原標(biāo)題：之江實(shí)驗(yàn)室“三體計(jì)算星座”上天滿月

　　太空算網(wǎng)，如何織造

　　杭州的梅雨天，深夜微涼。晚上10時(shí)，之江實(shí)驗(yàn)室科研樓旁，約5米高的衛(wèi)星基站在黑夜中矗立。旁邊，幾位科研人員望著基站的圓盤形天線，緊張地等待著。

　　突然，天線動(dòng)了，而后朝著天空緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)。這意味著“三體計(jì)算星座”中的某顆星，與基站開始通信。不到10分鐘后，轉(zhuǎn)動(dòng)停了下來(lái)。

　　“衛(wèi)星圍繞地球轉(zhuǎn)一圈，僅有不到10分鐘能與地球基站通信。這段非常有限的時(shí)間是科研人員僅有的測(cè)試機(jī)會(huì)?！w計(jì)算星座’上天滿月，衛(wèi)星布相基本穩(wěn)定，我們正進(jìn)行單星業(yè)務(wù)在軌測(cè)試?！敝瓕?shí)驗(yàn)室天基計(jì)算系統(tǒng)研究中心副主任、計(jì)算星座科研任務(wù)總體部技術(shù)總師李超說(shuō)。

　　5月14日，之江實(shí)驗(yàn)室“三體計(jì)算星座”團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)兄弟團(tuán)隊(duì)合作，把首批12顆計(jì)算衛(wèi)星送上天，標(biāo)志著我國(guó)首個(gè)整軌互聯(lián)的太空計(jì)算星座正式進(jìn)入組網(wǎng)階段。

　　“三體計(jì)算星座”是個(gè)什么星座?它能為我們帶來(lái)怎樣的算力革命?

　　打破衛(wèi)星“孤島”

　　在浩渺的宇宙中，每一顆計(jì)算衛(wèi)星都只是一個(gè)普通的人造星點(diǎn)。12顆衛(wèi)星組成的網(wǎng)，卻能像人一樣在太空中學(xué)會(huì)“思考”。

　　通常，衛(wèi)星需先將數(shù)據(jù)傳回地面，再由地面數(shù)據(jù)處理中心對(duì)其進(jìn)行解析，即“天感地算”。但受限于地面站資源、帶寬等因素，僅有不到十分之一的有效數(shù)據(jù)能傳回地面，且存在數(shù)據(jù)時(shí)效差等問題。

　　“三體計(jì)算星座”做的，是讓衛(wèi)星采集的信息在太空進(jìn)行在軌計(jì)算，直接向地面發(fā)送處理好的結(jié)果。通過100Gbps(千兆比特/秒)激光鏈路互聯(lián)，這12顆衛(wèi)星將初步形成總計(jì)5POPS(每秒5千萬(wàn)億次計(jì)算)的太空計(jì)算能力和30TB(太字節(jié))的軌道存儲(chǔ)容量。

　　打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋确?，它就像是一個(gè)在太空軌道上工作的分布式超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。李超說(shuō)，從“天感地算”到“在軌組網(wǎng)、天地協(xié)同”，“三體計(jì)算星座”解決了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信“孤島化”問題。

　　首個(gè)，意味著幾無(wú)經(jīng)驗(yàn)可借鑒，一切需要摸索。

　　今年的春節(jié)假期，每到夜深，之江實(shí)驗(yàn)室7號(hào)樓總有幾間辦公室燈火通明。李超帶領(lǐng)的這支團(tuán)隊(duì)仍留在天基計(jì)算系統(tǒng)研究中心，埋頭進(jìn)行計(jì)算衛(wèi)星的整星測(cè)試。

　　這是一場(chǎng)“第四類”衛(wèi)星技術(shù)的突進(jìn)——有別于通信、導(dǎo)航、遙感等傳統(tǒng)衛(wèi)星，計(jì)算衛(wèi)星被稱之為“第四類”衛(wèi)星。

　　時(shí)間回到2024年世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)·烏鎮(zhèn)峰會(huì)。中國(guó)工程院院士、之江實(shí)驗(yàn)室主任王堅(jiān)首次對(duì)外發(fā)布“三體計(jì)算星座計(jì)劃”。他意氣風(fēng)發(fā)地向人們描繪：“我們希望像互聯(lián)網(wǎng)將不同電腦連接在一起一樣，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的互聯(lián)互通?！?/p>

