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 ovakvog stanja stvari.
Svemirski brodovi su prava čuda tehnologije, opremljeni svim vrstama elektronike. Naravno, ovo uključuje i procesore, zahvaljujući kojima oprema može obavljati vrlo složene proračune. Međutim, čipovi koji se koriste u razvoju NASA-e i drugih svemirskih agencija često mogu izgledati kao zastarjeli uređaji koji su odavno van proizvodnje.
Kada govorimo o procesoru, blokovi naših desktop računara verovatno odmah padaju na pamet. Mnogi čipovi su uticali na tehnološku industriju. Trenutno su već razvijeni moćni superkompjuteri sa ogromnom računarskom snagom. Logično bi bilo koristiti sličnu opremu u tako složenom tehnološkom polju kao što je istraživanje svemira. Sletanje na Mesec ili lansiranje i manevrisanje svemirske sonde na udaljenosti od milion kilometara od naše planete svakako zahteva veliku računarsku snagu. Ispostavilo se da to nije baš tako i mnogi od vas će vjerovatno biti iznenađeni koliko je malo potrebno za kontrolu, recimo, svemirske stanice. Inače, novi rover Perseverance, koji je nedavno uspješno sletio na Crvenu planetu, baziran je na procesoru RAD750, koji je posebna verzija PowerPC 750 - srca iMac G3 računara koji je izašao prije više od 20 godina. . A helikopter Ingenuity, koji također trenutno radi na Marsu, opremljen je procesorom Snapdragon 801. Ove svemirske letjelice, koje obavljaju najsloženije računarske operacije, rade na takvim "običnim" ili čak zastarjelim mikroprocesorima. Ali, malo je vjerovatno da će se ovo stanje promijeniti čak ni u budućnosti. Hajde da saznamo zašto su naučnici u NASA-i i drugim svemirskim agencijama primorani da koriste tako slabe SoC-ove.
Pročitajte također: Teraformiranje Marsa: Može li se Crvena planeta pretvoriti u novu Zemlju?
Space procesori su iznenađujuće spori
Počnimo s primjerom koji bi svima trebao biti poznat. Riječ je o događaju koji se dogodio 16. jula 1969. godine. Na današnji dan, u okviru misije Apolo 11, raketa-nosač SA-506 izvukla je svemirski brod Apolo iz Zemljine atmosfere. A 4 dana kasnije, američki astronauti Buzz Aldrin i Neil Armstrong prvi put u ljudskoj istoriji kročili su na površinu Mjeseca. Misija je uspješno obavljena uz pomoć AGC-a (Apollo Guidance Computer), razvijenog davne 1966. godine. Dizajn je bio prilično zanimljiv sa stanovišta računarske tehnologije, ali gledajući tehničke karakteristike ovog uređaja, može se samo iznenaditi da je misija uopšte uspela. Zamislite samo, čip na ploči je radio na taktu od samo 2,048 MHz i imao je RAM od samo 2048 riječi. Da, upravo te riječi. Odnosno, sada izgleda jednostavno nevjerovatno, ali u to vrijeme bio je jedan od najmodernijih računara.
Vrijedi napomenuti da je kućni računar nudio slične performanse Apple II, objavljen nekoliko godina kasnije. Drugim riječima, u to vrijeme letjelica je imala tehničku opremu koja je bila ispred svog vremena.
Međutim, takvo stanje je trajalo do određene tačke, brzo je postalo jasno da efikasniji uređaj nije nužno najbolje rješenje, a ponekad može biti i opasniji. Prekretnica u istoriji svemirske elektronike bilo je određivanje tačnih vrednosti kosmičkog zračenja i njegovog uticaja na tehnologiju. Ali kako zračenje utiče na sam procesor?
Kada je svemirska letjelica Gemini, opremljena jednostavnim kompjuterom na brodu, lansirana u svemir, tehnologije korištene za njegovu izradu bile su, od danas, krajnje primitivne. Međutim, u svemiru se pokazalo da je to velika prednost.
Danas se pri kreiranju novih procesora koriste moderniji tehnološki procesi, sada se lako mogu kupiti, praktično, mikroskopski procesori napravljeni litografijom od 7nm. Što je čip manji, potrebno je manje napona da bi se uključio i isključio. U svemiru to može uzrokovati ozbiljne probleme. Činjenica je da pod utjecajem čestica zračenja postoji mogućnost neplaniranog prebacivanja stanja u kojem će se nalaziti tranzistor. To, zauzvrat, može uzrokovati da potonji prestane raditi u najneočekivanijem trenutku, ili će proračuni izvedeni pomoću takvog procesora biti netočni. A u svemiru je to neprihvatljivo i može dovesti do tragičnih posljedica.
