太空數(shù)據(jù)中心，如何散熱？

最近這段時(shí)間，馬斯克關(guān)于太空算力的言論引起了廣泛關(guān)注。

按馬斯克的說(shuō)法，他打算 整合SpaceX、特斯拉和xAI公司， 部署百萬(wàn)顆衛(wèi)星，構(gòu)建“軌道數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)”，為未來(lái)的人工智能提供算力支持。

馬斯克的這個(gè)計(jì)劃，從理論上來(lái)說(shuō)確實(shí)有可行性。事實(shí)上，這并不是一個(gè)全新的構(gòu)想。在美國(guó)、歐洲還有我們國(guó)內(nèi)，都有提出過(guò)類似的太空算力項(xiàng)目，只不過(guò)沒(méi)有這么龐大。

太空算力，也沒(méi)有那么玄乎。無(wú)非是用火箭把大量搭載了算力芯片的衛(wèi)星送上太空，然后組成一個(gè)龐大的算力集群。

太空數(shù)據(jù)中心最大的優(yōu)勢(shì)，就是可以充分利用太陽(yáng)能作為能源，大幅減少能源成本。但是，它也面臨很多工程化和商業(yè)化的問(wèn)題。

例如，火箭的發(fā)射能力和次數(shù)問(wèn)題（需要砸不少錢）、衛(wèi)星的壽命問(wèn)題（一般是5年）、太空輻射問(wèn)題（復(fù)雜的輻射會(huì)損傷芯片等硬件）、在軌維護(hù)問(wèn)題（無(wú)人值守，壞了不好維修和替換）、通信帶寬和時(shí)延問(wèn)題（星間和星地激光通信技術(shù)還不是特別成熟），空間和頻譜資源問(wèn)題、商業(yè)模式問(wèn)題，等等。

除了上述問(wèn)題之外，還有一個(gè)關(guān)鍵的散熱問(wèn)題——如此龐大的智算數(shù)據(jù)中心，擁有海量的芯片，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。該如何散熱，才能確保太空數(shù)據(jù)中心不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而燒毀？

很多人會(huì)問(wèn)，太空應(yīng)該溫度很低啊，難道不是更容易散熱嗎？

其實(shí)不是的。太空的溫度環(huán)境，并沒(méi)有大家想象的那么簡(jiǎn)單。

散熱，一般只有三種方式：氣體對(duì)流、熱傳導(dǎo)（液體循環(huán)）以及熱輻射。太空中雖然溫度很低 （-270℃，接近絕對(duì)零度），但是 是真空環(huán)境，沒(méi)有空氣對(duì)流。所以，不能通過(guò)風(fēng)冷這樣的方法帶走熱量，只能借助熱傳導(dǎo)和熱輻射。

這就 導(dǎo)致熱量的傳遞路徑更長(zhǎng)、更復(fù)雜，需要考慮很多的內(nèi)外部因素，也需要進(jìn)行非常精密的系統(tǒng)性散熱設(shè)計(jì)。

接下來(lái)，我們就詳細(xì)了解一下太空數(shù)據(jù)中心究竟該如何散熱（熱控技術(shù)）。

█熱收集（芯片級(jí)）

一般來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星和空間站等航天器上的散熱，會(huì)采用“分級(jí)管理、主動(dòng)被動(dòng)結(jié)合、多環(huán)路備份”的 系統(tǒng)級(jí)熱控架構(gòu)。

芯片級(jí)，用微通道液冷。機(jī)柜級(jí)，用冷板與流體循環(huán)。艙段級(jí)，通過(guò)主回路連接至熱輻射器。

首先， 先從最基礎(chǔ)的芯片級(jí)散熱開(kāi)始，這是熱量產(chǎn)生的源頭。

芯片工作，會(huì)產(chǎn)生熱量 （每平方厘米數(shù)百瓦） 。需要快速導(dǎo)出高密度熱量，防止芯片燒毀。

這里采用的方法，是在芯片封裝內(nèi)部使用高性能導(dǎo)熱界面材料（例如石墨烯、液態(tài)金屬、碳纖維導(dǎo)熱墊、氮化硼導(dǎo)熱墊等）以及均熱板（Vapor Chamber）， 填充電子器件與散熱部件間的微小縫隙， 盡可能減少相互之間的熱阻，像“導(dǎo)熱膠”一樣，把熱量高效傳遞給后續(xù)系統(tǒng)。

這里，也可以采用嵌入式微通道液冷的技術(shù)，用流動(dòng)的液體將熱量帶走。這個(gè)對(duì)冷卻液的要求比較高。低溫時(shí)，要防止凍結(jié)。而且，因?yàn)樘諏儆谖⒅亓Νh(huán)境，冷卻液的流動(dòng)也和地面不一樣，需要特殊設(shè)計(jì)。

