太空算力的竞赛,已经变成了一场真实的军备竞赛。
马斯克判断,到2032年,太阳能驱动的太空AI卫星,将成为全球成本最优的算力方案。
英伟达CEO黄仁勋今年三月的判断,也从某种程度上给这场竞赛定了性——任何生成数据的地方,都必须有智能存在。
两大巨头出手之后,太空算力的战场被推到了前所未有的高度,但太空计算面临的工程挑战,依然比地面残酷得多。
没有空气对流,芯片散不了热;宇宙中存在高能粒子,随时可以让芯片出错......
△国内外计算卫星(由AI辅助生成)
另一边的马斯克,也被曝出新动向——其手下的SpaceX公司正在考虑收购光模块公司Mesh。
被马斯克看中的Mesh,主营业务就是规模化量产光收发器,以用于提高AI数据中心的通信效率,进而提质增效。
光计算为什么天然适合太空
太空算力竞赛中,芯片面临的挑战比地面严苛得多,计算载荷要跨过三道坎——辐射、散热、功耗。
传统电子芯片依赖电荷存储与硅基晶体管工作,而太空中充斥着大量宇宙高能粒子。
高能粒子一旦击中芯片,就会引发单粒子翻转、单粒子闩锁等效应,导致计算出错乃至器件失效。
光计算芯片则从根本上绕开了这道坎。
光计算以光子作为载体来承载计算信息,光子本身不带电荷,天然免于高能粒子冲击的直接干扰,无需特殊的辐射防护设计。
散热是第二道坎,也是最棘手的一道。
传统电子芯片在工作时,电子在导线中的传输与晶体管的开关必然产生热量,而AI任务对数据搬运与计算有极大需求,这使得电子芯片的功耗和发热量居高不下。
太空是真空环境,没有空气对流,只有热传导和热辐射两种散热途径。
散热条件的严苛限制,极易导致传统芯片降频甚至失效。
光计算芯片的工作方式与此截然不同,光在波导中传播完成计算,这个过程几乎不产生热量。
第三道坎是功耗。
卫星在轨运行时高度依赖太阳能帆板供电,进入轨道阴影期后仅靠星载电池维持,能源供给极为有限。
高算力芯片的能耗越大,所需太阳能帆板的面积就越大,进而推高卫星的重量、体积与发射成本。
光计算芯片静态功耗理论上趋近于零,与卫星能源受限的严苛约束天然契合,算是绕开了这道坎的一半。
光计算的抗辐射、低发热、低功耗这三项特性,在太空环境中是有助于太空计算直接跨越初期阶段技术障碍的“杀手锏”。
跨过了这三道坎,光计算在太空场景中还有一项电计算难以企及的系统级优势——
同等载荷重量下,光计算能跑出更高的算力总量。
把地面数据中心搬上天,核心约束是载荷的重量和体积。
传统服务器的整套架构都是为地面形态设计的,将算力送上天,算力芯片、存储、CPU以及配套的散热系统、抗辐照屏蔽层......每一个部件都要占用宝贵的载荷空间,导致能够真正用于计算的空间所剩无几。
英伟达给出的应对思路是将CPU与GPU整合在一块,以极小的尺寸和重量实现相对可观的算力,Space-1 Vera Rubin模组正是这一思路的延续。
但光计算能够走得更远。
由于光计算芯片本身低发热、低功耗,所需的配套散热结构和能源系统可以做得更轻、更小,在同等重量的载荷中,光计算能够容纳更多的算力。
因此,在相同能源供给和散热条件下,光计算实现的算力总量高于电计算。
△光计算在太空场景的三大优势(由AI辅助生成)
在光本位科技研究院副院长蒲华楠看来,这种优势背后有着深刻的内生动力。
电计算芯片的性能进步,长期以来依赖微缩制程——在相同面积上集成更多晶体管,通过更细的连线提升运算密度。
然而,这条路有物理极限,当晶体管的栅极间距缩小到一定程度,量子隧穿效应就会不可避免地出现。
电子会穿透理论上不可逾越的势垒,导致漏电和计算错误,这是电计算在物理层面无法绕开的天花板。
光计算走的是一条完全不同的路。
光计算芯片的制备不依赖极紫外光刻机主导的先进制程体系,现有的45纳米以上乃至亚微米级制程就能满足光计算芯片的制备需求。
光计算算力的提升,依靠的是光计算规模的扩大,以及对光子本身具备的波长、偏振、光学模式等多重复用维度的充分利用。
在这条路径上,光计算的发热量和功耗保持平稳,成本可以得到有效控制,算力的天花板也远未触及。
光子破局,从地面到太空在轨推理
光子,是光计算的核心载体。
光计算的基本思路,是用光子替代电子来完成AI推理计算中最核心的部分,也就是大量的矩阵运算。
光计算芯片的优势在于,一次光线传播就能同时完成一大批这样的乘法运算,速度极快,且几乎不产生热量。
然而,放眼整个行业,大多数光计算方案与电计算相比,离真正可大规模、可通用、可稳定部署还有一定的差距。
其中最突出的问题有两个:
一是存储与计算仍然分离,AI推理时模型参数需要从外部存储频繁搬运到计算单元,存储带宽成为整个系统的瓶颈;
二是规模化集成困难,受限于硅光平台在芯片尺寸、翘曲变形和互联密度上的物理约束,传统光计算方案扩展算力规模并不容易。
这两道门槛,使得光计算距离电芯片那种成熟、完备的计算生态,仍有一段距离。
△光本位科技光子存内计算架构
△光本位科技多层封装玻璃基光计算系统
但从地面到太空,蒲华楠认为“光计算还需要跨过一道工程化的坎”。
火箭发射阶段震动极为剧烈,光学结构相比纯电子芯片引入了更多封装,芯片在高强度震动下的结构稳定性面临额外考验。
进入轨道之后,光计算系统还需要在真实太空环境下完成能源、热控、通信的系统级验证。
光算光联,太空算力的下一张底牌
这条路径与英伟达从单张GPU演进到集群级解决方案的逻辑相似,但底层技术路线截然不同。
放眼整个天基计算行业,当前的发展仍处于极早期阶段,距离规模化商业部署还有相当长的路要走。
技术验证、系统集成、规模部署,每一个环节都还有大量工程难题有待突破。
星载平台的供能资源受限、太空芯片的迭代周期、低成本规模入轨,这些都是天基计算从试验走向商业化必须跨过的门槛。
只有天基计算的综合成本低于地面计算,或者天基场景能够提供地面无法替代的高价值服务,商业化的普及才有真正的驱动力。
太空算力的赛道才刚刚打开,计算芯片及系统选择什么样的技术路线,决定了未来算力星座的能力天花板。
电计算在制程极限面前逐渐触顶,光算光联或许正是这场竞赛里绕开物理约束、走出差异化的一张关键牌。
本文来自微信公众号: 量子位 ,作者:关注前沿科技,原文标题:《太空算力的国产答案:用光子更高效!马斯克和老黄都太绕了》
