AI新时代算力需求高增长，算力网络建设有望奔向太空

算力需求高增长，算力网络建设奔向天空：我们认为商业卫星通信网络基础初步建立进入加速建设阶段（SpaceX首批Starlink2.0卫星23年2月发射+亚马逊Kuiper首批卫星预计23年发射）+以ChatGPT为代表的新兴AI应用带动算力需求高增长+算力资源成为科技竞赛战略性资源，太空数据中心建设有望迎来从0到1突破的黄金机遇期。 太空数据中心是指在太空中运行的数据中心，可提供数据存储、处理和传输等服务，太空数据中心可建设在卫星/空间站，目前空间站商业化尚未大规模启动，以卫星为基础的太空数据中心为主流方案。太空数据中心建设有助于：1）降低数据中心能耗（利用太阳能&空间低温环境）；2）提高太空数据的利用效率和传输速率，减少卫星和地面间传输的数据容量；3）提高低轨卫星全生命周期经济效益产出（信息的传输➡信息的处理&存储）。 科技巨头（SpaceX，Amazon，NTT等）&太空初创公司（LeoCloud、Ramon.Space、OrbitsEdge、Cloud Constellation等）积极加码空间算力网络建设有望带动太空数据中心建设加速。目前主要技术路径为低轨通信卫星搭载计算平台（HPEEL8000服务器、Ramon.Space等计算平台）。HPE EL8000服务器为地面商用边缘计算平台，Ramon.Space专门用于卫星在轨的数据处理和存储，主要能源供给方式为太阳能，卫星间采用激光链路通信，卫星和地面间采用无线电波通信。 太空数据中心对应市场空间包括硬件/基础设施建设+太空数据中心云服务市场，硬件先行，服务有望打开长期成长空间。我们预计2027年太空数据中心对应的硬件设备市场空间为366.3亿美元，NSR预计2021-2031年卫星云服务能够累计创造310亿美元收入。 服务器承担数据处理和存储功能为太空数据中心核心硬件。计算芯片和存储芯片为服务器重要组成（成本占比超过50%），空间环境应用对于太空数据中心芯片提出差异化应用要求，目前商用GPU&CPU&Flash可用于太空数据中心服务器但整体可靠性&耐辐射特性需要进一步验证&强化。专用计算芯片创新、MRAM等技术有望为太空数据中心服务器芯片提供新的选择。 投资建议：建议重点关注：1）空间算力网络建设带动的服务器需求：AI服务器龙头：工业富联；服务器PCB：鹏鼎控股；先进封装：长电科技、通富微电、华天科技；企业级存储：江波龙（计算机团队联合覆盖）、兆易创新、澜起科技等；2）低轨道卫星服务供应商：复旦微电、国光电气（军工团队覆盖）、紫光国微、中国卫通、中国卫星等 风险提示：核心硬件技术进展不及预期、太空数据中心建设进度不及预期、卫星间技术通信进度不及预期、AI行业应用&算力需求增长不及预期、主观测算风险 1.算力需求高增长，算力网络建设奔向太空 1.1.太空数据中心是什么？ 太空数据中心是指在太空中运行的数据中心，可提供数据存储、处理和传输等服务，以满足太空探索和任务需求。太空数据中心通常由航天器或空间站上的计算机设备组成，这些设备可以在太空环境下运行，并能够处理和存储大量的数据。 1.2.为什么要建设太空数据中心？ 相比于传统地面数据中心，太空数据中心能够减少电力成本&运营成本。对IDC服务商而言，电力成本占整体支出中的20%。数据中心成本主要包括：1）电力能耗费用；2）工程及建设费用；3）供配电系统能耗费用；4）场地费用及其他。相比于地面数据中心，太空数据中心能够有效降低电力能耗费用、制冷系统能耗费用、照明及其他费用，可以有效降低成本。 图1：典型2N数据中心机架的总拥有成本（TCO）拆分 图2：数据中心能源消耗情况 在轨卫星数量的增加使得太空数据高速增加，太空数据中心建设有望提升太空数据的利用效率&降低太空回传至地面数据量。2021年全球在轨运行卫星数量共计4852个，同比增长44%，相当于2012年的4.5倍。