　　“星上90%都是新研內(nèi)容?！碧旎?jì)算系統(tǒng)中心專家張鵬舉例，如衛(wèi)星采用的新穎的平板式構(gòu)型，更加緊湊的部件組裝，讓衛(wèi)星可像平板一樣堆疊，實(shí)現(xiàn)“一箭十星”甚至“數(shù)十星”發(fā)射；首次搭載由廣西大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)自主研制的宇宙X射線偏振探測(cè)器，對(duì)伽馬射線暴等各類瞬變?cè)催M(jìn)行在軌快速探測(cè)、證認(rèn)、分類；激光通信載荷從10Gbps升級(jí)為100Gbps，在相距千里的太空中能實(shí)現(xiàn)每秒100G(千兆比特)的數(shù)據(jù)傳輸……

　　那是焦灼枯燥的一段時(shí)間。宮祿齊、張鵬等項(xiàng)目骨干無(wú)數(shù)次在杭州、嘉興衛(wèi)星總裝基地和上海衛(wèi)星研發(fā)基地之間來(lái)回奔波，每天進(jìn)行十幾個(gè)小時(shí)的測(cè)試工作。

　　張鵬留著一張難得的合影，拍攝于今年2月27日晚上9時(shí)08分。地點(diǎn)位于嘉興衛(wèi)星總裝基地。

　　他介紹：“右側(cè)是編號(hào)為08的計(jì)算衛(wèi)星，正準(zhǔn)備吊裝到振動(dòng)臺(tái)上，開展力學(xué)試驗(yàn)。左側(cè)遠(yuǎn)處的熱真空罐口，銀白色金屬架上固定的是編號(hào)為01的計(jì)算衛(wèi)星，剛剛做完了為期5天的熱真空試驗(yàn)。”

　　這是兩種構(gòu)型衛(wèi)星完成總裝后的第一次交會(huì)，也是緊密合作的衛(wèi)星平臺(tái)各分系統(tǒng)負(fù)責(zé)人第一次見面。機(jī)會(huì)十分難得。因?yàn)?，他們大部分時(shí)間都分散在全國(guó)各地，很多人可能只是一起在線上開過會(huì)。

　　功夫不負(fù)苦心人。今年4月底，12顆計(jì)算衛(wèi)星相繼封裝上箭，其中單星的最高算力達(dá)744TOPS(每秒744萬(wàn)億次計(jì)算)，突破性地實(shí)現(xiàn)了星載智能計(jì)算機(jī)算力近百倍的提升，“與國(guó)際同行相比處于領(lǐng)先地位”。

　　“人工智能、航空航天等很多領(lǐng)域目前存在的發(fā)展瓶頸，都是算力受限造成的?！痹谕鯃?jiān)看來(lái)，率先嘗試構(gòu)建太空計(jì)算星座，是一件“非常需要探索精神的事情”?！坝辛颂沼?jì)算星座，太空應(yīng)用的邊界大大拓寬，很多原先不可能的事情都可以做了?！?/p>

　　關(guān)關(guān)難過關(guān)關(guān)過

　　按照“三步走”的戰(zhàn)略，之江實(shí)驗(yàn)室第一步要在太空上做智能計(jì)算，然后做云計(jì)算，最終在天上形成計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)一個(gè)太空計(jì)算星座。

　　很多人擔(dān)心：前兩步還算好走，第三步會(huì)很艱難。

　　用時(shí)不到9個(gè)月，“三體計(jì)算星座”團(tuán)隊(duì)完成了一項(xiàng)“不可能完成”的任務(wù)?！鞍?2顆衛(wèi)星連成一個(gè)系統(tǒng)，涉及到100多個(gè)硬件、200多個(gè)軟件、近百萬(wàn)行代碼，每顆衛(wèi)星光連線就有1000多根……這是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程?！崩畛哉Z(yǔ)中難掩驕傲。

　　天基計(jì)算系統(tǒng)研究中心主任助理王志，一直記得12顆計(jì)算衛(wèi)星聯(lián)調(diào)期間的一次驚心動(dòng)魄。由于前期經(jīng)驗(yàn)不足，有一次操作失誤直接導(dǎo)致一臺(tái)智算機(jī)和一臺(tái)路由器短路故障，中心研究專家李旭和顏迪穎二話不說(shuō)，帶著團(tuán)隊(duì)俯身蹲在地板上，動(dòng)手修理起來(lái)。千根線纜全部重新接，其中還有不少是光纖，稍一用力就會(huì)斷損。最累的時(shí)候，一天要彎腰俯身好幾個(gè)小時(shí)。

　　那些日子，他們每天都在重復(fù)相似的工作：組裝設(shè)備、接線、寫代碼……“最難的科研就是由無(wú)數(shù)看似最基礎(chǔ)的工作構(gòu)成的。”王志說(shuō)。

