Infinix Zero 30
Root Nation články Technologie Proč jsou kosmické lodě vybaveny procesory 20. století

Proč jsou kosmické lodě vybaveny procesory 20. století

Vesmírný profesionálcessor

Je to překvapivé, ale moderní kosmické lodě jsou vybaveny zastaralými procesory, které byly vyvinuty již ve 20. století. V tomto článku vám řekneme, co je důvodem tohoto stavu.

Vesmírné lodě jsou skutečnými zázraky techniky, vybavené všemi druhy elektroniky. K tomu samozřejmě patří i procesory, díky kterým může zařízení provádět velmi složité výpočty. Čipy používané při vývoji NASA a dalších vesmírných agentur však mohou často vypadat jako zastaralá zařízení, která se již dávno nevyrábějí.

procesory kosmických lodí

Když se bavíme o procesoru, asi se nám hned vybaví bloky našich stolních počítačů. Mnoho čipů ovlivnilo technologický průmysl. V současné době již byly vyvinuty výkonné superpočítače s obrovským výpočetním výkonem. Bylo by logické použít podobné zařízení v tak složité technologické oblasti, jako je vesmírný výzkum. Přistání na Měsíci nebo vypuštění a manévrování vesmírné sondy ve vzdálenosti milionů kilometrů od naší planety jistě vyžaduje velký výpočetní výkon. Ukazuje se, že to tak úplně není a mnohé z vás nejspíš překvapí, jak málo stačí k ovládání řekněme vesmírné stanice. Mimochodem, nový rover Perseverance, který nedávno úspěšně přistál na Rudé planetě, je založen na procesoru RAD750, což je speciální verze PowerPC 750 - srdce počítačů iMac G3, které vyšly před více než 20 lety. . A helikoptéra Ingenuity, která aktuálně operuje také na Marsu, je vybavena procesorem Snapdragon 801. Tyto vesmírné lodě provádějící ty nejsložitější výpočetní operace pracují na takových „obyčejných“ nebo dokonce zastaralých mikroprocesorech. Tento stav se však pravděpodobně nezmění ani v budoucnu. Pojďme zjistit, proč jsou vědci z NASA a dalších vesmírných agentur nuceni používat tak slabé SoC.

Přečtěte si také: Terraforming Mars: Mohla by se rudá planeta proměnit v novou Zemi?

Vesmírné procesory jsou překvapivě pomalé

Začněme příkladem, který by měl být každému dobře znám. Mluvíme o události, která se stala 16. července 1969. V tento den v rámci mise Apollo 11 vynesla nosná raketa SA-506 kosmickou loď Apollo ze zemské atmosféry. A o 4 dny později vkročili američtí astronauti Buzz Aldrin a Neil Armstrong poprvé v historii lidstva na povrch Měsíce. Mise byla úspěšně provedena s pomocí AGC (Apollo Guidance Computer), vyvinutého již v roce 1966. Design byl z pohledu výpočetní techniky poměrně zajímavý, ale při pohledu na technické vlastnosti tohoto zařízení se lze jen divit, že se mise vůbec povedla. Jen si pomyslete, čip na desce pracoval s taktovací frekvencí pouze 2,048 MHz a měl RAM pouze 2048 slov. Ano, přesně ta slova. To znamená, že nyní se to zdá prostě neuvěřitelné, ale v té době to byl jeden z nejmodernějších počítačů.

Vesmírný profesionálcessor

Za zmínku stojí, že podobný výkon nabízel i domácí počítač Apple II, propuštěn o několik let později. Jinými slovy, v té době měla kosmická loď technické vybavení, které předběhlo dobu.

Tento stav však vydržel až do určitého bodu, rychle se ukázalo, že efektivnější zařízení nemusí být nutně tím nejlepším řešením a někdy může být nebezpečnější. Zlomovým bodem v historii vesmírné elektroniky bylo stanovení přesných hodnot kosmického záření a jeho vlivu na techniku. Jak ale záření ovlivňuje samotný procesor?

Vesmírný profesionálcessor

Když byla kosmická loď Gemini, vybavená jednoduchým palubním počítačem, vypuštěna do vesmíru, technologie použité k jejímu vytvoření byly dnes extrémně primitivní. Ve vesmíru se to však ukázalo jako velká výhoda.

