Este surprinzător, dar navele spațiale moderne sunt echipate cu procesoare învechite care au fost dezvoltate în secolul al XX-lea. În acest articol, vă vom spune care este motivul acestei stări de lucruri.
Navele spațiale sunt adevărate minuni ale tehnologiei, echipate cu tot felul de electronice. Desigur, acestea includ și procesoare, datorită cărora echipamentul poate efectua calcule foarte complexe. Cu toate acestea, cipurile folosite în dezvoltarea NASA și a altor agenții spațiale pot arăta adesea ca dispozitive învechite care au fost de mult timp scoase din producție.
Când vorbim despre procesor, probabil că blocurile computerelor noastre desktop ne vin imediat în minte. Multe cipuri au influențat industria tehnologiei. În prezent, au fost deja dezvoltate supercalculatoare puternice, cu o putere de calcul enormă. Ar fi logic să folosim echipamente similare într-un domeniu tehnologic atât de complex precum cercetarea spațială. Aterizarea pe Lună sau lansarea și manevra unei sonde spațiale la o distanță de milioane de kilometri de planeta noastră necesită cu siguranță multă putere de calcul. Se pare că nu este chiar așa și mulți dintre voi veți fi probabil surprinși de cât de puțin este nevoie pentru a controla, de exemplu, o stație spațială. Apropo, noul rover Perseverance, care a aterizat recent cu succes pe Planeta Roșie, se bazează pe procesorul RAD750, care este o versiune specială a PowerPC 750 - inima computerelor iMac G3 care au apărut acum mai bine de 20 de ani. . Iar elicopterul Ingenuity, care operează în prezent și pe Marte, este echipat cu un procesor Snapdragon 801. Aceste nave spațiale, care efectuează cele mai complexe operațiuni de calcul, funcționează pe astfel de microprocesoare „obișnuite” sau chiar învechite. Dar este puțin probabil ca această stare de lucruri să se schimbe chiar și în viitor. Să aflăm de ce oamenii de știință de la NASA și de la alte agenții spațiale sunt forțați să folosească SoC-uri atât de slabe.
Citeste si: Terraformarea lui Marte: s-ar putea planeta roșie să se transforme într-un nou Pământ?
Procesoarele spațiale sunt surprinzător de lente
Să începem cu un exemplu care ar trebui să fie bine cunoscut de toată lumea. Vorbim despre evenimentul petrecut pe 16 iulie 1969. În această zi, ca parte a misiunii Apollo 11, vehiculul de lansare SA-506 a scos nava spațială Apollo din atmosfera Pământului. Și 4 zile mai târziu, astronauții americani Buzz Aldrin și Neil Armstrong au pus piciorul pe suprafața Lunii pentru prima dată în istoria omenirii. Misiunea a fost realizată cu succes cu ajutorul AGC (Apollo Guidance Computer), dezvoltat încă din 1966. Designul a fost destul de interesant din punct de vedere al tehnologiei informatice, dar privind caracteristicile tehnice ale acestui dispozitiv, nu putem decât să fii surprins că misiunea a avut succes. Gândiți-vă, cipul de la bord a funcționat cu o frecvență de ceas de doar 2,048 MHz și a avut o memorie RAM de doar 2048 de cuvinte. Da, exact cuvintele. Adică acum pare pur și simplu incredibil, dar pe vremea aceea era unul dintre cele mai moderne computere.
Este de remarcat faptul că un computer de acasă a oferit performanțe similare Apple II, lansat câțiva ani mai târziu. Cu alte cuvinte, la acel moment nava spațială avea echipamente tehnice care erau înaintea timpului său.
Cu toate acestea, această stare de fapt a durat până la un anumit punct, a devenit rapid clar că un dispozitiv mai eficient nu este neapărat cea mai bună soluție, iar uneori poate fi mai periculos. Punctul de cotitură în istoria electronicii spațiale a fost determinarea valorilor exacte ale radiației cosmice și impactul acesteia asupra tehnologiei. Dar cum afectează radiația procesorul în sine?
Când nava spațială Gemini, echipată cu un simplu computer de bord, a fost lansată în spațiu, tehnologiile folosite pentru a o crea erau, de astăzi, extrem de primitive. Cu toate acestea, în spațiu s-a dovedit a fi un mare avantaj.
În zilele noastre, la crearea de noi procesoare, se folosesc procese tehnologice mai moderne, acum putem cumpăra cu ușurință, practic, procesoare microscopice realizate prin litografie de 7 nm. Cu cât este mai mic cipul, cu atât este nevoie de mai puțină tensiune pentru a-l porni și opri. În spațiu, acest lucru poate cauza probleme grave. Faptul este că, sub influența particulelor de radiație, există posibilitatea comutării neplanificate a stării în care se va afla tranzistorul. Acest lucru, la rândul său, poate face ca acesta din urmă să nu mai funcționeze în cel mai neașteptat moment, sau calculele efectuate folosind un astfel de procesor vor fi inexacte. Și în spațiu, acest lucru este inacceptabil și poate duce la consecințe tragice.