Zanimljiv primjer je, na primjer, Intel 386SX procesor (smanjena verzija Intel 80386), koji je kontrolisao takozvanu staklenu kabinu. 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 keš memoriji procesora. Ovo je moguće u vrlo kratkom vremenskom periodu - nisko tajming ga značajno smanjuje, što znači da su brži krugovi više izloženi zračenju. Jednostavno rečeno, zračenje može na kraju uticati na skladištenje podataka i oštetiti sam procesor. Ovo je neprihvatljivo u uslovima rada svemirske stanice, lansirne rakete ili sonde. Niko neće rizikovati milionski projekat.
Pročitajte također: Šta nas može spriječiti da koloniziramo Mars?
Destruktivno zračenje
Svojevremeno je uticaj zračenja bio kompenzovan promenama u samom proizvodnom procesu, na primer, korišćeni su materijali kao što je galijum arsenid. Međutim, svaka modifikacija je bila veoma skupa. Osim toga, sistemi za svemirska vozila se stvaraju u specijalizovanim fabrikama u malim količinama. Samo korištenje RHBD tehnologije omogućilo je korištenje standardnog CMOS procesa u proizvodnji mikro krugova otpornih na zračenje. Korišćene su i tehnike kao što je trostruka redundantnost, koja omogućava da se tri identične kopije istog bita pohranjuju u svakom trenutku. Kada su potrebni, bira se najbolji.
Destruktivni efekti radijacije na sisteme svemirskih letjelica nekada su uzrokovali neuspjeh ruske misije Fobos-Grunt. Čip WS512K32V20G24M, dizajniran za vojne avione, oštećen je teškim jonima iz kosmičkih zraka. Prekomjerna struja oštetila je računar i prešao je u siguran način rada. Zbog problema u komunikaciji 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, Hubble teleskop je prvobitno bio opremljen 8-bitnom Rockwell Autonetics DF-224 jedinicom sa 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 da podrži Intel 386, a tokom servisne misije 3A 1999. godine, par čipova DF-224 i Intel 386 zamijenjen je Intel 486 čipom.
Ovdje smo već naveli primjer svemirske stanice. Čini se da bi tako velika i složena struktura trebala imati veoma efikasan sistem na brodu. Međutim, to nije slučaj. Poznato je da glavni računar na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS) radi na već pomenutom bloku Intel 386. U osnovi se koriste dva seta od po tri računara - jedan ruski i jedan američki. Pogledajmo i mnogo noviju svemirsku letjelicu New Horizons, koja je proletjela pored Plutona 2015. i ciljala Kuiperov pojas. Čip Mongoose-V otporan na zračenje sa frekvencijom takta od 15 MHz, sposoban da izvršava zadatke brzinom od 40 ciklusa u sekundi, bio je odgovoran za većinu funkcija u ovom uređaju. Njegove performanse su bliske performansama procesora na kojem konzola radi PlayStation.
Kada pogledamo čak i vrlo moderne svemirske letjelice, vidimo da dizajneri koriste rješenja koja su često stara nekoliko decenija. Nedavno je cijeli svijet pratio slijetanje rovera Curosity na Mars. Malo ko bi pretpostavio da se unutra nalazi procesor BAE RAD750 takta od samo 200 MHz, poboljšana verzija IBM PowerPC 750 čipa. Ako ste ikada imali računar Apple, možda poznajete ovaj procesor iz iMac serije. Štaviše, koristio je i manje efikasan mikroprocesor sa Nintendo Wii konzole. U vezi sa zahtjevima rada u uslovima povećanog zračenja, njegova taktna frekvencija je smanjena za više od tri puta.
Već smo spomenuli da Perseverance rover također radi na procesoru koji je objavljen prije više od 20 godina. Drugim riječima, ništa se nije promijenilo, a svemirske letjelice koje koštaju milione dolara koriste mikroprocesore koji su objavljeni u prošlom vijeku. Kako god zvučalo, ali istina je.