V dnešní době se při vytváření nových procesorů používají modernější technologické postupy, nyní si můžeme bez problémů koupit prakticky mikroskopické procesory vyrobené 7 nm litografií. Čím menší čip, tím menší napětí je potřeba k jeho zapnutí a vypnutí. Ve vesmíru to může způsobit vážné problémy. Faktem je, že pod vlivem radiačních částic existuje možnost neplánovaného přepnutí stavu, ve kterém bude tranzistor. To zase může způsobit, že druhý přestane fungovat v nejneočekávanější chvíli nebo výpočty provedené pomocí takového procesoru budou nepřesné. A ve vesmíru je to nepřijatelné a může to vést k tragickým následkům.

Zajímavý je například procesor Intel 386SX (ořezaná verze Intel 80386), který ovládal tzv. prosklenou kabinu. Běžel na frekvenci přibližně 20 MHz, což znamená, že mohl provádět úkoly při 20 000 cyklech za sekundu. Čip již v době svého debutu ve vesmírné konstrukci neoplýval nijak zvlášť vysokou rychlostí, ale co je důležitější, díky nízké taktovací frekvenci byl procesor v bezpečí.

Vesmírný profesionálcessor

Při vystavení záření mohou jeho částice poškodit data uložená v cache paměti procesoru. To je možné ve velmi krátkém okně – nízké časování jej výrazně snižuje, což znamená, že rychlejší obvody jsou více vystaveny záření. Jednoduše řečeno, radiace může nakonec ovlivnit ukládání dat a poškodit samotný procesor. To je za provozních podmínek vesmírné stanice, nosné rakety nebo sondy nepřijatelné. Nikdo nebude riskovat milionový projekt.

Přečtěte si také: Co nám může zabránit v kolonizaci Marsu?

Destruktivní záření

Svého času byl dopad záření kompenzován změnami v samotném výrobním procesu, například se používaly materiály jako arsenid gallia. Každá úprava však byla velmi drahá. Systémy pro vesmírná vozidla navíc vznikají ve specializovaných továrnách v malých množstvích. Teprve použití technologie RHBD umožnilo použít standardní proces CMOS při výrobě mikroobvodů odolných vůči záření. Používaly se také techniky jako trojitá redundance, která umožňuje vždy uložit tři identické kopie stejného bitu. Když jsou potřeba, vybere se ten nejlepší.

procesory kosmických lodíDestruktivní účinky záření na systémy kosmických lodí kdysi způsobily neúspěch ruské mise Phobos-Grunt. Čip WS512K32V20G24M, určený pro vojenská letadla, byl poškozen těžkými ionty z kosmického záření. Nadměrný proud poškodil počítač a přešel do nouzového režimu. Kvůli problémům s komunikací nebyl restart možný, což vedlo ke vstupu sondy do atmosféry a jejímu spálení.

Vesmírný profesionálcessorProto se pro projekty s dlouhou životností používají opravdu odolné tvárnice. Například Hubbleův dalekohled byl původně vybaven 8bitovou jednotkou Rockwell Autonetics DF-224 s taktovací frekvencí 1,25 MHz. Brzy se ukázalo, že to byl špatný nápad a NASA musela projít procesem výměny čipu za Intel. V roce 1993 byl dalekohled upraven pro podporu Intel 386 a během servisní mise 3A v roce 1999 byla dvojice čipů DF-224 a Intel 386 nahrazena čipem Intel 486.

Vesmírný profesionálcessor

Příklad vesmírné stanice jsme zde již uvedli. Zdálo by se, že tak velká a složitá struktura by měla mít na palubě velmi účinný systém. To však není tento případ. Je známo, že hlavní počítač na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) běží na již zmíněném bloku Intel 386. V zásadě se používají dvě sady po třech počítačích – jeden ruský a jeden americký. Pojďme se také podívat na mnohem novější sondu New Horizons, která v roce 2015 proletěla kolem Pluta a zamířila na Kuiperův pás. Většinu funkcí v tomto zařízení měl na starosti čip Mongoose-V odolný vůči záření s taktovací frekvencí 15 MHz, schopný plnit úkoly rychlostí 40 000 cyklů za sekundu. Jeho výkon se blíží výkonu procesoru, na kterém konzole běží PlayStation.

