Presenetljivo je, da so sodobna vesoljska plovila opremljena z zastarelimi procesorji, ki so bili razviti v 20. stoletju. V tem članku vam bomo povedali, kaj je razlog za to stanje.
Vesoljske ladje so pravi čudeži tehnike, opremljene z vsemi vrstami elektronike. Sem spadajo seveda tudi procesorji, zahvaljujoč katerim lahko oprema izvaja zelo zapletene izračune. Čipi, ki jih uporabljajo pri razvoju Nase in drugih vesoljskih agencij, pa lahko pogosto izgledajo kot zastarele naprave, ki jih že dolgo ne proizvajajo.
Ko govorimo o procesorju, verjetno takoj pomislimo na bloke naših namiznih računalnikov. Številni čipi so vplivali na tehnološko industrijo. Trenutno so že razviti zmogljivi superračunalniki z ogromno računalniško močjo. Logično bi bilo uporabiti podobno opremo na tako zapletenem tehnološkem področju, kot so vesoljske raziskave. Pristanek na Luni ali izstrelitev in manevriranje vesoljske sonde na milijone kilometrov oddaljenosti od našega planeta zagotovo zahteva veliko računalniško moč. Izkazalo se je, da ni čisto tako, in marsikdo izmed vas bo verjetno presenečen nad tem, kako malo je potrebno za nadzor, na primer, vesoljske postaje. Mimogrede, novi rover Perseverance, ki je nedavno uspešno pristal na Rdečem planetu, temelji na procesorju RAD750, ki je posebna različica PowerPC 750 - srca računalnikov iMac G3, ki so izšli pred več kot 20 leti. . In helikopter Ingenuity, ki prav tako trenutno deluje na Marsu, je opremljen s procesorjem Snapdragon 801. Ta vesoljska plovila, ki opravljajo najbolj zapletene računalniške operacije, delujejo na takšnih "navadnih" ali celo zastarelih mikroprocesorjih. Toda to stanje se verjetno ne bo spremenilo niti v prihodnosti. Ugotovimo, zakaj so znanstveniki v Nasi in drugih vesoljskih agencijah prisiljeni uporabljati tako šibke SoC.
Preberite tudi: Teraformiranje Marsa: Ali se lahko Rdeči planet spremeni v novo Zemljo?
Vesoljski procesorji so presenetljivo počasni
Začnimo s primerom, ki bi moral biti vsem dobro znan. Govorimo o dogodku, ki se je zgodil 16. julija 1969. Na ta dan je v okviru misije Apollo 11 nosilna raketa SA-506 ponesla vesoljsko plovilo Apollo iz Zemljine atmosfere. In 4 dni kasneje sta ameriška astronavta Buzz Aldrin in Neil Armstrong prvič v človeški zgodovini stopila na površje lune. Misija je bila uspešno izvedena s pomočjo AGC (Apollo Guidance Computer), razvitega leta 1966. Zasnova je bila z vidika računalniške tehnologije precej zanimiva, a ob pogledu na tehnične lastnosti te naprave smo lahko samo presenečeni, da je misija sploh uspela. Samo pomislite, čip na krovu je deloval s taktno frekvenco samo 2,048 MHz in je imel RAM le 2048 besed. Da, točno besede. Se pravi, zdaj se zdi preprosto neverjetno, toda takrat je bil to eden najsodobnejših računalnikov.
Omeniti velja, da je domači računalnik ponujal podobno zmogljivost Apple II, ki je izšla nekaj let pozneje. Z drugimi besedami, vesoljsko plovilo je takrat imelo tehnično opremo, ki je bila pred časom.
Vendar je takšno stanje trajalo do neke točke, hitro se je pokazalo, da učinkovitejša naprava ni nujno najboljša rešitev, včasih pa je lahko tudi bolj nevarna. Prelomnica v zgodovini vesoljske elektronike je bila določitev natančnih vrednosti kozmičnega sevanja in njegovega vpliva na tehnologijo. Kako pa sevanje vpliva na sam procesor?
Ko je bilo vesoljsko plovilo Gemini, opremljeno s preprostim vgrajenim računalnikom, izstreljeno v vesolje, so bile tehnologije, uporabljene za njegovo ustvarjanje, danes izjemno primitivne. Vendar se je v vesolju to izkazalo za veliko prednost.
Dandanes se pri izdelavi novih procesorjev uporabljajo sodobnejši tehnološki procesi, zdaj lahko enostavno kupimo praktično mikroskopske procesorje izdelane po 7nm litografiji. Manjši kot je čip, manjša napetost je potrebna za vklop in izklop. V vesolju lahko to povzroči resne težave. Dejstvo je, da pod vplivom sevalnih delcev obstaja možnost nenačrtovanega preklopa stanja, v katerem bo tranzistor. To pa lahko povzroči, da slednji preneha delovati v najbolj nepričakovanem trenutku ali pa bodo izračuni, opravljeni s takim procesorjem, netočni. In v vesolju je to nesprejemljivo in lahko vodi do tragičnih posledic.
