliten vor, von denen 2400 hauptsächlich für Inferenzaufgaben und 400 für Trainingsaufgaben ausgelegt sind. Durch hochbreitbandige Laserlinks zwischen den Satelliten werden die ursprünglich isolierten Satelliten zu einem weltraumbasierten lokalen Netzwerk verbunden.

Wenn ein Satellit Daten aufnimmt und seine eigene Rechenkarte überlastet ist, überträgt er die Daten direkt per Laser an einen benachbarten, unbeschäftigten Satelliten, um die Berechnung gemeinsam durchzuführen.

Keiner der beiden Wege ist besser als der andere: Der erste ist näher an den Einnahmen, während der zweite auf die zukünftige Eintrittskarte für die grundlegende Infrastruktur eines verteilten weltraumbasierten Rechenleistungsnetzes setzt.

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Wie kommerzielle GPUs den Beschuss durch Weltraumteilchen überstehen

Selbst wenn die Probleme der Stromversorgung, Wärmeabfuhr und Vernetzung zwischen den Satelliten gelöst sind, gibt es noch einen tiefgreifenden technischen Engpass für die Weltraum-Rechenleistung: die Lebensdauer der Chips.

Nach den Regeln der traditionellen Raumfahrt müssen Chips, die in den Weltraum befördert werden, "raumfahrtgeeignet (strahlungsgehärtet, Rad-Hard)" sein. Diese Chips werden mit speziellen strahlungsgehärteten Verfahren wie SOI (Silizium-Isolator) hergestellt und können dem Beschuss durch hochenergetische Protonen und schwere Ionen im Weltraum widerstehen.

Aber der Preis dafür ist extrem hoch, und die Herstellungstechnologie ist stark veraltet. Die Rechenleistung der derzeit gängigen raumfahrtgeeigneten Chips liegt ungefähr auf dem Niveau von Smartphones vor mehr als zehn Jahren – sie können nicht einmal ein einfaches visuelles Transformer-Modell ausführen.

Um KI im Weltraum auszuführen, müssen industrielle oder sogar kommerzielle GPUs und NPUs verwendet