　　“星地鏈路協(xié)議”是“三體計(jì)算星座”中的一塊“硬骨頭”。

　　“簡(jiǎn)單說(shuō)，就是把衛(wèi)星和地面的‘專線電話’，改成能‘自由聊天’的‘互聯(lián)網(wǎng)’。”天基計(jì)算系統(tǒng)中心高級(jí)研究專員顏迪穎打了個(gè)比方。

　　顏迪穎說(shuō)，剛接手任務(wù)時(shí)，團(tuán)隊(duì)的每個(gè)人都幾乎兩眼發(fā)黑：衛(wèi)星、通信設(shè)備、地面站……每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備都要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的鏈路協(xié)議?！霸谒性O(shè)備集成調(diào)試的過程中，總會(huì)出現(xiàn)很多的問題，必須從眾多數(shù)據(jù)中找到出錯(cuò)的字節(jié)，才能順藤摸瓜找到問題的原因?！鳖伒戏f表示，在實(shí)際操作中，常遇到要從幾百兆的數(shù)據(jù)里找出一個(gè)錯(cuò)誤字節(jié)(注：1兆=1048576字節(jié))的情況。團(tuán)隊(duì)一度覺得簡(jiǎn)直是大海撈針。

　　更棘手的是，國(guó)內(nèi)沒人用過“星地鏈路協(xié)議”，國(guó)外少有案例參考，這群年輕人只能摸著石頭過河。后來(lái)，顏迪穎想了個(gè)辦法：將鏈路分成微波、地面、星上三段，鎖定6個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，把測(cè)試拆成8步共500多個(gè)項(xiàng)目，這樣能極大優(yōu)化測(cè)試鏈路和測(cè)試流程。

　　一場(chǎng)“攻堅(jiān)戰(zhàn)”就此打響。所有人像上了發(fā)條的機(jī)器，項(xiàng)目的7個(gè)合作伙伴各帶團(tuán)隊(duì)趕到杭州，彼此支援，每天都聚在一塊兒討論解決方案，“大家經(jīng)常為了一個(gè)數(shù)據(jù)爭(zhēng)得面紅耳赤?！鳖伒戏f說(shuō)。

　　當(dāng)?shù)孛娴谝淮闻c衛(wèi)星設(shè)備互聯(lián)，信號(hào)在電腦屏幕上跳躍時(shí)，顏迪穎激動(dòng)地跳了起來(lái)，然后呆呆地在原地坐了很久——那是來(lái)自太空世界的“新希望”。 有了第一次的經(jīng)驗(yàn)，這群年輕人僅花了半個(gè)月就完成了12顆衛(wèi)星和2個(gè)地面站之間的30種連接拓?fù)錅y(cè)試。

　　“星地”的互聯(lián)，僅僅是“第一關(guān)”。

　　攻克星間鏈路技術(shù)堪稱航天通信領(lǐng)域的“珠峰挑戰(zhàn)”——在7公里每秒的飛行速度下，讓1500公里外的激光束精準(zhǔn)鎖定另一顆衛(wèi)星僅茶杯口徑大小的通信終端，其難度不亞于在萬(wàn)米高空穿針引線。

　　提及如此苛刻的要求，激光通信機(jī)專項(xiàng)總師李旭一口氣用了好幾個(gè)詞匯來(lái)形容：超高精度、超高穩(wěn)定度、超大動(dòng)態(tài)……

　　“我們攻克的最大難點(diǎn)在于，要求每臺(tái)激光通信終端都實(shí)時(shí)在線，建立高速傳輸通信。”團(tuán)隊(duì)合作伙伴、氦星光聯(lián)創(chuàng)始人譚俊表示，這意味著需要同時(shí)在12顆衛(wèi)星之間建立激光通信鏈路,并進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試,以確保其穩(wěn)定性和可靠性。

　　雖然GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也曾嘗試應(yīng)用星間鏈路技術(shù)，但那只是建設(shè)一些“羊腸小道”。李旭說(shuō)：“星間鏈路好比是在衛(wèi)星星群之間架設(shè)的‘天路’，讓衛(wèi)星互相‘加好友’。這樣它們既能獨(dú)立運(yùn)行，又能瞬間組隊(duì)，形成覆蓋全球的‘計(jì)算云’?！?/p>

　　團(tuán)隊(duì)大膽推翻原有追求極致速度的方案，在“可靠性、成本、進(jìn)度”間尋求平衡，驗(yàn)證多種速率多種體制的星間激光通信，為后續(xù)大規(guī)模星間組網(wǎng)提供數(shù)據(jù)支撐。

