Iznenađujuće je, ali moderne svemirske letjelice opremljene su zastarjelim procesorima koji su razvijeni još u 20. stoljeću. U ovom članku ćemo vam reći koji je razlog ovakvom stanju stvari.
Svemirski brodovi su prava čuda tehnologije, opremljeni svim vrstama elektronike. Naravno, to uključuje i procesore, zahvaljujući kojima oprema može izvoditi vrlo složene izračune. Međutim, čipovi korišteni u razvoju NASA-e i drugih svemirskih agencija često mogu izgledati kao zastarjeli uređaji koji se odavno ne proizvode.
Kada govorimo o procesoru, vjerojatno nam odmah padaju na pamet blokovi naših stolnih računala. Mnogi čipovi utjecali su na tehnološku industriju. Trenutačno su već razvijena snažna superračunala ogromne računalne snage. Bilo bi logično koristiti sličnu opremu u tako složenom tehnološkom području kao što je istraživanje svemira. Slijetanje na Mjesec ili lansiranje i manevriranje svemirske sonde na udaljenosti od milijuna kilometara od našeg planeta svakako zahtjeva veliku računalnu snagu. Ispostavilo se da to nije baš tako i mnogi od vas će se vjerojatno iznenaditi koliko je malo potrebno za upravljanje, recimo, svemirskom postajom. Inače, novi rover Perseverance, koji je nedavno uspješno sletio na Crveni planet, temelji se na procesoru RAD750 koji je posebna verzija PowerPC 750 - srca računala iMac G3 koja su izašla prije više od 20 godina. . I helikopter Ingenuity, koji također trenutno radi na Marsu, opremljen je procesorom Snapdragon 801. Ove letjelice, obavljajući najsloženije računalne operacije, rade na takvim "običnim" ili čak zastarjelim mikroprocesorima. No, malo je vjerojatno da će se takvo stanje promijeniti čak iu budućnosti. Otkrijmo zašto su znanstvenici u NASA-i i drugim svemirskim agencijama prisiljeni koristiti tako slabe SoC-ove.
Pročitajte također: Teraformiranje Marsa: Može li se Crveni planet pretvoriti u novu Zemlju?
Svemirski procesori su iznenađujuće spori
Počnimo s primjerom koji bi svima trebao biti dobro poznat. Riječ je o događaju koji se dogodio 16. Na današnji dan, u sklopu misije Apollo 1969, raketa-nosač SA-11 iznijela je letjelicu Apollo izvan Zemljine atmosfere. A 506 dana kasnije, američki astronauti Buzz Aldrin i Neil Armstrong kročili su na površinu Mjeseca po prvi put u ljudskoj povijesti. Misija je uspješno provedena uz pomoć AGC-a (Apollo Guidance Computer), razvijenog davne 4. godine. Dizajn je bio prilično zanimljiv sa stajališta računalne tehnologije, no gledajući tehničke karakteristike ovog uređaja, čovjek se može samo iznenaditi da je misija uopće uspjela. Zamislite samo, čip na ploči radio je na frekvenciji takta od samo 1966 MHz i imao je RAM od samo 2,048 riječi. Da, točno tim riječima. To jest, sada se čini jednostavno nevjerojatnim, ali u to je vrijeme bilo jedno od najmodernijih računala.
Vrijedno je napomenuti da je kućno računalo nudilo slične performanse Apple II, objavljen nekoliko godina kasnije. Drugim riječima, u to je vrijeme letjelica imala tehničku opremu koja je bila ispred svog vremena.
No, takvo stanje potrajalo je do određenog trenutka, vrlo brzo se pokazalo da učinkovitiji uređaj nije nužno najbolje rješenje, a ponekad može biti i opasniji. Prekretnica u povijesti svemirske elektronike bilo je određivanje točnih vrijednosti kozmičkog zračenja i njegovog utjecaja na tehnologiju. Ali kako zračenje utječe na sam procesor?
Kada je svemirska letjelica Gemini, opremljena jednostavnim ugrađenim računalom, lansirana u svemir, tehnologije korištene za njezino stvaranje bile su, kao i danas, krajnje primitivne. No, u svemiru se to pokazalo kao velika prednost.
U današnje vrijeme pri izradi novih procesora koriste se moderniji tehnološki procesi, sada bez problema možemo kupiti praktički mikroskopske procesore izrađene 7nm litografijom. Što je čip manji, to je manji napon potreban za njegovo paljenje i gašenje. U svemiru to može izazvati ozbiljne probleme. Činjenica je da pod utjecajem čestica zračenja postoji mogućnost neplaniranog prebacivanja stanja u kojem će biti tranzistor. To zauzvrat može uzrokovati prestanak rada potonjeg u najneočekivanijem trenutku ili će izračuni izvedeni pomoću takvog procesora biti netočni. A u svemiru je to nedopustivo i može dovesti do tragičnih posljedica.