Un exemplu interesant este, de exemplu, procesorul Intel 386SX (o versiune redusă a lui Intel 80386), care controla așa-numita cabină de sticlă. Funcționa la o viteză de ceas de aproximativ 20 MHz, ceea ce înseamnă că putea îndeplini sarcini la 20 de cicluri pe secundă. Deja la momentul debutului său în construcția spațială, cipul nu avea o viteză deosebit de mare, dar mai important, datorită frecvenței scăzute de ceas, procesorul era sigur.
Când sunt expuse la radiații, particulele sale pot deteriora datele stocate în memoria cache a procesorului. Acest lucru este posibil într-o fereastră foarte scurtă - sincronizarea redusă o reduce semnificativ, ceea ce înseamnă că circuitele mai rapide sunt mai expuse la radiații. Mai simplu spus, radiațiile pot afecta în cele din urmă stocarea datelor și pot deteriora procesorul însuși. Acest lucru este inacceptabil în condițiile de funcționare ale unei stații spațiale, vehiculului de lansare sau sondei. Nimeni nu va risca un proiect de un milion de dolari.
Citeste si: Ce ne poate împiedica să colonizăm Marte?
Radiații distructive
La un moment dat, impactul radiațiilor a fost compensat de schimbări în procesul de producție în sine, de exemplu, au fost folosite materiale precum arseniura de galiu. Cu toate acestea, fiecare modificare a fost foarte costisitoare. În plus, sisteme pentru vehicule spațiale sunt create în fabrici specializate în cantități mici. Doar utilizarea tehnologiei RHBD a făcut posibilă utilizarea procesului CMOS standard în producția de microcircuite rezistente la radiații. Au fost folosite și tehnici precum redundanța triplă, care permite stocarea în orice moment a trei copii identice ale aceluiași bit. Când sunt necesare, se alege cel mai bun.
Efectele distructive ale radiațiilor asupra sistemelor navelor spațiale au cauzat cândva eșecul misiunii ruse Phobos-Grunt. Cipul WS512K32V20G24M, conceput pentru aeronavele militare, a fost deteriorat de ionii grei de la razele cosmice. Curentul excesiv a deteriorat computerul și a intrat în modul sigur. Din cauza unor probleme de comunicare, repornirea nu a fost posibilă, ceea ce a dus la pătrunderea sondei în atmosferă și arderea acesteia.
Prin urmare, pentru proiectele cu o durată lungă de viață, se folosesc blocuri cu adevărat durabile. De exemplu, telescopul Hubble a fost echipat inițial cu o unitate Rockwell Autonetics DF-8 de 224 biți cu o frecvență de ceas de 1,25 MHz. Curând a devenit clar că aceasta a fost o idee proastă, iar NASA a trebuit să treacă prin procesul de înlocuire a cipului cu unul Intel. În 1993, telescopul a fost adaptat pentru a suporta Intel 386, iar în timpul misiunii de service 3A din 1999, perechea de cipuri DF-224 și Intel 386 a fost înlocuită cu un cip Intel 486.
Am dat deja exemplul stației spațiale aici. S-ar părea că o structură atât de mare și complexă ar trebui să aibă la bord un sistem foarte eficient. Cu toate acestea, acesta nu este cazul. Se știe că computerul principal de pe Stația Spațială Internațională (ISS) rulează pe blocul deja menționat Intel 386. Practic, sunt folosite două seturi de trei computere - unul rusesc și unul american. Să aruncăm o privire și asupra navei spațiale mult mai noi New Horizons, care a zburat pe lângă Pluto în 2015 și a vizat Centura Kuiper. Cipul Mongoose-V rezistent la radiații, cu o frecvență de ceas de 15 MHz, capabil să execute sarcini cu o viteză de 40 de cicluri pe secundă, a fost responsabil pentru majoritatea funcțiilor acestui dispozitiv. Performanța sa este apropiată de performanța procesorului pe care rulează consola PlayStation.
Când ne uităm chiar și la nave spațiale foarte moderne, vedem că designerii folosesc soluții care au adesea câteva decenii. Recent, întreaga lume a urmărit aterizarea roverului Curosity pe Marte. Puțini ar fi ghicit că în interior se afla un procesor BAE RAD750 tactat la doar 200 MHz, o versiune îmbunătățită a cipului IBM PowerPC 750. Dacă ați deținut vreodată un computer Apple, poate cunoașteți acest procesor din seria iMac. Mai mult, a folosit și microprocesorul mai puțin eficient de la consola Nintendo Wii. În legătură cu cerințele de funcționare în condiții de radiație crescută, frecvența sa de ceas a fost redusă de mai mult de trei ori.