　　新方案極大提升了資源利用率，終端設(shè)備的靈敏度提高了數(shù)十倍。

　　“三體計(jì)算星座”中的“三體”代指太陽(yáng)、月亮、地球。它們彼此之間協(xié)同良好，又有極其復(fù)雜的關(guān)系。與之相似的，這張算網(wǎng)正持續(xù)匯聚不同創(chuàng)新主體的力量，一群夢(mèng)想家在同一個(gè)目標(biāo)的引領(lǐng)下，正共同完成太空計(jì)算的宏偉愿景。

　　與“星鏈”差異化競(jìng)爭(zhēng)

　　按照規(guī)劃，“三體計(jì)算星座”將在2035年前擴(kuò)展至千顆衛(wèi)星，形成覆蓋全球的天基智能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。

　　這一奇妙構(gòu)思，讓人不禁聯(lián)想到美國(guó)太空探索技術(shù)公司的低軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座項(xiàng)目——“星鏈”。該項(xiàng)目旨在通過大規(guī)模部署近地軌道衛(wèi)星群，為全球提供高速、低延遲的寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，尤其是覆蓋傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。根據(jù)最新數(shù)據(jù)，“星鏈”衛(wèi)星數(shù)量已超1.2萬(wàn)顆，并計(jì)劃擴(kuò)展至4.2萬(wàn)顆。

　　“三體計(jì)算星座”展現(xiàn)出差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。星鏈本質(zhì)上是“太空中的信號(hào)基站”，主要功能集中在通信領(lǐng)域，缺乏在軌計(jì)算能力。“三體計(jì)算星座”更注重計(jì)算賦能——未來(lái)千星組網(wǎng)后，其總算力可達(dá)1000POPS(每秒百億億次計(jì)算)，加上其搭載的80億參數(shù)的天基模型，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(L0級(jí)原始信號(hào))到?jīng)Q策生成(L4級(jí)應(yīng)用指令)的實(shí)時(shí)在軌處理。

　　這相當(dāng)于把一座城市級(jí)的算力基礎(chǔ)設(shè)施裝在千顆衛(wèi)星里，將足以支撐在太空運(yùn)行和地面相當(dāng)量級(jí)的人工智能技術(shù)。

　　屆時(shí)，“三體計(jì)算星座”將成為人類的得力助手：在氣象預(yù)測(cè)領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)路徑分鐘級(jí)更新；在監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)時(shí)，能實(shí)時(shí)識(shí)別火焰光譜特征，分鐘級(jí)甚至秒級(jí)生成火場(chǎng)三維模型并自動(dòng)觸發(fā)多部門預(yù)警，無(wú)需人工介入或地面算力支持；執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)時(shí)，可跨衛(wèi)星編隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)探測(cè)器數(shù)據(jù)，延遲較傳統(tǒng)中繼衛(wèi)星降低一半以上；在城市治理場(chǎng)景，可構(gòu)建全息數(shù)字孿生城市，實(shí)現(xiàn)交通、能源、環(huán)境的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，讓“城市大腦”更智慧。

　　在計(jì)算星座指揮大廳，李超對(duì)著大屏幕上的對(duì)話框詢問：“之江實(shí)驗(yàn)室附近有沒有水域?”幾秒內(nèi)，天基模型不僅提供了精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，還推送出高光譜湖泊河流影像。

　　這種從“信息管道”到“智能節(jié)點(diǎn)”的轉(zhuǎn)變，正在重構(gòu)全球太空產(chǎn)業(yè)格局。王堅(jiān)說(shuō)，他特別希望看到，未來(lái)星座達(dá)到一定規(guī)模后，老百姓也能便捷地享受計(jì)算衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等帶來(lái)的服務(wù)。

　　國(guó)外同行對(duì)“三體計(jì)算星座”高度評(píng)價(jià)。據(jù)參考消息網(wǎng)報(bào)道，西班牙媒體指出，中國(guó)已經(jīng)開始打造世界首臺(tái)太空超級(jí)計(jì)算機(jī)。這一項(xiàng)目有望在全球范圍內(nèi)徹底改變?nèi)斯ぶ悄芎蛿?shù)據(jù)處理。這項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃不僅已將太空超級(jí)計(jì)算機(jī)的首批部件送入軌道，還為人工智能、數(shù)據(jù)主權(quán)和全球力量平衡的新時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。

　　在太空織一張算網(wǎng)不是一條輕松的路。但之江實(shí)驗(yàn)室“三體計(jì)算星座”團(tuán)隊(duì)毫不猶豫地選擇矢志創(chuàng)新。

　　“我們見過凌晨3點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的燈光，鉆過冰冷的試驗(yàn)箱，也在泡面和咖啡中迎接過無(wú)數(shù)個(gè)黎明。但每當(dāng)想起衛(wèi)星升空的那一刻，所有的堅(jiān)持都有了意義。”顏迪穎說(shuō)。