Zanimiv primer je na primer procesor Intel 386SX (okrajšana različica Intel 80386), ki je krmilil tako imenovano stekleno kabino. Deloval je pri taktu približno 20 MHz, kar pomeni, da je lahko opravil naloge pri 20 ciklih na sekundo. Že v času prvenca v vesoljski konstrukciji čip ni imel posebej visoke hitrosti, a še pomembneje je, da je bil procesor zaradi nizke taktne frekvence varen.
Ko so izpostavljeni sevanju, lahko njegovi delci poškodujejo podatke, shranjene v predpomnilniku procesorja. To je mogoče v zelo kratkem oknu - nizek čas ga znatno zmanjša, kar pomeni, da so hitrejša vezja bolj izpostavljena sevanju. Preprosto povedano, sevanje lahko sčasoma vpliva na shranjevanje podatkov in poškoduje sam procesor. To je nesprejemljivo v pogojih delovanja vesoljske postaje, nosilne rakete ali sonde. Nihče ne bo tvegal milijonskega projekta.
Preberite tudi: Kaj nam lahko prepreči kolonizacijo Marsa?
Destruktivno sevanje
Včasih so vpliv sevanja kompenzirali s spremembami v samem proizvodnem procesu, na primer z uporabo materialov, kot je galijev arzenid. Vendar je bila vsaka sprememba zelo draga. Poleg tega se sistemi za vesoljska vozila ustvarjajo v specializiranih tovarnah v majhnih količinah. Šele uporaba tehnologije RHBD je omogočila uporabo standardnega postopka CMOS pri izdelavi mikrovezij, odpornih na sevanje. Uporabljene so bile tudi tehnike, kot je trojna redundanca, ki omogoča, da so tri enake kopije istega bita ves čas shranjene. Ko jih potrebujemo, se izbere najboljša.
Uničujoči učinki sevanja na sisteme vesoljskih plovil so nekoč povzročili neuspeh ruske misije Phobos-Grunt. Čip WS512K32V20G24M, zasnovan za vojaška letala, so poškodovali težki ioni iz kozmičnih žarkov. Prevelik tok je poškodoval računalnik in prešel je v varen način. Zaradi težav s komunikacijo ponovni zagon ni bil mogoč, kar je pripeljalo do vstopa sonde v atmosfero in njenega zgorevanja.
Zato se za projekte z dolgo življenjsko dobo uporabljajo res trpežni bloki. Na primer, teleskop Hubble je bil prvotno opremljen z 8-bitno enoto Rockwell Autonetics DF-224 z urno frekvenco 1,25 MHz. Kmalu je postalo jasno, da je to slaba ideja, in NASA je morala iti skozi postopek zamenjave čipa z Intelovim. Leta 1993 je bil teleskop prilagojen za podporo Intel 386, med servisno misijo 3A leta 1999 pa je bil par čipov DF-224 in Intel 386 zamenjan s čipom Intel 486.
Tukaj smo že navedli primer vesoljske postaje. Zdi se, da bi morala imeti tako velika in zapletena struktura na krovu zelo učinkovit sistem. Vendar temu ni tako. Znano je, da glavni računalnik na Mednarodni vesoljski postaji (ISS) teče na že omenjenem bloku Intel 386. V osnovi se uporabljata dva sklopa treh računalnikov - enega ruskega in enega ameriškega. Oglejmo si tudi veliko novejše vesoljsko plovilo New Horizons, ki je leta 2015 preletelo Pluton in ciljalo na Kuiperjev pas. Za večino funkcij v tej napravi je bil odgovoren čip Mongoose-V, odporen proti sevanju, s taktno frekvenco 15 MHz, ki lahko opravlja naloge s hitrostjo 40 ciklov na sekundo. Njegova zmogljivost je blizu zmogljivosti procesorja, na katerem teče konzola PlayStation.
Ko pogledamo še tako sodobna vesoljska plovila, vidimo, da oblikovalci uporabljajo rešitve, ki so pogosto stare več desetletij. Pred kratkim je ves svet spremljal pristanek roverja Curosity na Marsu. Malokdo bi uganil, da je v notranjosti procesor BAE RAD750 s taktom le 200 MHz, izboljšana različica čipa IBM PowerPC 750. Če ste kdaj imeli računalnik Apple, morda poznate ta procesor iz serije iMac. Poleg tega je uporabil tudi manj učinkovit mikroprocesor iz konzole Nintendo Wii. V povezavi z zahtevami delovanja v pogojih povečanega sevanja se je njegova taktna frekvenca zmanjšala za več kot trikrat.
