人工智能数据中心能搬到太空吗？

在人工智能热潮的推动下，全球数据中心正以前所未有的速度建设。这些设施消耗着惊人的电力。到2028年，仅人工智能服务器的能耗就可能达到美国家庭用电量的22%。当然，这种需求会推高所有人的能源价格，我们还需要更多的发电厂，这意味着更多的全球变暖。

然后是水的问题。高密度的人工智能芯片运行时温度极高，空气冷却已不足以应对。新的设施开始转向水冷，首选技术是水蒸发。这种方法比循环水更有效、更节能，但一个大型数据中心每天要消耗数百万加仑的水，会耗尽当地的水资源。

因此，越来越多的城镇反对在其区域内建设数据中心项目也就不足为奇了。但如果每个人都“别在我家后院”（NIMBY），那就有点像“别在我的星球上，混蛋”（NOMPY）了。该怎么办呢？人们不会停止使用人工智能。这就是为什么有些人说我们应该在太空建设数据中心。

试想一下：你可以通过太阳能电池板获得全天候的能源——太空中总是阳光明媚——而且散热问题也不会存在，因为那里非常冷。你可以在轨道数据中心进行繁重的处理，然后像卫星互联网一样将结果传回地球。至少，这是他们的说法。

这真的可行吗？还是说它和殖民火星一样不切实际？我问了谷歌的AI概览，它说：“是的，可以在太空建设数据中心。”但它当然会这么说。我认为我们必须完全跳出固有思维，运用一些老式的人类智慧来思考这个问题。

能量提升
科学中有一个非常重要的概念叫做能量守恒定律。它指出，对于任何“系统”（我们选择的任何事物集合），进入系统的总能量等于该系统的能量变化加上离开系统的能量。或者重新整理一下，系统能量的任何变化都等于能量输入和输出的差值。这意味着能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转化为另一种形式——比如太阳能电池板将光能转化为电能。

能量的单位是焦耳，但通常谈论功率更容易。功率是单位时间内的能量变化（ΔE/Δt），所以单位是焦耳每秒，也称为瓦特。就功率而言，能量守恒定律表明，进入系统的功率等于离开系统的功率加上系统内部能量变化的功率。

例如，假设“系统”是一台配备300瓦电源的台式电脑。这意味着最大输入功率为300瓦。系统中的能量变化是怎样的呢？它会变热，所以热能增加。但它很快会达到稳定的工作温度。电脑中实际上没有其他能量变化，所以输入的300瓦功率必须等于输出的功率。

那300瓦的输出功率去了哪里呢？你的电脑有一个风扇，它会推动空气流过处理器和显卡。发热的组件与空气相互作用，使空气升温。然后风扇将这些空气排出，将热量从电脑传递到你的房间。是的，你的电脑基本上就是一个300瓦的太空加热器，只是它还能玩电子游戏。

两种传热方式
如果两个物体温度不同，热能会从较热的物体传递到较冷的物体。所以，那台热的电脑会将能量传递给较冷的空气。由于CPU和空气分子相互接触，我们称之为热传导。它的速度很快。这就是为什么70华氏度（约21摄氏度）的泳池水感觉很冷：你沉浸在水中，所以水会迅速从你的身体吸走大量热能。

但还有另一种传热方式。如果物体不接触但有直接视线，就会有辐射相互作用。这就像没有气流的电烤箱一样。加热元件不接触你的披萨，但它非常热（比如超过1000华氏度，约538摄氏度），会辐射红外线，从而加热你的食物。

太空中的电脑
现在，如果你把你的游戏电脑放在近地轨道上会怎样？我们如何排出产生的废热？里面的风扇没用了。如果没有空气，它们无法推动空气流过处理器。唯一的选择是与周围环境进行辐射相互作用，而辐射的效率不如传导。

这就是人们在思考太空计算时经常出错的地方。实际上，太空甚至并不“冷”。温度是物质的属性——它衡量分子运动——而太空基本上是真空。没有分子振动，它就没有内在温度。由于辐射是唯一的传热方式，太空中的物体实际上冷却得很慢。

我们可以用斯特藩-玻尔兹曼定律计算物体的热辐射率（P）。公式中，ε是物体的发射率（衡量其辐射效率，0 < ε < 1），σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，A是表面积，T是温度（单位为开尔文）。由于温度是四次方，温度越高的物体辐射功率比低温物体大得多。

好，假设你想在太空玩《荒野大镖客》。你的电脑会变热——可能达到200华氏度（366开尔文）。为简单起见，假设这是一台立方体形状的电脑，总表面积为1平方米，并且是理想的辐射体（ε = 1）。那么热辐射功率大约为1000瓦。当然，你的电脑不是理想的辐射体，但看起来应该没问题。只要输出功率（1000瓦）大于输入功率（300瓦），它就会冷却下来。

现在假设你想运行一些中等规模的人工智能任务。这是一项更大的工作，所以让我们把立方体电脑按比例放大，边长是原来的两倍。体积会变成原来的八倍（2³），所以我们可以有八倍的处理器，也需要八倍的输入功率——2400瓦。然而，表面积只增加到原来的四倍（2²），所以辐射功率大约为4000瓦。输出功率仍然大于输入功率，但差距在缩小。

尺寸很重要
你可以看到趋势。如果你继续按比例放大，体积的增长速度比表面积快。所以你的太空电脑越大，冷却就越困难。如果你想象一个像地球上的数据中心那样的轨道沃尔玛大小的结构，那是不可能的。它会融化。

当然，你可以增加外部辐射板。国际空间站就有这些。它们需要多大呢？假设你的数据中心运行功率为1兆瓦。（地球上现有的人工智能数据中心使用100到1000兆瓦。）那么你至少需要980平方米的辐射面积。这已经变得失控了。

哦，而且这些辐射板不像太阳能电池板那样通过电线连接。它们需要系统将热量从处理器传导到辐射板。国际空间站通过管道网络泵送氨来实现这一点。这意味着需要更多的材料，这使得将其送入轨道的成本更高。

所以让我们总结一下。即使我们基于有利的假设进行分析，情况也不太乐观。我们甚至没有考虑太阳辐射也会加热电脑，这需要更多的冷却。或者强烈的太阳辐射可能会随着时间的推移损坏电子设备。还有，你怎么进行维修呢？

然而，有一点很清楚：由于太空中的冷却效率低下，你的“数据中心”必须是一群具有更好面积体积比的小型卫星，而不是少数大型卫星。这正是大多数支持者，如谷歌的“捕日者计划”（Project Suncatcher）现在所建议的。埃隆·马斯克的SpaceX已经请求FCC批准发射100万颗小型人工智能卫星进入轨道。

嗯。近地轨道已经挤满了10000颗活跃卫星和大约10000公吨的太空垃圾。碰撞的风险，甚至灾难性的凯斯勒综合征（Kessler cascades），已经成为现实。而我们还要再增加100倍的卫星？我只能说：“小心下方。”