Am menționat deja că roverul Perseverance rulează și pe un procesor care a fost lansat în urmă cu mai bine de 20 de ani. Cu alte cuvinte, nimic nu s-a schimbat, iar navele spațiale care costă milioane de dolari folosesc microprocesoare care au fost lansate în ultimul secol. Indiferent cum suna, dar este adevarat.
Citeste si: Spațiu pe computer. 5 cele mai bune aplicații de astronomie
Software și computere care rulează Crew Dragon, Falcon și Starlink
Am decis să aflăm mai în detaliu ce este folosit ca software, folosind exemplul celebrilor Crew Dragon, Falcon și Starlink.
Când auzim numele navei spațiale Crew Dragon, mulți oameni se gândesc la cele trei ecrane tactile și la interfața de control albastră pe care le-am văzut în timpul transmisiilor. Există încă multe dezbateri cu privire la fezabilitatea controlului navei spațiale folosind ecrane tactile în loc de butoane, comutatoare și joystick-uri. SpaceX au ales această opțiune deoarece scopul lor a fost să proiecteze nava în așa fel încât să nu necesite niciun control și, în același timp, încât echipajul să aibă întotdeauna acces la cât mai multe informații. Nava este complet autonomă, iar singurul lucru pe care astronauții trebuie să îl controleze este limitat la sistemele interne de cabină, cum ar fi volumul sistemului audio. Controlul zborului navei și al celor mai importante sisteme ale sale de către astronauți ar trebui efectuat doar în cazuri de urgență, iar SpaceX a încercat cu ajutorul astronauților înșiși să dezvolte cea mai bună interfață grafică pentru aceste sarcini.
Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că funcțiile cheie ale navei pot fi controlate folosind butoanele situate sub afișaj. Echipajul are capacitatea de a porni sistemul de stingere a incendiilor, de a deschide parașutele la reintrarea în atmosferă, de a întrerupe zborul către ISS, de a începe o coborâre de urgență de pe orbită, de a reseta computerele de bord și de a efectua alte sarcini de urgență. O pârghie sub afișajul din mijloc permite astronauților să pornească sistemul de evacuare. De asemenea, au butoane care pornesc și anulează comenzile introduse cu ajutorul afișajelor. În acest fel, dacă astronautul execută o comandă pe afișaj și aceasta nu reușește, el are în continuare capacitatea de a anula comanda apăsând un buton de sub afișaj. Claritatea și controlabilitatea afișajelor au fost testate și în condiții de vibrații, iar echipele de testare și astronauții au efectuat numeroase teste în mănuși și costume spațiale sigilate.
Probabil cea mai importantă cerință pentru un sistem de control al rachetelor și al navei este, desigur, fiabilitatea. În cazul rachetelor SpaceX, acest lucru este asigurat, în primul rând, datorită redundanței sistemului, adică datorită utilizării mai multor componente identice care lucrează împreună și se pot duplica și completa reciproc. În special, Falcon 9 are un total de trei computere de bord separate. Fiecare dintre aceste computere citește datele de la senzorii și sistemele rachetei, efectuează calculele necesare, ia decizii cu privire la acțiunile ulterioare și generează comenzi pentru a lua acele decizii. Toate cele trei calculatoare sunt interconectate, iar rezultatele obținute sunt comparate și analizate.
Calculatoarele se bazează pe procesoare PowerPC dual-core. Din nou, ambele nuclee efectuează aceleași calcule, le compară între ele și verifică consistența. Astfel, în timp ce redundanța hardware este de trei ori, redundanța software-computațională este de șase ori. În același timp, puteți readuce un computer defect la starea de funcționare, de exemplu, prin repornire. Dacă computerul principal eșuează, unul dintre computerele rămase preia controlul.
În cazul unor probleme cu calculatoarele sau alte sisteme, soarta misiunii depinde de decizia Sistemului Autonom de Siguranță a Zborului (AFSS). Acesta este un sistem computerizat de bord complet independent care funcționează pe un set de mai multe microcontrolere (calculatoare mici), primește aceleași date de la senzori, rezultate de calcul și comenzi de la computerele de bord și controlează cursul sigur al zborului.
Pentru a ne asigura că toate computerele au întotdeauna cele mai fiabile date posibile, majoritatea senzorilor sunt redundanți, la fel ca și computerele care citesc aceste date și apoi le trimit la computerele de bord. În același mod, calculatoarele care controlează subsisteme individuale de rachete (motoare, cârme, duze de manevră etc.) sunt duplicate prin comenzile computerului de bord. Astfel, Falcon 9 este controlat de un întreg arbore format din cel puțin 30 de computere. În vârful arborelui sunt computere de bord care gestionează o rețea de computere subordonate. Fiecare are propriul canal de comunicare cu fiecare computer de bord separat. Așa că toate echipele vin la el de trei ori.
