新智元報道

編輯：LRST

浙江大學和新加坡南洋理工大學新研究旨在探索空間碳中和數據中心的可行性。太空環境具備兩大獨特優勢：豐富的太陽能可為計算設備提供清潔穩定的電力；接近絕對零度的深空環境則為服務器廢熱提供了理想的散熱條件。我們提出兩種實施方案：一是在遙感衛星上集成AI加速器，構建「軌道邊緣數據中心」，實現數據在采集源頭直接處理；二是組建計算衛星星座，形成「軌道云數據中心」，兼具處理太空數據與承接地面計算任務的能力。同時，我們還建立了太空云數據中心全生命周期碳效率評估體系。

空間技術與信息技術面臨著日益凸顯的可持續性壓力。

一方面，近地軌道正在被大規模衛星星座快速占據，這些衛星在通信、遙感、氣象監測等領域持續產生海量的「太空原生數據」，其規模可達每星每日數十太字節（TB）。

另一方面，人工智能（AI）與高性能計算（HPC）等技術的迅猛發展，驅動著全球范圍內能源密集型數據中心的建設浪潮，導致其電力消耗與碳排放足跡急劇攀升。

傳統的「彎管」式數據處理模式，即將所有太空數據下行傳輸至地面數據中心進行處理，不僅引入了顯著的通信延遲，不利于災害應急響應等實時性要求高的應用，更關鍵的是，它進一步加劇了地面數據中心本就沉重的能源與環境負擔。

因此，探索一種能夠從源頭處理數據、并從根本上降低碳排放的新型計算基礎設施架構，變得至關重要。

浙江大學針對近地軌道數據爆炸性增長與地面數據中心碳足跡高昂的并存挑戰，首次系統性地提出了在太空中構建碳中和數據中心的完整技術框架與評估體系。

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

該技術框架的可行性，基于太空獨特物理環境所提供的兩大可持續性優勢。

首先是近乎無限的太陽能資源，地球軌道上的太陽能密度遠高于地表，且不受天氣和晝夜循環的嚴重影響，使得高效率的太陽能電池板能夠為高功耗的計算設備提供持續、穩定、零碳的電力供應。

其次是極致的散熱條件，接近絕對零度（約-270°C）的深空背景構成了一個天然的巨型熱沉，使得計算設備產生的廢熱可以通過輻射冷卻技術高效地直接排散至宇宙中，從而徹底擺脫了對地面數據中心復雜、耗能且耗水的冷卻系統（如冷卻塔、冷水機組）的依賴，實現了計算散熱的「零水耗」、 「零能耗」與「零碳排放」。

核心框架

該研究的核心貢獻在于構建了一個層次化的「軌道數據中心」技術框架，它包含兩個相互補充的組成部分。

軌道邊緣數據中心

該框架旨在將現有的數據采集衛星升級為具備星上智能數據處理能力的計算節點。

其技術路徑是在衛星平臺上高度集成數據傳感器（如高分辨率相機等）、面向特定領域優化的AI加速器（如VPU、NPU、GPU、FPGA等）、足夠規模的太陽能電池陣以及針對太空環境的高效熱管理子系統（如輻射冷卻器）。

其核心價值在于實現「在軌信息提取」，即在數據生成的源頭完成大部分計算與分析任務，僅將經過篩選、處理后的高價值、低容量信息產品（如識別結果、特征參數）下傳，從而極大緩解對稀缺下行鏈路帶寬的壓力，并將數據傳輸延遲降至最低。

軌道云數據中心

該框架則構想了一個更為宏大的分布式軌道計算衛星星座。

它由一個部署在近地軌道的計算衛星星座組成，每顆計算衛星本質是一個搭載了多個高性能通用服務器（包含CPU、GPU、內存、存儲及操作系統等標準組件）和高速寬帶通信功能的「太空服務器」。

這樣一個軌道云平臺具備雙重服務能力：

一是作為聚合算力池，處理來自各個軌道邊緣數據中心的、超出其自身處理能力的復雜計算任務（如大規模多源遙感數據融合分析）；

二是作為地面計算任務的碳中和外包計算平臺，用戶可通過「碳感知」的智能調度系統，動態選擇將計算任務卸載至碳排放更低的軌道云或特定區域的地面云，從而實現全局的碳效率優化。

評估創新

全生命周期碳利用效率模型標題

為了科學、公正地評估軌道數據中心的環境效益，避免僅關注運行階段碳排放的片面性，研究團隊創新性地提出了「全生命周期碳利用效率」這一評估指標。

該模型將評估邊界擴展到整個價值鏈，涵蓋了計算衛星與發射工具的制造、火箭發射過程、在軌運行（電力碳強度為零）以及壽命終結處置等所有環節的碳排放。

通過這一模型進行的初步建模分析表明，盡管軌道數據中心在制造和發射環節會產生顯著的「一次性」碳排放，但憑借其在軌運行期間持續的碳中和優勢，從全生命周期的角度看，其碳效率有望超越依賴中等碳強度電網的地面數據中心，并逐步逼近由全可再生能源供電的先進地面數據中心的水平。

挑戰與展望

技術突破與未來綠色算力新范式

研究也客觀地分析了實現這一藍圖所面臨的技術與經濟挑戰。

首要技術瓶頸是太空輻射環境對商用高性能服務器可靠性的嚴峻威脅，未來的發展有賴于專用于太空數據中心的抗輻射加固技術的成熟，但這可能增加系統的成本、復雜度和功耗。

其次是經濟可行性挑戰，目前衛星平臺、高性能服務器以及發射服務的成本依然高昂，盡管框架中設想計算衛星兼具寬帶通信能力以提升成本效益，但初始的巨額資本投入仍是規模化部署的主要障礙。

盡管如此，小規模的軌道邊緣計算已進入技術驗證與初步商業探索階段，顯示出可行的技術路徑。

而軌道云數據中心作為更具變革性的長遠目標，其發展有望牽引空間能源、熱控、通信與高性能計算技術在極端環境下的協同突破，為最終構建一個全球覆蓋、低延遲、環境友好的下一代綠色算力基礎設施奠定堅實基礎。

總結

這項發表于 Nature Electronics的視角文章，其重要意義在于超越了單一技術的討論，首次系統性地勾勒了天基計算基礎設施的完整架構藍圖，并建立了與之配套的全生命周期環境效益評估方法論。

它不僅為高效處理日益增長的太空數據提供了創新性解決方案，也為從根本上破解地面數據中心的高碳困境提供了一種前瞻性的思路，為未來可持續計算技術的發展指明了重要的方向。

第一作者

第一作者兼共同通訊作者阿卜力米提·艾力（Ablimit Aili），博士，現任浙江大學長三角智慧綠洲創新中心特聘研究員（2024年6月起）。2021年獲美國科羅拉多大學（博爾德）機械工程博士學位（2017–2021），后獲選新加坡南洋理工大學「校長博士后研究員」（2022–2024）。2024年入選浙江省引才計劃。研究方向涵蓋工程熱物理、綠色數據中心、綠色建筑及智能微電網等多個領域。

新加坡南洋理工大學協理副校長文勇剛教授作為共同通訊作者。

參考資料：

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