在轨卫星数量增加带动太空数据增加，太空数据中心的建设有助于卫星侧实现在轨计算和存储，降低卫星向地面传输的数据量，同时提高太空数据处理的效率。 图3：2017-2021年全球在轨运行卫星数量（颗）及市场份额（%） 太空数据中心建设有助于提升卫星全生命周期经济效益产出。卫星通信网络建设为太空数据中心建设提供网络通信基础，卫星通信承担相对单一的信息传输功能，太空数据中心建设增加信息处理和存储环节，有助于提升卫星全生命周期经济效益产出。 卫星互联网蓬勃发展，卫星网络与地面网络融合+卫星网络算网融合有望进一步加强。卫星通信发展到第四代—卫星互联网阶段，伴随着卫星发射技术的革新&卫星建造发射成本的降低，卫星互联网进入蓬勃发展期，后续卫星网络和地面网络深度融合的分层网络架构为空间算力网络的构建提供网络基础。高、中、低地球轨道和地面网络的分层网络架构使得大型GEO/MEO卫星具备了高性能算力和轻量化核心网及天基数据中心的能力，而LEO卫星等则具备了接入网络和边缘计算的能力，为空间算力网络构建提供了物质基础。2019年11月，工信部成立了IMT-2030（6G）推进组，我国正式启动6G的研发工作，6G网络在5G技术基础上进一步融合了卫星通信、大数据、云计算与人工智能等技术，使得“网络+算力”的特征愈加明显。 图4：天地一体化算力网络架构 1.3.核心技术要求—低时延&抗辐射 1.3.1.通信要求—低时延 星间激光通信技术不依赖地面站进行卫星间数据传输，可有效降低数据传输时延，是空间算力网络建设的通信基础。激光通信在空间传输中具有波长短，抗干扰能力，抗截获强的特点，是卫星通信与导航的主要方式，由激光通信连接的星间链路具有高速率、高带宽、高安全性等优势，可以提供高质量卫星空间通信。激光通信具有很高的能量集中度，当需要较高的链路通信速率时，激光通信通在体积、重量和功耗方面更具有优势，构建激光星间链路成为下一代卫星网络的研究重点之一。 基于地面核心网站的卫星传输时延和成本高。基于地面站核心网的卫星通信主要传输线路是：用户终端——星链卫星A——地面站核心网及传输——星链卫星B——用户终端，完全取决于地面核心网数据获取及链接，而且还要通过地面站核心网及传输来解决卫星A和卫星B跟两个用户的链接。即使两个用户同在一颗卫星覆盖下需求链接，也需要地面站核心网的链接。这样就大大增加了链接传输的时延和成本。 基于低轨卫星的激光通信建立的太空数据中心不依赖地面站的核心网的支持，大大降低了卫星通讯的时延和成本。星链网络架构数据传输主要线路是：用户终端——星链卫星(包括数据交互)——星间激光链路——星链卫星(包括数据交互)——用户终端。理论上用户在全球任意位置都可接入星链网络，从而享受高速度、低延迟的互联网体验，而不依赖地面互联网。 图5：基于地面核心网的卫星通信 图6：天地一体化数据中心组网 卫星间的激光通信主要实现的是电学信号和激光载波之间的转换。激光通信技术的基本组成如下图所示，相互通信的卫星分别作为光发射单元和光接收单元，其中信号输入到光发射单元，将电信号调制后加载到光波上进行发射，光发射单元包括三个部分，分别为光源、信号调制器以及光放大器等其它器件组成。经过信道传输后进入光接收单元，其中光接收单元是将光信号转变成电信号，主要架构包括两个部分，分别为光电探测器以及解调电路构成，并最终通过解调恢复出原始信号。目前空间激光通信根据解调方式的不同可以大致分为两种体制，分别为IM/DD探测以及相干探测。 图7：激光通信基本组成 1.3.2.硬件要求—抗辐射 太空数据中心芯片等电子元器件需要满足抗辐射特性。太空数据中心运行的空间环境中，存在着大量的高能粒子和宇宙射线，高能粒子或宇宙射线与元器件的材料相互作用会产生辐射效应引起器件性能退化或功能异常。引起器件辐射效应的主要空间辐射源包括地球辐射带、银河宇宙射线、太阳宇宙线和人工辐射。高能带电粒子导致的单粒子效应对于器件工作影响最为严重。