Omenili smo že, da rover Perseverance deluje tudi na procesorju, ki je bil izdan pred več kot 20 leti. Z drugimi besedami, nič se ni spremenilo in vesoljska plovila, ki stanejo milijone dolarjev, uporabljajo mikroprocesorje, ki so bili izdani v prejšnjem stoletju. Ne glede na to, kako se sliši, vendar je res.
Preberite tudi: Prostor na vašem računalniku. 5 najboljših aplikacij za astronomijo
Programska oprema in računalniki, ki poganjajo Crew Dragon, Falcon in Starlink
Odločili smo se, da podrobneje ugotovimo, kaj se uporablja kot programska oprema, na primeru znanih Crew Dragon, Falcon in Starlink.
Ko slišimo ime vesoljskega plovila Crew Dragon, marsikdo pomisli na tri zaslone na dotik in modri vmesnik za upravljanje, ki smo jih videli med oddajami. Še vedno poteka veliko razprav o izvedljivosti upravljanja vesoljskega plovila z uporabo zaslonov na dotik namesto gumbov, stikal in igralnih palic. SpaceX so izbrali to možnost, ker je bil njihov cilj oblikovati ladjo tako, da ne bo zahtevala nadzora, hkrati pa bo imela posadka vedno dostop do čim več informacij. Ladja je popolnoma avtonomna in edina stvar, ki jo morajo astronavti nadzorovati, je omejena na sisteme v notranji kabini, kot je glasnost avdio sistema. Nadzor leta ladje in njenih najpomembnejših sistemov s strani astronavtov bi morali izvajati le v nujnih primerih, SpaceX pa je poskušal s pomočjo samih astronavtov razviti najboljši grafični vmesnik za te naloge.
Vendar je treba upoštevati, da je mogoče ključne funkcije ladje upravljati z gumbi pod zaslonom. Posadka ima možnost zagnati sistem za gašenje požara, odpreti padala ob ponovnem vstopu v atmosfero, prekiniti polet proti ISS, začeti zasilni spust iz orbite, ponastaviti računalnike na vozilu in opraviti druge nujne naloge. Ročica pod srednjim zaslonom omogoča astronavtom zagon evakuacijskega sistema. Imajo tudi gumbe za zagon in preklic ukazov, vnesenih z uporabo zaslonov. Na ta način, če astronavt izvede ukaz na zaslonu in ta ne uspe, ima še vedno možnost preklicati ukaz s pritiskom na gumb pod zaslonom. Jasnost in vodljivost zaslonov sta bili preizkušeni tudi v pogojih tresljajev, testne ekipe in astronavti pa so opravili številne teste v rokavicah in zaprtih vesoljskih oblekah.
Verjetno najpomembnejša zahteva za sistem za nadzor raket in ladij je seveda zanesljivost. Pri raketah SpaceX je to zagotovljeno predvsem zaradi redundance sistema, torej zaradi uporabe več enakih komponent, ki delujejo skupaj in se lahko podvajajo in dopolnjujejo. Zlasti Falcon 9 ima skupaj tri ločene vgrajene računalnike. Vsak od teh računalnikov bere podatke iz senzorjev in sistemov rakete, izvaja potrebne izračune, sprejema odločitve o nadaljnjih dejanjih in ustvarja ukaze za sprejemanje teh odločitev. Vsi trije računalniki so med seboj povezani, dobljeni rezultati pa se primerjajo in analizirajo.
Računalniki temeljijo na dvojedrnih procesorjih PowerPC. Spet obe jedri izvajata enake izračune, jih primerjata med seboj in preverjata doslednost. Medtem ko je strojna redundanca trikratna, je programsko-računalniška redundanca šestkratna. Hkrati lahko pokvarjen računalnik vrnete v delovno stanje, na primer s ponovnim zagonom. Če glavni računalnik odpove, ga prevzame eden od preostalih računalnikov.
V primeru težav z računalniki ali drugimi sistemi je usoda misije odvisna od odločitve Autonomous Flight Safety System (AFSS). To je popolnoma neodvisen računalniški sistem na vozilu, ki deluje na naboru več mikrokontrolerjev (majhnih računalnikov), sprejema iste podatke od senzorjev, rezultate izračunov in ukaze iz računalnikov na vozilu ter nadzoruje varen potek leta.
Da bi zagotovili, da imajo vsi računalniki vedno čim bolj zanesljive podatke, je večina senzorjev redundantnih, prav tako računalniki, ki te podatke preberejo in jih nato pošljejo računalnikom na vozilu. Na enak način se računalniki, ki krmilijo posamezne raketne podsisteme (motorji, krmila, manevrirne šobe itd.), Podvajajo z ukazi vgrajenega računalnika. Tako Falcon 9 nadzoruje celotno drevo, sestavljeno iz vsaj 30 računalnikov. Na vrhu drevesa so vgrajeni računalniki, ki upravljajo omrežje podrejenih računalnikov. Vsak ima svoj komunikacijski kanal z vsakim vgrajenim računalnikom posebej. Torej vse ekipe pridejo k njemu trikrat.
