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          馬斯克的星鏈與芯事:芯片如何掀起衛星互聯網革命?

          2023-07-11 09:55:13    來源:維科號

          衛星互聯網成為人類夢想由來已久,從銥星到Oneweb再到現在備受關注的星鏈,人類從未放棄衛星互聯網領域探索,尤其是近幾年馬斯克的“星鏈”計劃,因其規模較大、牽涉關系復雜、推進較快,被視為衛星互聯網領域的顛覆性項目,相比銥星、Oneweb,星鏈究竟顛覆了什么?創造了哪些衛星互聯網的新范式?哪些要素是新構建出來的?

          6 月15日晚8點,芯流智庫的主編楊健楷,邀請了博源資本的合伙人呂和糠,一位硬科技領域的資深投資人,在騰訊科技《芯事重重》專欄直播,請他從星鏈引入為我們剖析衛星互聯網的演進歷史。

          【主持】楊健楷,芯流智庫主編。【嘉賓】呂和糠,博源資本合伙人,硬科技領域資深投資人。

          本文分為五個部分:

          1. 星鏈出現前衛星互聯網的商業模式;2. 芯片在星鏈中的角色;3. 馬斯克如何管理芯片供應鏈;4. 國內衛星互聯網發展;5. 尾聲:總結與預測。

          以下為正文:

          星鏈出現前衛星互聯網的商業模式

          芯流智庫:星鏈(Starlink)之前有銥星、Oneweb等老前輩,這三代衛星之間的商業模式有何不同?

          呂和糠:首先,功能實現方面,銥星主要是中高軌道,星鏈主要是中低軌道,銥星從功能豐富性上先天弱了一些,主要依靠衛星實現通話,替代傳統的蜂窩網絡,但是蜂窩網絡在通話領域具有地面傳輸快、范圍廣的優勢,所以銥星一般用在海上任務等小眾通訊領域。尤其隨著流量擴大、頻道提升,衛星傳輸的距離弱勢逐漸明顯。但到了現在4G、5G廣域覆蓋成本越來高,經濟效益變差,衛星互聯網的商業模式開始成型。

          第二,從運行的成本來看,馬斯克把整個產業做成了閉環,從發射火箭到芯片再到終端運營,馬斯克通過可回收的方式,一箭多星,壓縮發射成本,產業鏈更長;同時馬斯克降低衛星成本,不追求衛星的使用壽命,把衛星作為消費電子型的消耗品,很大程度解決了行業成本高的痛點。

          第三,馬斯克經濟實力相對雄厚,能夠支撐衛星研發、火箭發射等整條產業鏈研發往前推薦,Oneweb等,資金實力就相對差一些,整合就沒那么好。

          第四,到目前,創立較早的Oneweb的商業模式,也在向星鏈的方向推進,但是依然沒有星鏈那么極致。

          芯流智庫:為什么星鏈的發展是一種非線性的態勢?從2015年成立以來成果并不突出,但是2018年以后突然爆發,衛星研發、火箭發射速度開始變得非???,搭載的衛星數量也從開始的兩個,變成幾十個到上百個?

          呂和糠:因為最近兩年星鏈產業各方面技術逐漸成熟,所以發射能力提升。第一,衛星發射是較長的產業鏈,馬斯克基本是自己負責星鏈的整條產業鏈,技術不斷迭代升級。發射火箭從可回收到海上可回收,從中型火箭到大型運載火箭,發射能力逐漸提升;第二,衛星從立方體經歷五六代到目前的球形,衛星單重從幾百公斤到大幾十公斤,衛星集成度、成本以及攜帶功能不斷升級;第三,衛星目前可以攜帶激光通信載荷,未來還可以增加網絡防護、電子對抗等功能,不同的載荷和衛星結合能夠實現新的功能,未來衛星是柔性化平臺的定位。

          芯片在星鏈中的角色

          芯流智庫:部分資料顯示衛星使用 Sparc 架構的 SoC 芯片,是太陽公司上世紀末研發的非常小眾的芯片,為什么選擇這種架構?

