太空數(shù)據(jù)中心的散熱難題與解決方案
近期，馬斯克關(guān)于太空算力的相關(guān)言論引發(fā)了廣泛關(guān)注。
按照馬斯克的表述，他計(jì)劃整合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撐。
馬斯克的這一計(jì)劃，從理論層面來(lái)看具備一定可行性。實(shí)際上，這并非全新構(gòu)想，美國(guó)、歐洲及國(guó)內(nèi)都曾提出過(guò)類似的太空算力項(xiàng)目，只是規(guī)模不及此。
太空算力也并非那么高深莫測(cè)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用火箭將大量搭載算力芯片的衛(wèi)星送入太空，組成龐大的算力集群。
太空數(shù)據(jù)中心最大的優(yōu)勢(shì)在于能充分利用太陽(yáng)能作為能源，大幅降低能源成本，但同時(shí)也面臨諸多工程化和商業(yè)化問(wèn)題。
比如火箭的發(fā)射能力與次數(shù)問(wèn)題（需要大量資金投入）、衛(wèi)星的壽命問(wèn)題（通常為5年）、太空輻射問(wèn)題（復(fù)雜輻射會(huì)損傷芯片等硬件）、在軌維護(hù)問(wèn)題（無(wú)人值守，損壞后維修替換難度大）、通信帶寬與時(shí)延問(wèn)題（星間和星地激光通信技術(shù)尚未完全成熟）、空間和頻譜資源問(wèn)題以及商業(yè)模式問(wèn)題等。
除上述問(wèn)題外，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)中心擁有海量芯片，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如何散熱才能避免因溫度過(guò)高而燒毀？
很多人會(huì)疑惑，太空溫度很低，難道不是更容易散熱嗎？
事實(shí)并非如此。太空的溫度環(huán)境沒(méi)有大家想象的那么簡(jiǎn)單。
散熱一般有三種方式：氣體對(duì)流、熱傳導(dǎo)（液體循環(huán)）以及熱輻射。太空中雖溫度極低（-270℃，接近絕對(duì)零度），但屬于真空環(huán)境，沒(méi)有空氣對(duì)流，因此無(wú)法通過(guò)風(fēng)冷等方式帶走熱量，只能依靠熱傳導(dǎo)和熱輻射。
這導(dǎo)致熱量傳遞路徑更長(zhǎng)、更復(fù)雜，需要考慮眾多內(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?cè)敿?xì)了解太空數(shù)據(jù)中心究竟如何散熱（熱控技術(shù)）。
熱收集（芯片級(jí)）
通常，衛(wèi)星和空間站等航天器的散熱會(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)采用微通道液冷，機(jī)柜級(jí)使用冷板與流體循環(huán)，艙段級(jí)通過(guò)主回路連接至熱輻射器。
首先從最基礎(chǔ)的芯片級(jí)散熱開始，這是熱量產(chǎn)生的源頭。
芯片工作時(shí)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（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”一樣將熱量高效傳遞給后續(xù)系統(tǒng)。
也可采用嵌入式微通道液冷技術(shù)，用流動(dòng)的液體帶走熱量。這對(duì)冷卻液要求較高，低溫時(shí)要防止凍結(jié)，且因太空是微重力環(huán)境，冷卻液流動(dòng)與地面不同，需要特殊設(shè)計(jì)。
極端溫差下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)中心熱負(fù)載過(guò)大，僅靠被動(dòng)熱控遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此需要引入主動(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)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，我國(guó)的神舟飛船和嫦娥三號(hào)都采用了這種方案。
該技術(shù)目前還在快速迭代，以增加響應(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。
熱輻射器有點(diǎn)像太陽(yáng)能板，只不過(guò)太陽(yáng)能板是吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，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。其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，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。
輻射器面積越大，散熱效率越高，因此一般采用可展開式輻射器（像折疊的翅膀），衛(wèi)星發(fā)射時(shí)緊湊折疊，入軌后展開以獲得巨大散熱面積。
輻射器需有足夠強(qiáng)度，但不一定都是硬材質(zhì)，也有柔性薄膜輻射器。
需要注意的是，在軌運(yùn)行的航天器會(huì)面臨極端且波動(dòng)的外熱流環(huán)境，即在陽(yáng)面時(shí)會(huì)受到太陽(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)情況會(huì)稍好。
在陽(yáng)面時(shí)，熱輻射器可能無(wú)法發(fā)揮散熱作用，反而變成“吸熱器”，因此需要精心設(shè)計(jì)輻射器方位、采取隔熱措施或使用可調(diào)散熱技術(shù)，防止熱逆轉(zhuǎn)。
此外，航天器上還會(huì)配備加熱器，在陰面（溫度極低）時(shí)進(jìn)行加熱，確保設(shè)備正常工作。
一些智能輻射器采用百葉窗裝置（類似哈勃望遠(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)中心若真能發(fā)展起來(lái)，規(guī)模將十分龐大。
根據(jù)業(yè)界預(yù)測(cè)，搭建太空數(shù)據(jù)中心時(shí)，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)劃將具備100吉瓦（GW）AI算力。
100吉瓦是什么概念呢？假設(shè)一個(gè)燈泡功率為10瓦，100吉瓦可同時(shí)點(diǎn)亮100億盞這樣的燈泡；三峽水電站總裝機(jī)容量約為22.5吉瓦，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，這在工程上是巨大挑戰(zhàn)。
為滿足太空算力發(fā)展需求，業(yè)界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）可在接近恒定溫度下完成吸放熱過(guò)程，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（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。
這就像“蓄電池（蓄熱池）”，能有效緩沖太空數(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
極端情況下，可考慮攜帶易揮發(fā)工質(zhì)（如水），將其噴入真空帶走熱量。
這種方案消耗性大，在太空中不太適用，最多用于短期、高強(qiáng)度的緊急散熱；在有冰資源的天體（如月球）則較為可行，可建立可持續(xù)的“制冰-蒸發(fā)”循環(huán)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)散熱。
● 系統(tǒng)AI智能調(diào)控
利用AI算法預(yù)測(cè)熱負(fù)荷，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)泵速、閥門或百葉窗角度，使整個(gè)散熱系統(tǒng)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)
以上就是關(guān)于太空數(shù)據(jù)中心熱控方案的介紹。
概括而言，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，在散熱方面面臨巨大挑戰(zhàn)。
現(xiàn)有的航空器熱控技術(shù)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、熱電制冷器及熱開關(guān)等，適用于大功率、高熱流密度、遠(yuǎn)距離多熱源場(chǎng)景。
若太空算力成為熱門趨勢(shì)，太空數(shù)據(jù)中心熱控技術(shù)必將得到更多重視，技術(shù)創(chuàng)新和迭代也會(huì)加速，這一領(lǐng)域非常值得關(guān)注。
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。
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