Toda kot lahko vidite, vsi vgrajeni računalniki temeljijo na preprostih mikročipih, ne na prefinjenih mikrovezjih sodobnih superračunalnikov.
Preberite tudi: Vesolje: najbolj nenavadni vesoljski objekti
Prihodnost vesoljskih čipov
Uporaba razmeroma starih procesorjev ne pomeni, da ne nastajajo novi. Samo proces njihovega ustvarjanja je zelo težaven in vzame veliko časa. Prav tako je treba razumeti, da mora vsaka konstrukcija, ki se bo uporabljala v vesolju, izpolnjevati zahteve razreda MIL-STD-883. To pomeni prestati več kot 100 testov, ki jih je razvilo ministrstvo za obrambo ZDA, vključno s toplotnimi, mehanskimi, električnimi in drugimi testi čipov. Večina procesorjev, ki so uspešno opravili ta preizkus, je izdelana samo iz osrednjega dela silicijeve rezine. To je zato, ker je tukaj najmanjša verjetnost za pojav robnih napak.
Seznam projektov za prihodnja vesoljska plovila med drugim vključuje serijo sistemov HPSC, ki jih je razvila NASA. Po pričakovanjih naj bi bili procesorji pripravljeni na prelomu leta 2023 in 2024. Njihova zmogljivost bi morala biti več kot 100-krat višja od zmogljivosti najhitrejših sistemov, ki se trenutno uporabljajo v vesoljskih plovilih. Američani so osredotočeni na razvoj čipov, ki lahko pomagajo osvojiti Luno in Mars. A zaenkrat so to le projekti.
Nekoliko drugačen pristop ima Evropska vesoljska agencija, ki že dlje časa razvija čipe na osnovi odprtokodne arhitekture SPARK. Zadnji tovrstni izdelek je model GR740 iz družine LEON4FT. Ta štirijedrni 250 MHz procesor, opremljen z gigabitnim omrežnim adapterjem in 2 MB L1000 predpomnilnika, bi moral biti primerna platforma za vesoljska plovila in satelite brez posadke. Po izračunih znanstvenikov naj bi zasnova in lastnosti procesorja zagotavljale njegovo normalno delovanje tudi po 300 letih. Znanstveniki zagotavljajo, da se šele po 250 letih delovanja čipa lahko pojavi vsaj ena napaka. To vzbuja zaupanje v moč in vzdržljivost vesoljskih plovil, saj bo let na isti Mars trajal približno 300-XNUMX dni in to je le priročna pot. Sonde včasih leta tavajo v vesolju.
Kot zanimivost velja omeniti, da sta leta 2017 HPE in NASA lansirala prvi komercialni visoko zmogljiv računalnik na krovu rakete SpaceX Falcon 9. Dvojni strežnik HPE Apollo 40 s procesorji Intel Broadwell in hitrim 56 Gbit/ vmesnik je prispel na Mednarodno vesoljsko postajo. Če je verjeti znanstvenikom, je bila njegova zmogljivost le 1 TFLOPS, a je bilo za vesoljske razmere še vedno veliko.
Prikazuje, kako težko je oblikovati čipe za uporabo zunaj našega planeta in koliko dela je treba opraviti, da dohitimo vsaj običajne procesorje za domače osebne računalnike.
Toda znanstveniki si zelo prizadevajo razviti najmočnejše mikročipe, ki ne bodo le podpirali delovanja vesoljskih plovil, temveč bodo tudi zanesljivo zaščiteni pred vesoljskim sevanjem in sevanjem. Mogoče bodo kvantni računalniki spremenili situacijo, a to je že druga zgodba.
Preberite tudi:
Optoelektronika/kvantni računalniki?
20 MHz je 20000000 operacij na sekundo. 20000 je 20 KHz.
"Ta štirijedrni procesor s taktom 250 MHz, opremljen z gigabitnim čipom in 2 MB predpomnilnika LXNUMX."
Kakšen čip?
To je moja nepazljivost. Hvala, da ste opazili. Šlo je za gigabitni omrežni adapter. Popravilo.
"mnogi od vas bodo verjetno presenečeni nad tem, kako malo je potrebno za nadzor na primer vesoljske postaje" - Precej presenetljivo je, koliko virov sodobni računalniki porabijo za nekatere najpreprostejše naloge. Če želite na primer odpreti stran na internetu, potrebujete močnejši procesor in več pomnilnika kot za nadzor vesoljske postaje.