Zanimljiv je primjer, primjerice, procesora Intel 386SX (skraćena verzija Intela 80386) koji je upravljao tzv. staklenom kabinom. Radio je na taktu od oko 20 MHz, što znači da je mogao obavljati zadatke pri 20 ciklusa u sekundi. Već u vrijeme svog debija u svemirskoj konstrukciji, čip nije imao posebno veliku brzinu, ali što je još važnije, zahvaljujući niskoj frekvenciji takta, procesor je bio siguran.
Kada su izložene zračenju, njegove čestice mogu oštetiti podatke pohranjene u cache memoriji procesora. To je moguće u vrlo kratkom prozoru - nisko vrijeme ga značajno smanjuje, što znači da su brži sklopovi više izloženi zračenju. Jednostavno rečeno, zračenje može na kraju utjecati na pohranu podataka i oštetiti sam procesor. To je neprihvatljivo u uvjetima rada svemirske postaje, lansirne rakete ili sonde. Nitko neće riskirati milijunski projekt.
Pročitajte također: Što nas može spriječiti u kolonizaciji Marsa?
Destruktivno zračenje
Svojedobno se utjecaj zračenja kompenzirao promjenama u samom proizvodnom procesu, primjerice korišteni su materijali poput galijevog arsenida. Međutim, svaka je modifikacija bila vrlo skupa. Osim toga, sustavi za svemirska vozila stvaraju se u specijaliziranim tvornicama u malim količinama. Tek je korištenje RHBD tehnologije omogućilo korištenje standardnog CMOS procesa u proizvodnji mikrosklopova otpornih na zračenje. Također su korištene tehnike kao što je trostruka redundantnost, koja omogućuje da tri identične kopije istog bita budu pohranjene u svakom trenutku. Kad zatreba, bira se najbolji.
Destruktivni učinci zračenja na sustave svemirskih letjelica jednom su uzrokovali neuspjeh ruske misije Phobos-Grunt. Čip WS512K32V20G24M, dizajniran za vojne zrakoplove, oštetili su teški ioni iz kozmičkih zraka. Pretjerana struja oštetila je računalo i ono je prešlo u siguran način rada. Zbog problema s komunikacijom ponovno pokretanje nije bilo moguće, što je dovelo do ulaska sonde u atmosferu i njenog izgaranja.
Stoga se za projekte s dugim vijekom trajanja koriste stvarno izdržljivi blokovi. Na primjer, teleskop Hubble izvorno je bio opremljen 8-bitnom jedinicom Rockwell Autonetics DF-224 s frekvencijom takta od 1,25 MHz. Ubrzo je postalo jasno da je to loša ideja i NASA je morala proći kroz proces zamjene čipa Intelovim. Godine 1993. teleskop je prilagođen za podršku Intel 386, a tijekom servisne misije 3A 1999., par čipova DF-224 i Intel 386 zamijenjen je čipom Intel 486.
Ovdje smo već dali primjer svemirske stanice. Čini se da bi tako velika i složena struktura trebala imati vrlo učinkovit sustav na brodu. Međutim, nije tako. Poznato je da glavno računalo na Međunarodnoj svemirskoj postaji (ISS) radi na već spomenutom bloku Intel 386. Uglavnom se koriste dva kompleta od tri računala – jedno rusko i jedno američko. Pogledajmo i mnogo noviju svemirsku letjelicu New Horizons, koja je proletjela pokraj Plutona 2015. i ciljala Kuiperov pojas. Čip Mongoose-V otporan na zračenje s radnom frekvencijom od 15 MHz, sposoban za obavljanje zadataka brzinom od 40 ciklusa u sekundi, bio je odgovoran za većinu funkcija u ovom uređaju. Njegove performanse su bliske performansama procesora na kojem radi konzola PlayStation.
Kada pogledamo čak i vrlo moderne svemirske letjelice, vidimo da dizajneri koriste rješenja koja su često stara nekoliko desetljeća. Nedavno je cijeli svijet pratio slijetanje rovera Curosity na Mars. Malo tko bi pogodio da se unutra nalazi procesor BAE RAD750 na taktu od samo 200 MHz, poboljšana verzija čipa IBM PowerPC 750. Ako ste ikada imali računalo Apple, možda poznajete ovaj procesor iz iMac serije. Štoviše, koristio je i manje učinkovit mikroprocesor s Nintendo Wii konzole. U vezi sa zahtjevima rada u uvjetima povećanog zračenja, frekvencija takta mu je smanjena više od tri puta.
