一張衛星的定裝照裡,最先看到的多半是那層金褐色外皮。多層隔熱材料像錫紙一樣貼著稜線起伏,接縫用鉚釘與壓條收邊,高反射的表面把鏡頭打來的光原樣彈回去。這層毯子底下,是 Google 送上軌道的張量處理器 TPU。這顆晶片的在軌紀錄,近日在問答平臺上又被翻出來討論:運轉十五分鐘,因為過熱被直接關機,接著花四十五分鐘降溫。降溫的方式只有一種,輻射。沒有風扇,沒有水冷,機房裡那些熟面孔一個都幫不上忙。
太空是一隻保溫瓶
一八九二年,蘇格蘭物理學家杜瓦做出一隻瓶子。雙層壁,夾層抽成真空,內壁鍍銀。熱的離開方式有三種:傳導、對流、輻射。這個設計砍掉了前兩條,再用鍍銀面削弱第三條。它後來走進廚房,名字叫保溫瓶。
軌道上的處理器,就坐在這隻瓶子裡。地球表面的大氣是一座巨大的散熱緩衝池,晶片的熱可以先交給空氣,再由空氣帶到別處。真空裡沒有這個中介。晶片每跑一個運算週期產生的熱,都被原封不動留在船體內。瓶身抽真空是為了保溫,軌道上的真空同樣保溫,只是這回被留在裡面的熱,是晶片自己發的。問答平臺上被大量轉發的那個比喻說得直接:太空給人的冷是錯覺,它真正的性質是隔熱。
沒有空氣之後,散熱只剩一條路
地球上的散熱設計有一套熟練的文法。鰭片把表面積折出好幾倍,風扇把空氣推過鰭片間的縫隙,水冷迴路把熱從冷板搬去更寬的交換面。這套文法成立的前提只有一個:手邊有流體願意把熱接走。
真空把前提抽掉了。鰭片之間空無一物,扇葉轉了也沒有東西可推。熱要離開船體,只剩最後一條路,以紅外線的形式輻射出去,而這條路的容量寫死在物理裡:輻射功率與表面發射率成正比,與溫度的四次方成正比,剩下的變數是面積。晶片能容忍的溫度有其上限,於是工程師能動的手腳全在面積與塗層上。要在軌道上排掉一座機櫃等級的熱,輻射板得用平方公尺起跳。朝向也是學問:朝著地球會收到地球自己的紅外輻射,朝著太陽直接進帳一整顆恆星,乾淨的出口只有深空的方向。國際太空站兩側掛著的白色散熱翼,就是這條路的成品。
色票即規格
太空硬體的配色向來有一種復古的華麗感,金色毯與白色板構成主調。這套色票沒有一筆是審美決定。每個表面背後對應兩個數字:對太陽光的吸收率,與對紅外線的發射率。金色隔熱毯要在擋住日光與鎖住船內溫度之間取捨,白色散熱漆與鏡面陶瓷片要在少吸光、多放熱的象限裡工作,韋伯望遠鏡那五層鍍膜薄膜則負責把一側的日光與另一側的低溫徹底隔開。那層金色的來歷其實很材料:聚醯亞胺薄膜本身的琥珀色,疊上鍍鋁層的鏡面反射,就成了這個色。工程師在吸收率與發射率兩個欄位裡選完,色彩才被翻譯出來。
材質換寫的語法,我們在Apple Watch Edition 的材質文法裡讀過:換殼材寫的是定位與價格帶。軌道上換塗層,寫的是熱帳本。同一塊鋁,拋光與陽極發黑是兩種散熱性格,前者把輻射彈回去,後者把熱送出去。
十五與四十五
把那組數字排成規格表來讀:運轉十五分鐘,停機四十五分鐘,工作週期四分之一。地球機房的處理器不認識這種欄位,風扇與冰水主機在背景裡日夜運轉,排程表上沒有冷卻這一格。在軌道上,冷卻直接長進了時程表,每一段運算任務都自帶一張時間收據,跑多久,就得安靜多久。四十五分鐘也不是線性倒數,輻射功率隨溫度的四次方衰減,晶片剛關機時降得快,愈接近背景溫度,每一度都要等更久。算力從連續供應的服務變成一格一格的配給,這會反過來改寫軟體的設計:任務要切成十五分鐘以內的批次,快取與電源狀態要配合冷卻窗口重新安排。
第一張圖是散熱板的面積圖
把資料中心搬上軌道的提案,賣點欄位寫得漂亮:軌道上日照不間斷,不用冷卻水,不與城市搶電。這些欄位都成立,只是同一份提案裡,散熱向來印在最後一頁的小字。這次十五分鐘的紀錄把小字放大成正文:每一瓦的運算都要配上足夠的輻射面積,而每一平方公尺的面積都得用火箭送上去,再攤開與轉向。輻射板自己的帳也很長:材料要輕,展開機構要可靠,微型隕石還會在板上留孔。商業發射的拼車模式正在把每公斤上軌的成本往下壓,我們先前讀過的朱雀二號改進型一箭十星的發射設計就是這條路的縮影。太空算力的成本結構於是可以寫成一行:運算愈做愈便宜,散熱的價格用發射報價單結算。
問答平臺上的熱門回覆下了重話,說太空算力還沒起步就要結束。這組數字其實沒有宣判什麼,它只是把帳單攤開。十五分鐘是現有的塗層、面積與姿態控制一起結出來的結果,三個變數都還有得改,改到什麼程度,決定這門生意是實驗還是產業。
回頭看那張定裝照。隔熱毯的褶線、散熱翼的白色板面、背對太陽的朝向,這些細節在軌道上就是造型本身。地球上的散熱是藏在機殼裡的工程,做得最好時幾乎看不見;在太空裡,散熱直接決定飛行器的形狀與比例。下一次如果出現太空資料中心的渲染圖,值得先找的構件,會是那片朝著深空張開的板。