Pročitajte također: Prostor na vašem računaru. 5 najboljih astronomskih aplikacija
Softver i računari koji pokreću Crew Dragon, Falcon i Starlink
Odlučili smo da detaljnije saznamo šta se koristi kao softver na primjeru poznatih Crew Dragon, Falcon i Starlink.
Kada čujemo naziv svemirske letjelice Crew Dragon, mnogi ljudi pomisle na tri ekrana osjetljiva na dodir i plavi kontrolni interfejs koji smo vidjeli tokom emitovanja. Još uvijek postoji mnogo debata o izvodljivosti upravljanja svemirskim brodom pomoću ekrana osjetljivog na dodir umjesto dugmadi, prekidača i džojstika. SpaceX odabrali su ovu opciju jer im je cilj bio projektirati brod na način da ne zahtijeva nikakvu kontrolu, a da pri tome posada uvijek ima pristup što većem broju informacija. Brod je potpuno autonoman, a jedina stvar koju astronauti moraju da kontrolišu je ograničena na unutrašnje sisteme kabine, kao što je jačina zvuka audio sistema. Kontrolu leta broda i njegovih najvažnijih sistema od strane astronauta trebalo bi vršiti samo u hitnim slučajevima, a SpaceX je uz pomoć samih astronauta pokušao razviti najbolji grafički interfejs za ove zadatke.
Međutim, treba napomenuti da se ključne funkcije broda mogu kontrolirati pomoću tipki smještenih ispod zaslona. Posada ima mogućnost da pokrene sistem za gašenje požara, otvori padobrane pri ponovnom ulasku u atmosferu, prekine let do ISS-a, započne hitno spuštanje iz orbite, resetuje kompjutere na brodu i obavlja druge hitne zadatke. Poluga ispod srednjeg ekrana omogućava astronautima da pokrenu sistem za evakuaciju. Takođe imaju dugmad za pokretanje i poništavanje komandi unesenih pomoću displeja. Na taj način, ako astronaut izvrši komandu na displeju i ona ne uspije, on i dalje ima mogućnost da poništi komandu pritiskom na dugme ispod ekrana. Jasnoća i upravljivost displeja takođe su testirani u uslovima vibracija, a testni timovi i astronauti izveli su brojne testove u rukavicama i zatvorenim svemirskim odelima.
Vjerovatno najvažniji zahtjev za sistem upravljanja projektilima i brodovima je, naravno, pouzdanost. U slučaju raketa SpaceX, to je osigurano, prije svega, redundantnošću sistema, odnosno korištenjem više identičnih komponenti koje rade zajedno i mogu se duplirati i nadopunjavati. Konkretno, Falcon 9 ima ukupno tri odvojena kompjutera. Svaki od ovih računara čita podatke sa senzora i sistema rakete, vrši potrebne proračune, donosi odluke o daljim akcijama i generiše komande za donošenje tih odluka. Sva tri računara su međusobno povezana, a dobijeni rezultati se upoređuju i analiziraju.
Računari su zasnovani na dual-core PowerPC procesorima. Opet, oba jezgra izvode iste proračune, upoređuju ih jedno s drugim i provjeravaju konzistentnost. Dakle, dok je hardverska redundantnost trostruka, softversko-računarska redundantnost je šesterostruka. Istovremeno, neispravan računar možete vratiti u radno stanje, na primjer, ponovnim pokretanjem. Ako glavni računar pokvari, jedan od preostalih računara preuzima kontrolu.
U slučaju problema sa računarima ili drugim sistemima, sudbina misije zavisi od odluke Autonomnog sistema bezbednosti letenja (AFSS). Ovo je potpuno nezavisan kompjuterski sistem na brodu koji radi na setu od nekoliko mikrokontrolera (malih računara), prima iste podatke od senzora, rezultate proračuna i komande od kompjutera na brodu i kontroliše siguran tok leta.
Kako bi se osiguralo da svi računari uvijek imaju najpouzdanije moguće podatke, većina senzora je redundantna, kao i računari koji čitaju ove podatke i zatim ih šalju na kompjutere na vozilu. Na isti način, kompjuteri koji upravljaju pojedinačnim podsistemima projektila (motori, kormila, mlaznice za manevrisanje, itd.) su duplirani komandama kompjutera na vozilu. Dakle, Falcon 9 kontroliše cijelo stablo koje se sastoji od najmanje 30 računara. Na vrhu stabla su ugrađeni računari koji upravljaju mrežom podređenih računara. Svaki ima svoj komunikacioni kanal sa svakim kompjuterom posebno. Tako da mu svi timovi dolaze tri puta.