極端的溫差，還要考慮材料的膨脹系數(shù)，避免出現(xiàn)爆裂損壞。

█熱傳遞（內(nèi)部傳輸級(jí)）

熱量收集之后，要逐級(jí)傳遞出去，送到最終的熱輻射器。

一定距離的熱傳遞，可以使用熱管（heat pipe，特別是環(huán)路熱管LHP），通過(guò)冷卻 工質(zhì) （ 在制冷裝置中實(shí)現(xiàn)循環(huán)制冷的工作介質(zhì)， 如氨、丙烷或特種流體）的 相變（蒸發(fā)、冷凝），進(jìn)行被動(dòng)傳熱。

熱管具有極高的傳熱效率、長(zhǎng)距離傳輸能力和優(yōu)異的等溫性， 是航天器與空間計(jì)算平臺(tái)最成熟的熱控元件之一 。

業(yè)界還有一種 變導(dǎo)熱管（variable conductance heat pipe， VCHP），在工質(zhì)中引入不可凝氣體，通過(guò)氣體體積變化調(diào)節(jié)冷凝段有效面積，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控溫。

熱管、熱界面材料等，都 屬于被動(dòng)熱控技術(shù)。太空數(shù)據(jù)中心的熱負(fù)載實(shí)在太大，僅靠被動(dòng)熱控肯定是不行的。所以，需要引入一些主動(dòng)熱控技術(shù)。

目前，業(yè)界采用的主流主動(dòng)熱控技術(shù)，是機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)流體循環(huán)回路（mechanical pump fluid loop，MPFL）。

顧名思義，MPFL是通過(guò)機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)冷卻工質(zhì)，流經(jīng)安裝在設(shè)備上的冷板，吸收熱量，將熱量從分散熱源輸送到熱輻射器。

泵驅(qū)兩相對(duì)流系統(tǒng)

MPFL技術(shù)比較成熟，可控性強(qiáng)，是業(yè)界大型太空算力中心的基準(zhǔn)方案。我們的神舟飛船還有嫦娥三號(hào)，都用了這種方案。

這個(gè)技術(shù)目前還在快速迭代，增加響應(yīng)速度和補(bǔ)償精度，強(qiáng)化溫控穩(wěn)定性和安全性。

█熱輻射（外部輻射級(jí)）

最后，熱量送到熱輻射器，要排向宇宙深空。

熱輻射器 這個(gè)玩意有點(diǎn)像太陽(yáng)能板。只不過(guò)太陽(yáng)能板是吸熱太陽(yáng)能，變成電能。而熱輻射器，是將熱量 以紅外電磁波的形式輻射出去。

熱輻射器

熱輻射是太空中唯一最終的散熱方式。它的效率直接取決于輻射器的面積、表面溫度和涂層性能。

輻射器通常是衛(wèi)星外部的翼板，擁有高發(fā)射率（＞0.8）、低吸熱率的涂層（如特殊白漆、第二表面鏡）。

一些新型材料，例如碳納米管涂層、光子晶體薄膜，可在特定波段實(shí)現(xiàn)近乎理想的黑體輻射，同時(shí)反射太陽(yáng)光，顯著提升性能。

輻射器的面積越大，散熱效率就越高。所以，一般都會(huì)采用可展開(kāi)式輻射器（就像折疊的翅膀一樣）。在衛(wèi)星發(fā)射時(shí)，緊湊折疊。入軌后，再展開(kāi)，獲得巨大散熱面積。

輻射器必須擁有足夠的強(qiáng)度，但也不一定都是硬材質(zhì)，也有一些柔性薄膜輻射器。

需要注意的是，在軌運(yùn)行的航天器，需要面對(duì)極端且波動(dòng)的外熱流環(huán)境。意思就是說(shuō)，在陽(yáng)面時(shí)，需要面對(duì)太陽(yáng)直射、地球反照（太陽(yáng)光被地球反射）和地球紅外輻射的加熱，溫度很高。在陰面時(shí)，會(huì)稍微好一點(diǎn)。

在陽(yáng)面時(shí)，熱輻射器可能發(fā)揮不了散熱的作用，反而會(huì)變成“吸熱器”。所以，需要精心設(shè)計(jì)輻射器的方位、采取隔熱措施或使用可調(diào)散熱技術(shù)，防止熱逆轉(zhuǎn)。

說(shuō)到這里，還要提一句：其實(shí)，航天器上還會(huì)有加熱器。就是在陰面（溫度極低）的時(shí)候，進(jìn)行加熱，確保設(shè)備能夠正常工作。

一些智能輻射器，采用百葉窗裝置（類似于哈勃望遠(yuǎn)鏡所用）或電致變色/熱致變色材料，主動(dòng)調(diào)節(jié)輻射器的有效發(fā)射率或?qū)ι羁盏囊暯窍禂?shù)，在“冷環(huán)境”中全力散熱，在“熱環(huán)境”中關(guān)閉保溫。