Dar, după cum puteți vedea, toate computerele de bord se bazează pe microcipuri simple, nu pe microcircuite sofisticate ale supercalculatoarelor moderne.
Citeste si: Univers: Cele mai neobișnuite obiecte spațiale
Viitorul cipurilor spațiale
Utilizarea procesoarelor relativ vechi nu înseamnă că nu sunt create altele noi. Doar că procesul de creare a acestora este foarte dificil și necesită mult timp. De asemenea, trebuie înțeles că fiecare structură care va fi utilizată în spațiu trebuie să îndeplinească cerințele clasei MIL-STD-883. Aceasta înseamnă trecerea a peste 100 de teste dezvoltate de Departamentul de Apărare al SUA, inclusiv teste termice, mecanice, electrice și alte cipuri. Majoritatea procesoarelor care au trecut acest test sunt realizate doar din partea centrală a plachetei de siliciu. Acest lucru se datorează faptului că aici este cel mai puțin probabil să apară defecte de margine.
Lista proiectelor pentru viitoarele nave spațiale include, printre altele, seria de sisteme HPSC dezvoltată de NASA. După cum era de așteptat, procesoarele ar trebui să fie gata la începutul anilor 2023 și 2024. Performanța lor ar trebui să fie de peste 100 de ori mai mare decât cea a celor mai rapide sisteme utilizate în prezent în navele spațiale. Americanii sunt concentrați pe dezvoltarea de cipuri care pot ajuta la cucerirea Lunii și Marte. Dar până acum acestea sunt doar proiecte.
Agenția Spațială Europeană, care dezvoltă de mult timp cipuri bazate pe arhitectura open-source SPARK, adoptă o abordare ușor diferită. Cel mai recent astfel de produs este modelul GR740 din familia LEON4FT. Acest procesor quad-core de 250 MHz, echipat cu un adaptor de rețea gigabit și 2 MB de cache L1000, ar trebui să fie o platformă potrivită pentru nave spațiale fără pilot și sateliți. Conform calculelor oamenilor de știință, designul și caracteristicile procesorului ar trebui să garanteze funcționarea normală a acestuia chiar și după 300 de ani. Oamenii de știință garantează că numai după 250 de ani de funcționare a cipului poate apărea cel puțin o eroare. Acest lucru inspiră încredere în rezistența și durabilitatea navelor spațiale, deoarece zborul către același Marte va dura aproximativ 300-XNUMX de zile, iar aceasta este doar o traiectorie convenabilă. Sondele rătăcesc uneori în spațiu ani de zile.
Ca fapt interesant, merită menționat faptul că, în 2017, HPE și NASA au lansat primul computer comercial de înaltă performanță de la bordul rachetei SpaceX Falcon 9. Un server HPE Apollo 40 cu dublu socket, cu procesoare Intel Broadwell și un rapid 56 Gbit/ Interfața lui a ajuns la Stația Spațială Internațională. Dacă e de crezut oamenii de știință, performanța sa a fost de doar 1 TFLOPS, dar a fost încă mult pentru condițiile de spațiu.
Arată cât de dificil este să proiectați cipuri pentru a fi utilizate în afara planetei noastre și cât de multă muncă trebuie făcută pentru a ajunge la cel puțin procesoarele de acasă pentru PC-uri obișnuite.
Dar oamenii de știință depun eforturi mari pentru a dezvolta cele mai puternice microcipuri care nu numai că vor sprijini funcționarea navelor spațiale, dar vor fi și protejate în mod fiabil de radiațiile și radiațiile spațiale. Poate că computerele cuantice vor schimba situația, dar asta e altă poveste.
Citeste si:
Optoelectronică/calculatoare cuantice?
20 MHz este 20000000 operațiuni pe secundă. 20000 este 20 KHz.
„Acest procesor quad-core a tactat la 250 MHz, echipat cu un cip gigabit și 2 MB de cache LXNUMX.”
Ce fel de cip?
Aceasta este neatenția mea. Mulțumesc pentru observație. Era vorba despre un adaptor de rețea gigabit. Repara-l.
„mulți dintre voi veți fi probabil surprinși de cât de puțin este nevoie pentru a controla, de exemplu, o stație spațială” - Mai degrabă, este surprinzător câte resurse consumă computerele moderne pentru unele dintre cele mai simple sarcini. Pentru a deschide, de exemplu, o pagină pe Internet, aveți nevoie de un procesor mai puternic și de mai multă memorie decât pentru a controla o stație spațială.