Već smo spomenuli da Perseverance rover također radi na procesoru koji je izdan prije više od 20 godina. Drugim riječima, ništa se nije promijenilo, a svemirske letjelice koje koštaju milijune dolara koriste mikroprocesore koji su pušteni u promet u prošlom stoljeću. Kako god zvuči, ali je istina.
Pročitajte također: Prostor na vašem računalu. 5 najboljih aplikacija za astronomiju
Softver i računala koja pokreću Crew Dragon, Falcon i Starlink
Odlučili smo detaljnije saznati što se koristi kao softver na primjeru poznatih Crew Dragona, Falcona i Starlinka.
Kada čujemo ime letjelice Crew Dragon, mnogi ljudi pomisle na tri zaslona osjetljiva na dodir i plavo kontrolno sučelje koje smo vidjeli tijekom emitiranja. Još uvijek se mnogo raspravlja o izvedivosti upravljanja letjelicom pomoću zaslona osjetljivog na dodir umjesto gumba, prekidača i joysticka. SpaceX odabrali ovu opciju jer im je cilj bio dizajnirati brod na način da ne zahtijeva nikakvu kontrolu, a da istovremeno posada uvijek ima pristup što je moguće više informacija. Brod je potpuno autonoman, a jedino što astronauti moraju kontrolirati ograničeno je na unutarnje kabinske sustave, poput glasnoće audio sustava. Kontrolu leta broda i njegovih najvažnijih sustava od strane astronauta trebalo bi provoditi samo u hitnim slučajevima, a SpaceX je pokušao uz pomoć samih astronauta razviti najbolje grafičko sučelje za te zadatke.
Međutim, treba napomenuti da se ključnim funkcijama broda može upravljati pomoću gumba koji se nalaze ispod zaslona. Posada ima mogućnost pokrenuti sustav za gašenje požara, otvoriti padobrane pri ponovnom ulasku u atmosferu, prekinuti let prema ISS-u, započeti hitno spuštanje iz orbite, resetirati ugrađena računala i obaviti druge hitne zadatke. Poluga ispod srednjeg zaslona omogućuje astronautima pokretanje sustava za evakuaciju. Također imaju gumbe koji pokreću i poništavaju naredbe unesene pomoću zaslona. Na taj način, ako astronaut izvrši naredbu na zaslonu i ona ne uspije, i dalje ima mogućnost poništiti naredbu pritiskom na gumb ispod zaslona. Jasnoća i upravljivost zaslona također su testirani u uvjetima vibracija, a testni timovi i astronauti obavili su brojne testove u rukavicama i zatvorenim svemirskim odijelima.
Vjerojatno najvažniji zahtjev za sustav upravljanja projektilima i brodovima je, naravno, pouzdanost. U slučaju SpaceX raketa to je osigurano, prije svega, redundancijom sustava, odnosno korištenjem više identičnih komponenti koje rade zajedno i mogu se umnožavati i nadopunjavati. Konkretno, Falcon 9 ima ukupno tri odvojena ugrađena računala. Svako od tih računala čita podatke sa senzora i sustava rakete, izvodi potrebne izračune, donosi odluke o daljnjim akcijama i generira naredbe za donošenje tih odluka. Sva tri računala su međusobno povezana, a dobiveni rezultati se uspoređuju i analiziraju.
Računala se temelje na dvojezgrenim PowerPC procesorima. Opet, obje jezgre izvode iste izračune, međusobno ih uspoređuju i provjeravaju dosljednost. Dakle, dok je hardverska redundantnost trostruka, softversko-računska redundantnost je šesterostruka. Istodobno, neispravno računalo možete vratiti u radno stanje, na primjer, ponovnim pokretanjem. Ako glavno računalo zakaže, jedno od preostalih računala preuzima ga.
U slučaju problema s računalima ili drugim sustavima, sudbina misije ovisi o odluci Autonomnog sustava sigurnosti leta (AFSS). Riječ je o potpuno neovisnom on-board računalnom sustavu koji radi na skupu od nekoliko mikrokontrolera (malih računala), prima iste podatke od senzora, rezultate proračuna i naredbe od on-board računala te kontrolira siguran tijek leta.