█新型空間散熱技術(shù)

太空數(shù)據(jù)中心如果真的發(fā)展起來(lái)，規(guī)模會(huì)非?？植?/strong>。

根據(jù)業(yè)界的預(yù)測(cè)，如果搭建太空數(shù)據(jù)中心， 每噸衛(wèi)星可提供100千瓦（kW）算力，馬斯克的百萬(wàn)顆衛(wèi)星計(jì)劃，會(huì)具有100吉瓦（GW）AI算力。

100吉瓦是個(gè)什么概念呢？假設(shè)一個(gè)燈泡功率為10瓦，100吉瓦可以同時(shí)點(diǎn)亮100億盞這樣的燈泡。三峽水電站的總裝機(jī)容量約為22.5吉瓦，所以100吉瓦大約相當(dāng)于4.5個(gè)三峽水電站的總裝機(jī)容量。

一個(gè)吉瓦級(jí)的數(shù)據(jù)中心，需要數(shù)平方公里的散熱面積。這在工程上，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

為了滿足太空算力發(fā)展的需求，業(yè)界也提出了一些新的空間散熱技術(shù)解決方案：

● 相變材料儲(chǔ)熱與緩沖

相變材料（Phase change materials，PCM）可以在接近恒定溫度下完成吸放熱過(guò)程，當(dāng)環(huán)境溫度高于相變點(diǎn)時(shí)，吸熱熔化。低于相變點(diǎn)時(shí)，放熱凝固。

在散熱路徑中集成相變材料（例如特定熔點(diǎn)的石蠟、鹽類）。當(dāng)輻射器面對(duì)太陽(yáng)（散熱效率低）時(shí)，吸收并儲(chǔ)存過(guò)剩熱量。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入陰面時(shí)，釋放熱量由輻射器排出。

這就有點(diǎn)像“蓄電池（蓄熱池）”， 可以有效緩沖太空數(shù)據(jù)中心內(nèi)部熱源波動(dòng)和空間環(huán)境周期性溫差 。

●輻射散熱增強(qiáng)與波長(zhǎng)選擇性輻射

通過(guò)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制造在特定中紅外波段（大氣窗口）具有極高發(fā)射率，而在太陽(yáng)光主要波段（可見(jiàn)光與近紅外）具有極高反射率的“光譜選擇性輻射器”，理論上可將散熱效率提升數(shù)倍。

●蒸發(fā)式散熱與物質(zhì)排放

在極端情況下，可考慮攜帶易揮發(fā)的工質(zhì)（如水），將其噴入真空，把熱量帶走。

這種方案消耗性大，在太空中不太合適，最多也是用于短期、高強(qiáng)度的緊急散熱。在有冰資源的天體（如月球），倒是比較可行?？梢越⒖沙掷m(xù)的“制冰-蒸發(fā)”循環(huán)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的散熱。

● 系統(tǒng)AI智能調(diào)控

利用AI算法，預(yù)測(cè)熱負(fù)荷，并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)泵速、閥門或百葉窗的角度，使整個(gè)散熱系統(tǒng)能夠自適應(yīng)優(yōu)化，在復(fù)雜多變的太空環(huán)境中保持最高效率。

█結(jié)語(yǔ)

好了，以上就是關(guān)于太空數(shù)據(jù)中心熱控方案的介紹。

概括來(lái)說(shuō)，太空數(shù)據(jù)中心面臨真空無(wú)對(duì)流、微重力影響、極端溫差等特殊環(huán)境，在散熱方面需要面對(duì)很大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有的航空器熱控技術(shù)，可以分為被動(dòng)與主動(dòng)兩類。

被動(dòng)技術(shù)包括熱管、導(dǎo)熱帶、輻射板、相變模塊、熱控涂層及熱界面材料等，適用于小功率、低熱流密度場(chǎng)景。

主動(dòng)技術(shù)包括單相對(duì)流系統(tǒng)、泵驅(qū)兩相對(duì)流系統(tǒng)、加熱器、熱電制冷器及熱開(kāi)關(guān)等，適用于大功率、高熱流密度、遠(yuǎn)距離多熱源場(chǎng)景。

太空算力如果真的成為熱門趨勢(shì)，那么，太空數(shù)據(jù)中心熱控技術(shù)肯定也會(huì)得到更多的重視，技術(shù)會(huì)加速創(chuàng)新和迭代。

這一領(lǐng)域，還是非常值得關(guān)注的。

參考文獻(xiàn)：

1、《 聊聊太空部署算力中心散熱問(wèn)題的可行方案》；

2、《 太空數(shù)據(jù)中心熱控技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望 》，制冷學(xué)報(bào)；

3、《 太空算力三重變現(xiàn)閉環(huán)，營(yíng)收有望破千億 》，銀河證券；

4、維基百科、百度百科等。

來(lái)源：鮮棗課堂

編輯：檸七

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