          呂和糠:其實所有衛星芯片的嵌入式系統,基本上都是 Sparc架構。因為Sparc可靠性比較強。

          除了主芯片之外,衛星里面其他比較重要的芯片,以前成本比較高。但是整體來講,馬斯克從芯片層面把以前非常貴的東西做成了白菜價。

          比如相控陣,半導體材料原來用的是氮化鎵、砷化鎵,單通道成本幾千美元,而一顆衛星需要相控陣天線芯片的成本就需要幾千萬,馬斯克用硅基芯片替代,定制了收發集成度很高的芯片,使用了非常多的新技術,將成本降到了單通道幾十美元的量級,是非常厲害的提升。

          實現星鏈星間組網的激光通信,之前也很高成本,因為要在距離幾萬公里、幾十萬公里的兩顆星之間用一束激光對準通信,但馬斯克用了很多低成本、沒有特別復雜的芯片方案,大幅降低了成本。

          芯流智庫:聽起來似乎馬斯克把衛星從傳統的高高在上的層級降低了,舉措類似消費電子化?

          呂和糠:是的。美國傳統航空體系基本由國防單位負責,都是洛克希德馬丁、波音這些公司去承接任務。

          馬斯克走民用路線,融入了消費電子化的思路。他造車也一樣,大家說造車貴,他就用工業級,看似降低了一些門檻,但從整體系統上來講,可靠性目前可接受。

          所以,其實我們可以反思一下,在整個研制流程里面,到底什么樣的項目上才要上高可靠性的標準。傳統的高軌的一顆星,當然要講萬無一失;但是中低軌衛星,就是偏消費的高值易耗品,沒必要,報廢后放到太空就可以了。

          當然,馬斯克“消費電子化”做太空工業,也帶來一個問題,就是十年后如何處理太空垃圾變成比較重要的事了。

          馬斯克如何管理芯片供應鏈

          芯流智庫:之前一兩年芯片短缺比較嚴重,馬斯克如何應對或者他怎樣管理芯片供應鏈?

          呂和糠:第一,因為衛星整體數量比較少,所以短缺相比起車或者其他消費品來說壓力比較小。第二,在保障芯片供應鏈方面,馬斯克衛星的核心芯片基本上都是定制的,就是先提出需求,然后找到ST等公司定制。

          芯流智庫:除了芯片外,衛星還包含很多零部件,它的衛星工廠是怎么運作的?比如流水線、工人、自動化等?

          呂和糠:馬斯克在衛星生產方面借鑒了造車的思路,具有創新性。

          一般來說,高軌上三顆衛星可以覆蓋全球,低軌要至少千顆衛星才能叫做一個星座,衛星數量級提升了上百倍。這種情況下,馬斯克做了很多自動化嘗試,過去衛星生產是半自動化,需要手工參與。馬斯克引入全自動化生產線,將衛星產品設計為標準的立方形,從系統層面改進生產流程,大幅降低生產成本。

          芯流智庫:這種自動化程度比較高的工廠,產業鏈是否已經比較成熟?在生產自動化里,可能怎么定義生產流程是最重要的,反而其他的技術性的東西可能沒那么重要?

          呂和糠:自動化肯定不是技術突破上的難度。

          按馬斯克第一性原理來分析,首先馬斯克定義了大規模巨型星座,為了實現目標,最大的困難是降低成本。傳統衛星不能大規模,因為過去以安全性為主,要求保障它的可靠性,每發都能成,每顆星都能在軌運行二三十年。

          但是馬斯克沒有可靠性、萬無一失的需求,他進行很多降本的嘗試,建立了自動化的工廠。過去沒有人會想把衛星生產自動化,因為如果只有一顆、兩顆、 十顆,自動化的投入產出是不成正比的。只有大規模生產,自動化的投入才有它的價值。所以馬斯克自動化生產很大程度上是因為目標決定怎么去做。

          芯流智庫:星鏈的架構中有一個信關站,它會起到什么樣的作用?

          呂和糠:前面幾代衛星,星與星之間的數據沒有直接聯通。但是每顆衛星收發都有不同的數據,就要通過一個地面比較大型的終端發信號,就像基站一樣,信關站把所有信息全部重新傳一遍回去,實現所有信息同步,確保每一刻數據是同步的。

          后來,在異軌之間用微波的方式,同軌之間用激光的方式,實現了每顆星之間的數據互聯,減少了對信關站的需求。如此,星間通信就逐漸減少了對信關站的依賴。

          芯流智庫:星間組網對星鏈能力有哪些增強?

          呂和糠:衛星間信息傳播速率和實時性進一步提高了,這只是星鏈作為一個平臺的開始,星鏈平臺上可以搭載的東西將越來越多,可以實現不同的作用。

          比如可以掃描,可以勘測,可以做遙感。

          而且天上只有有限的軌道資源,申請后需限期盡快使用。所以,星鏈一但在太空中形成一個穩固的平臺,那就是壟斷且排他的。

          要達成這樣一個平臺需要同時具備幾個要素:首先是低成本大規模發射能力,然后是低成本衛星制造能力,最后是低成本終端部署能力。

          芯流智庫:衛星網絡對傳統GPS有影響么?