Vesmírný profesionálcessorKdyž se podíváme i na velmi moderní kosmické lodě, vidíme, že designéři používají řešení často stará několik desítek let. Nedávno celý svět sledoval přistání vozítka Curosity na Marsu. Málokdo by hádal, že uvnitř je procesor BAE RAD750 taktovaný na pouhých 200 MHz, vylepšená verze čipu IBM PowerPC 750. Pokud jste někdy vlastnili počítač Apple, tento procesor možná znáte z řady iMac. Navíc také používal méně výkonný mikroprocesor z konzole Nintendo Wii. V souvislosti s požadavky na provoz v podmínkách zvýšené radiace došlo k více než trojnásobnému snížení jeho hodinového kmitočtu.

Vesmírný profesionálcessor

Již jsme zmínili, že i rover Perseverance běží na procesoru, který vyšel před více než 20 lety. Jinými slovy, nic se nezměnilo a kosmické lodě, které stojí miliony dolarů, používají mikroprocesory, které byly vydány v minulém století. Bez ohledu na to, jak to zní, ale je to pravda.

Přečtěte si také: Místo ve vašem počítači. 5 nejlepších aplikací pro astronomii

Software a počítače, na kterých běží Crew Dragon, Falcon a Starlink

Rozhodli jsme se podrobněji zjistit, co se používá jako software, na příkladu slavných Crew Dragon, Falcon a Starlink.

Když slyšíme jméno kosmické lodi Crew Dragon, mnoho lidí si vybaví tři dotykové obrazovky a modré ovládací rozhraní, které jsme viděli během vysílání. Stále existuje mnoho debat o proveditelnosti ovládání kosmické lodi pomocí dotykových obrazovek namísto tlačítek, spínačů a joysticků. SpaceX zvolili tuto možnost, protože jejich cílem bylo navrhnout loď tak, aby nevyžadovala žádné ovládání a zároveň aby ​​posádka měla vždy přístup k co největšímu množství informací. Loď je zcela autonomní a jediné, co musí astronauti ovládat, je omezeno na vnitřní systémy kabiny, jako je hlasitost audio systému. Řízení letu lodi a jejích nejdůležitějších systémů astronauty by mělo být prováděno pouze v nouzových případech a SpaceX se snažila s pomocí samotných astronautů vyvinout pro tyto úkoly to nejlepší grafické rozhraní.

Vesmírný profesionálcessor

Nutno však podotknout, že klíčové funkce lodi lze ovládat pomocí tlačítek umístěných pod displejem. Posádka má možnost spustit hasicí systém, otevřít padáky při opětovném vstupu do atmosféry, přerušit let k ISS, zahájit nouzový sestup z oběžné dráhy, resetovat palubní počítače a plnit další nouzové úkoly. Páčka pod prostředním displejem umožňuje astronautům spustit evakuační systém. Mají také tlačítka, která spouštějí a ruší příkazy zadané pomocí displejů. Tímto způsobem, pokud astronaut vykoná příkaz na displeji a ten selže, má stále možnost příkaz zrušit stisknutím tlačítka pod displejem. Jasnost a ovladatelnost displejů byla testována také v podmínkách vibrací a testovací týmy a astronauti provedli četné testy v rukavicích a uzavřených skafandrech.

Asi nejdůležitějším požadavkem na systém řízení raket a lodi je samozřejmě spolehlivost. V případě raket SpaceX je to zajištěno především redundancí systému, tedy použitím více identických komponent, které spolupracují a mohou se duplikovat a doplňovat. Konkrétně Falcon 9 má celkem tři samostatné palubní počítače. Každý z těchto počítačů čte data ze senzorů a systémů rakety, provádí potřebné výpočty, rozhoduje o dalších akcích a generuje příkazy k provedení těchto rozhodnutí. Všechny tři počítače jsou propojeny a získané výsledky se porovnávají a analyzují.

Vesmírný profesionálcessor

Počítače jsou založeny na dvoujádrových procesorech PowerPC. Opět platí, že obě jádra provádějí stejné výpočty, porovnávají je navzájem a kontrolují konzistenci. Zatímco hardwarová redundance je tedy trojnásobná, softwarově-výpočetní redundance je šestinásobná. Vadný počítač přitom můžete vrátit do funkčního stavu například restartem. Pokud selže hlavní počítač, převezme jej jeden ze zbývajících počítačů.

