中国科学院计算技术研究所韩银和研究员团队联合北京智源人工智能研究院研究人员在中国工程院院刊Engineering发表题为“Computing over Space: Status, Challenges, and Opportunities”（天基计算的现状、挑战与机遇）的观点与评论（Views & Comments）文章。本文系统分析了天基计算的发展现状，指出了商用现货（COTS）器件在星载高算力需求下的应用潜力，并围绕计算架构的可靠性、真空环境的热控系统以及智能化应用三大关键技术挑战提出了系统性的应对策略。该研究为未来构建高性能、高可靠的空间智能计算平台提供了工程参考与技术路径。

天基计算的性能鸿沟与COTS器件的引入

随着卫星星座的快速扩展，空间数据的生成量呈指数级增长，有限的星地通信带宽已难以满足海量数据的传输需求。将计算资源部署在卫星上进行在轨处理成为解决传输瓶颈的必然趋势。然而，传统的抗辐射宇航级芯片性能较低（如RAD5500仅提供0.9 GFlops算力）。与地面商用现货（COTS）器件（如NVIDIA A100的156 TFlops算力）相比，二者存在三到四个数量级的巨大性能鸿沟（如图1所示）。因此，在星载计算系统中引入高性能COTS器件，配合系统级加固技术，已成为提升空间计算能力的关键路径。

图1.抗辐射处理器与商用现货（COTS）器件的性能演进对比图

突破极限：高可靠计算架构与混合热控系统

在极端空间环境中，COTS器件的应用面临可靠性与散热两大严峻挑战。在计算架构层面，天基计算正从分布式嵌入式系统（DES）向综合智能系统（IIS）演进（如图2所示）。为了弥补COTS器件固有的可靠性短板，研究构建了分层容错理论模型，在组件、系统架构、操作系统及算法层面协同建立容错机制，以抵御空间辐射带来的系统失效风险（如图3所示）。

图2.天基计算架构的演进：从分布式嵌入式系统到综合智能系统

图3.容错天基计算系统的分层可靠性分析框架

在热控系统方面，卫星处于缺乏空气对流的真空环境，且面临急剧交变的温差环境。高性能GPU的高热流密度使得传统的固体传热方式面临失效风险。为此，研究提出了一种主被动混合冷却（HPAC）架构，通过主动液冷回路负责高功耗芯片散热，被动冷却负责低功耗芯片，在保障散热效率的同时有效提升了系统的容错与生存能力（如图4所示）。

图4.空间计算热管理的主被动混合冷却（HPAC）系统示意图

从数据到知识：视觉大模型（VLLM）的在轨应用

高算力COTS器件的在轨部署，为复杂的智能化应用提供了算力底座。研究探讨了将大语言模型（LLMs）特别是视觉大语言模型（VLLM）引入卫星系统的应用前景。通过模型蒸馏和参数量化等优化技术，团队成功在“极光1000-OSE”智能空间计算平台上实现了VLLM的在轨推理。该架构能够实现与地面操作人员的双向自然语言交互，并自动对遥感图像进行智能分析，将海量图像数据直接转化为高价值的自然语言文本，极大地提升了信息服务的时效性（如图5所示）。

图5.面向智能卫星应用的VLLM架构及在轨推理实验结果

结果与讨论

天基计算的演进正在深刻改变卫星数据处理的传统范式。本研究表明，尽管受制于辐射、功耗和散热等极端物理约束，采用基于COTS器件的综合智能系统架构，结合多层级容错机制与混合热控技术，能够有效满足未来空间平台对高性能计算的迫切需求。通过视觉大语言模型在轨推理的成功验证，天基计算展现出了将海量原始数据实时转化为关键情报的巨大工程潜力。随着软硬件协同技术的不断成熟，天基计算将为自主太空探索和太空数据中心等前沿领域的快速发展奠定技术基础。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809925002991?via%3Dihub