          呂和糠:未來二者將建立復合網絡,互相增強,可能不會有直接沖擊。未來低中高軌信息共享,功能可能進一步融合。

          國內衛星互聯網發展

          芯流智庫:我國正在針對馬斯克的星鏈推出類似的國產版本,其實我們的地面通信基礎設施可以說是領先全球的,我國發展類似衛星互聯網,主要考量是哪些因素?

          呂和糠:中國4G、5G的建設已經領先全球,覆蓋了大概百分之三四十的國土面積,剩余部分由傳統蜂窩網絡覆蓋,經濟價值較低,但是在特定場景,比如應急通信、搶險救援等依然還是需要。包括自動駕駛的實現,可能會面臨沒有網的問題,在某些地廣人稀、沒有信號的地方需要衛星網絡來支持。未來所謂的6G一定是空天地一體化的通信方式。

          芯流智庫:星鏈大獲成功應該是在2019年左右,此時我國建立起相應的計劃但是進展有限,后來原來各自努力的公司開始聯合攻關,如何看待我國星鏈經營體制的這種變化?

          呂和糠:可能當時組織性還沒有那么強。當時民間、國家都有自發組織,但是如果想要趕超馬斯克,需要全部融合在一起,專門成立央企牽頭,集中力量辦大事。

          但是馬斯克之所以能成功,是因為他先解決有無問題,再解決好壞問題。比如一開始星鏈的衛星間通信使用握手協議,是最簡單的一種通信方式,安全程度非常低,但這不妨礙星鏈隨后迅速優化迭代了很多個版本,到現在,加密通信技術已經非常成熟了。

          那對我們國家最大的啟示,就是需要先解決有無,然后再不斷的去改進完善,可能這更符合衛星互聯網發展的規律。

          芯流智庫:我們現在有沒有解決有無的問題?如果解決了,現在制造能力和發射能力處于和星鏈的一個什么樣的相對位置?產業鏈各環節狀況如何?

          呂和糠:我們2024年前要發射一些新的衛星,也有招標的計劃。如果從數量來講,我們離馬斯克還有點距離。但是我們起步較晚,可以理解。

          產業鏈方面,我國目前薄弱的大概有兩部分。第一部分是發射,馬斯克已經反復實現各種回收的方式,從對火箭發射回收的整套技術掌握程度來看,馬斯克的領先性還比較強。第二是芯片,馬斯克背后有大公司在提供低成本的成熟芯片。我國芯片成本方面優勢比較小,難度可能較大,尤其前面提到的相控陣等價格很難降下來。

          芯流智庫:星鏈不像特斯拉公開很多技術和標準,它后期資料保密程度很高,對中國公司研發是較大的挑戰,我國如何實現技術上的突破?

          呂和糠:新能源汽車需要和傳統汽車pk,所以需要盟友。但是星鏈是資源排他性業務,軌道資源沒了就沒了,所以需要保密。

          尾聲:總結與預測

          芯流智庫:我國衛星互聯網發展將來應該怎么做?

          呂和糠:第一,迅速脫離對好壞標準的討論,先進行實質性的推進,要先著手去做,不用糾結是不是思慮周全、產品準備充足了。

          第二,需要產業鏈的分工以及引入更多的民營企業參與。NASA因為引進space x解決了成本問題。在 space x 之前,美國的航天事業成本比較高,引入民營可以通過鲇魚效應降低成本。

          芯流智庫:全球衛星互聯網領域,未來會呈現怎樣的行業競爭格局?

          呂和糠:能做衛星互聯網的國家會很少,因為其要求幾個要素:

          第一,科研能力,衛星是高技術門檻行業,中間涉及的科研內容比較多,學科分布廣、跨度大。光這一要素決定了,可能只有中、美、歐能做衛星互聯網。

          第二,市場需求。衛星需要盈利,需要足夠的需求,也就是要足夠的人口。目前來看,只有中、美、歐才能有這么多人去買單、去支持。第三世界的友人,現在雖然有很強的需求,但可能此時此刻付費能力還是有限的。

          就像衛星導航,最后全世界導航網絡只有四套:我國的北斗、歐洲的伽利略、俄羅斯的格洛納斯、美國的GPS??紤]到中低軌對敏捷、成本要求越來越高,可能俄羅斯競爭力會衰退,所以最后剩下就是中國一套,歐洲一套,美國一套。

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