Kako bi se osiguralo da sva računala uvijek imaju najpouzdanije moguće podatke, većina senzora je suvišna, kao i računala koja čitaju te podatke i zatim ih šalju ugrađenim računalima. Na isti način, računala koja upravljaju pojedinim raketnim podsustavima (motori, kormila, manevarske mlaznice itd.) dupliciraju se naredbama on-board računala. Dakle, Falconom 9 upravlja cijelo stablo koje se sastoji od najmanje 30 računala. Na vrhu stabla nalaze se on-board računala koja upravljaju mrežom podređenih računala. Svaki ima svoj komunikacijski kanal sa svakim putnim računalom posebno. Dakle, sve ekipe mu dolaze tri puta.
Ali kao što vidite, sva ugrađena računala temelje se na jednostavnim mikročipovima, a ne na sofisticiranim mikrosklopovima modernih superračunala.
Pročitajte također: Svemir: Najneobičniji svemirski objekti
Budućnost svemirskih čipova
Korištenje relativno starih procesora ne znači da se ne stvaraju novi. Samo što je proces njihovog stvaranja jako težak i oduzima dosta vremena. Također treba imati na umu da svaka struktura koja će se koristiti u svemiru mora zadovoljiti zahtjeve klase MIL-STD-883. To znači proći više od 100 testova koje je razvilo Ministarstvo obrane SAD-a, uključujući toplinske, mehaničke, električne i druge testove čipova. Većina procesora koji su prošli ovaj test napravljeni su samo od središnjeg dijela silicijske pločice. To je zato što je ovdje najmanja vjerojatnost pojave rubnih defekata.
Popis projekata za buduće svemirske letjelice uključuje, među ostalim, HPSC seriju sustava koje je razvila NASA. Prema očekivanjima, procesori bi trebali biti spremni na prijelazu 2023. i 2024. godine. Njihove performanse trebale bi biti više od 100 puta veće od performansi najbržih sustava koji se trenutno koriste u svemirskim letjelicama. Amerikanci su fokusirani na razvoj čipova koji mogu pomoći u osvajanju Mjeseca i Marsa. Ali zasad su to samo projekti.
Europska svemirska agencija, koja već duže vrijeme razvija čipove temeljene na open-source arhitekturi SPARK, ima nešto drugačiji pristup. Posljednji takav proizvod je model GR740 iz obitelji LEON4FT. Ovaj četverojezgreni procesor od 250 MHz, opremljen gigabitnim mrežnim adapterom i 2 MB L1000 predmemorije, trebao bi biti prikladna platforma za bespilotne letjelice i satelite. Prema izračunima znanstvenika, dizajn i karakteristike procesora trebale bi jamčiti njegov normalan rad i nakon 300 godina. Znanstvenici jamče da se tek nakon 250 godina rada čipa može dogoditi barem jedna greška. To nadahnjuje povjerenje u snagu i izdržljivost svemirskih letjelica, jer će let do istog Marsa trajati oko 300-XNUMX dana, a to je samo prikladna putanja. Sonde ponekad godinama lutaju svemirom.
Kao zanimljivost vrijedi spomenuti da su HPE i NASA 2017. lansirali prvo komercijalno računalo visokih performansi na raketi SpaceX Falcon 9. Dual-socket HPE Apollo 40 poslužitelj s Intel Broadwell procesorima i brzim 56 Gbit/ je sučelje stiglo na Međunarodnu svemirsku postaju. Ako je vjerovati znanstvenicima, performanse su mu bile samo 1 TFLOPS, no za svemirske uvjete i dalje je to bilo puno.
Pokazuje koliko je teško dizajnirati čipove za korištenje izvan našeg planeta i koliko posla treba učiniti da se uhvati korak s barem glavnim kućnim PC procesorima.
Ali znanstvenici ulažu velike napore u razvoj najmoćnijih mikročipova koji će ne samo podržati rad svemirskih letjelica, već i biti pouzdano zaštićeni od svemirskog zračenja i zračenja. Možda će kvantna računala promijeniti situaciju, ali to je već druga priča.
Pročitajte također:
Optoelektronika/kvantna računala?
20 MHz je 20000000 operacija u sekundi. 20000 je 20 KHz.
"Ovaj četverojezgreni procesor takta 250 MHz, opremljen gigabitnim čipom i 2 MB LXNUMX predmemorije."
Kakav čip?
Ovo je moja nepažnja. Hvala što ste primijetili. Radilo se o gigabitnom mrežnom adapteru. Popravio sam.
"mnogi od vas će se vjerojatno iznenaditi koliko je malo potrebno za upravljanje, na primjer, svemirskom postajom" - Naprotiv, iznenađujuće je koliko resursa troše moderna računala za neke od najjednostavnijih zadataka. Da biste, primjerice, otvorili stranicu na internetu, potreban vam je snažniji procesor i više memorije nego za upravljanje svemirskom stanicom.