Ali, kao što vidite, svi kompjuteri na vozilu su bazirani na jednostavnim mikročipovima, a ne sofisticiranim mikro krugovima modernih superkompjutera.
Pročitajte također: Univerzum: Najneobičniji svemirski objekti
Budućnost svemirskih čipova
Upotreba relativno starih procesora ne znači da se ne stvaraju novi. Samo što je proces njihovog stvaranja veoma težak i oduzima dosta vremena. Takođe treba shvatiti da svaka konstrukcija koja će se koristiti u svemiru mora ispunjavati zahtjeve klase MIL-STD-883. To znači proći više od 100 testova koje je razvilo Ministarstvo odbrane SAD-a, uključujući termičke, mehaničke, električne i druge testove čipova. Većina procesora koji su prošli ovaj test napravljeni su samo od središnjeg dijela silikonske pločice. To je zato što je ovdje najmanje vjerovatno da će se pojaviti defekti rubova.
Lista projekata za buduće svemirske letjelice uključuje, između ostalih, HPSC seriju sistema koje je razvila NASA. Prema očekivanjima, procesori bi trebali biti spremni na prijelazu iz 2023. u 2024. godinu. Njihove performanse bi trebale biti više od 100 puta veće od onih najbržih sistema koji se trenutno koriste u svemirskim letjelicama. Amerikanci su fokusirani na razvoj čipova koji mogu pomoći u osvajanju Mjeseca i Marsa. Ali za sada su to samo projekti.
Evropska svemirska agencija, koja već dugo razvija čipove bazirane na open-source SPARK arhitekturi, ima malo drugačiji pristup. Najnoviji takav proizvod je model GR740 iz porodice LEON4FT. Ovaj četverojezgarni procesor od 250 MHz, opremljen gigabitnim mrežnim adapterom i 2 MB L1000 keš memorije, trebao bi biti odgovarajuća platforma za svemirske letjelice i satelite bez posade. Prema proračunima naučnika, dizajn i karakteristike procesora bi trebalo da garantuju njegov normalan rad čak i nakon 300 godina. Naučnici garantuju da tek nakon 250 godina rada čipa može doći do barem jedne greške. To ulijeva povjerenje u snagu i izdržljivost svemirskih letjelica, jer će let do istog Marsa trajati oko 300-XNUMX dana, a ovo je samo zgodna putanja. Sonde ponekad godinama lutaju svemirom.
Kao zanimljivost, vrijedi spomenuti da su 2017. godine HPE i NASA lansirali prvi komercijalni računar visokih performansi na raketi SpaceX Falcon 9. Dual-socket HPE Apollo 40 server sa Intel Broadwell procesorima i brzim 56 Gbit/ Interfejs je stigao na Međunarodnu svemirsku stanicu. Ako je vjerovati naučnicima, njegov učinak je bio samo 1 TFLOPS, ali je to ipak bilo puno za svemirske uslove.
Pokazuje koliko je teško dizajnirati čipove za upotrebu izvan naše planete i koliko posla treba uraditi da bi se sustigli barem mainstream procesori za kućne računare.
Ali naučnici ulažu velike napore da razviju najmoćnije mikročipove koji ne samo da će podržati rad svemirskih letjelica, već će biti i pouzdano zaštićeni od svemirskog zračenja i radijacije. Možda će kvantni kompjuteri promijeniti situaciju, ali to je druga priča.
Pročitajte također:
Optoelektronika/kvantni kompjuteri?
20 MHz je 20000000 operacija u sekundi, 20000 je 20 KHz.
"Ovaj četvorojezgarni procesor koji radi na 250 MHz, opremljen gigabitnim čipom i 2 MB LXNUMX keš memorije."
Kakav čip?
Ovo je moja nepažnja. Hvala što ste primijetili. Radilo se o gigabitnom mrežnom adapteru. Popravljeno.
"mnogi od vas će vjerovatno biti iznenađeni koliko je malo potrebno za kontrolu, na primjer, svemirske stanice" - Prilično je iznenađujuće koliko resursa moderni računari troše za neke od najjednostavnijih zadataka. Da biste, na primjer, otvorili stranicu na Internetu, potreban vam je moćniji procesor i više memorije nego za kontrolu svemirske stanice.