单粒子效应（SEE）是指高能带电粒子在穿过微电子器件时，在器件内部敏感区产生电子-空穴对，这些电荷被灵敏器件电极收集后，造成器件逻辑状态的非正常改变（软错误）或器件损坏（硬错误）。 表1：单粒子效应的分类和描述 1.4.为什么我们认为现在开始需要关注太空数据中心？ 我们认为在新一轮算力建设景气周期+LEO商业卫星通信基础初步建立进入加速建设背景下，太空数据中心建设有望打开行业突破口，迎来从0到1突破的黄金机遇期。 1.4.1.SpaceX Starlink2.023年已经开始第一批发射 具备卫星间激光通信功能的第二代Starlink卫星开始发射。截至2023年3月17日，SpaceX发射了第76批52颗Starlink互联网卫星，目前共计发射了Starlink互联网卫星4105颗。 按照SpaceX第一阶段星链计划（在距离地面550公里的高度发射部署4408颗卫星），目前第一阶段星链计划已经接近完成。据EverydayAstronaut网站2月28日消息，美国SpaceX公司利用“猎鹰”-9火箭成功发射第73批21颗微版“星链”v2.0（Starlink V2 Mini）卫星，是首批发射的第二代Starlink卫星。 表2：Starlink卫星历代型号对比 1.4.2.云计算龙头亚马逊ProjectKuiper首批低轨道卫星预计23年年内发射 全球云计算龙头亚马逊（2021年云计算业务市场规模占全球云计算市场空间39%），在2023年2月FCC批准亚马逊轨道碎片处理计划后，亚马逊旗下Kuiper Systems能够正式发射首批卫星。Amazon在2020年的时候，宣布投入100亿美元发展Kuiper卫星计划，Project Kuiper计划将向低地球轨道(LEO)发射3,236颗卫星，以形成一个完整的全球星座。Kuiper Systems LLC和亚马逊也旨在提供低延迟的快速宽带。2020年获FCC同意发射3,236颗卫星，但需要Kuiper提交轨道碎片处理计划才能够正式发射卫星。2023年2月FCC正式批准Kuiper轨道碎片处理计划，公司计划在2023年年初发射首批2颗原型卫星。 图8：Project Kuiper项目进展 1.4.3.以ChatGPT为代表的新兴AI应用驱动新一轮算力建设景气周期 以ChatGPT为代表的新兴AI应用驱动新一轮算力建设景气周期。微软在2019年以10亿美金投资OpenAI，2020年买断GPT-3背后基础技术的独家许可，Azure云平台成为其独家云供应商。中国工信产业网披露，从GPT到GPT-3，参数量从1.17亿到1750亿，增长接近1500倍，庞大的参数量带动算力需求持续高速增长。在当今以深度学习为中心的人工智能发展中，AI模型的进步主要依赖于大规模数据的消化，伴随着AI模型的数据量、结构的复杂程度不断增加，模型尺寸呈现指数级增加，AI应用创新持续进行有望带动算力需求继续高增，OpenAI的研究人员预计在ChatGPT带动下全球算力需求以每2个月翻倍速度成长，需求增速加快有望驱动新一轮算力建设景气周期。 图9：全球算力需求预测 2.通信卫星搭载计算平台为太空数据中心主要方案 2.1.太空初创企业&科技巨头多环节参与空间算力网络建设 面对不断增长的算力需求和商用卫星基础建设的加速，多家太空初创企业&科技巨头多环节参与空间算力网络建设，空天地一体化算力融合网络架构初见雏形。以SpaceX、Amazon Kuiper以及OneWeb为代表的卫星互联网建设为空天地一体化算力融合提供了天基算力网络基础。LeoCloud& Ramon Space、OrbitsEdge & HPE等卫星在轨边缘计算提供了新的解决方案，利用天基边缘计算节点减小地基网络的计算量，提升卫星数据的处理效率。NTT &SKY Perfect JSAT以及CloudConstellation主要关注天基地基之间数据传输的中继服务。地面云计算巨头如亚马逊，微软和谷歌为卫星数据提供云计算支持，有助于未来天基和地面侧算力网络的融合