V případě problémů s počítači nebo jinými systémy závisí osud mise na rozhodnutí Autonomous Flight Safety System (AFSS). Jedná se o zcela nezávislý palubní počítačový systém, který pracuje na soustavě více mikrokontrolérů (malých počítačů), přijímá stejná data ze senzorů, výsledky výpočtů a příkazy z palubních počítačů a řídí bezpečný průběh letu.

Vesmírný profesionálcessor

Aby bylo zajištěno, že všechny počítače budou mít vždy co nejspolehlivější data, je většina senzorů redundantní, stejně jako počítače, které tato data čtou a poté je odesílají do palubních počítačů. Stejně tak počítače, které řídí jednotlivé raketové subsystémy (motory, kormidla, manévrovací trysky atd.), jsou zdvojeny příkazy palubního počítače. Falcon 9 je tedy řízen celým stromem skládajícím se z minimálně 30 počítačů. V horní části stromu jsou palubní počítače, které spravují síť podřízených počítačů. Každý má svůj komunikační kanál s každým palubním počítačem zvlášť. Všechny týmy k němu tedy přijdou třikrát.

Vesmírný profesionálcessor

Jak je ale vidět, všechny palubní počítače jsou založeny na jednoduchých mikročipech, nikoli na sofistikovaných mikroobvodech moderních superpočítačů.

Přečtěte si také: Vesmír: Nejneobvyklejší vesmírné objekty

Budoucnost vesmírných čipů

Použití relativně starých procesorů neznamená, že nevznikají nové. Jen proces jejich tvorby je velmi obtížný a zabere spoustu času. Je třeba si také uvědomit, že každá konstrukce, která bude použita ve vesmíru, musí splňovat požadavky třídy MIL-STD-883. To znamená projít více než 100 testy vyvinutými ministerstvem obrany USA, včetně tepelných, mechanických, elektrických a dalších testů čipů. Většina procesorů, které prošly tímto testem, je vyrobena pouze ze střední části křemíkového plátku. Je to proto, že právě zde je nejmenší pravděpodobnost výskytu okrajových defektů.

Vesmírný profesionálcessorSeznam projektů budoucích kosmických lodí zahrnuje mimo jiné systémy řady HPSC vyvinuté NASA. Podle očekávání by procesory měly být hotové na přelomu let 2023 a 2024. Jejich výkon by měl být více než 100krát vyšší než u nejrychlejších systémů, které se v současnosti ve vesmírných lodích používají. Američané se zaměřují na vývoj čipů, které mohou pomoci dobýt Měsíc a Mars. Ale zatím jde jen o projekty.

Evropská vesmírná agentura, která čipy založené na open-source architektuře SPARK dlouhodobě vyvíjí, zastává trochu jiný přístup. Nejnovějším takovým produktem je model GR740 z rodiny LEON4FT. Tento čtyřjádrový 250 MHz procesor vybavený gigabitovým síťovým adaptérem a 2 MB L1000 cache by měl být vhodnou platformou pro bezpilotní kosmické lodě a satelity. Podle výpočtů vědců by konstrukce a vlastnosti procesoru měly zaručit jeho normální provoz i po 300 letech. Vědci garantují, že až po 250 letech provozu čipu může nastat alespoň jedna chyba. To vzbuzuje důvěru v sílu a odolnost kosmických lodí, protože let na stejný Mars bude trvat asi 300-XNUMX dní, a to je jen pohodlná trajektorie. Sondy někdy bloudí vesmírem celé roky.

Vesmírný profesionálcessor

Jako zajímavost stojí za zmínku, že v roce 2017 HPE a NASA vypustily první komerční vysoce výkonný počítač na palubě rakety SpaceX Falcon 9. Dvousocketový server HPE Apollo 40 s procesory Intel Broadwell a rychlým 56 Gbit/ s rozhraní dorazilo k Mezinárodní vesmírné stanici. Pokud se má věřit vědcům, jeho výkon byl pouze 1 TFLOPS, ale na vesmírné podmínky to bylo stále hodně.

Vesmírný profesionálcessor

Ukazuje, jak obtížné je navrhnout čipy pro použití mimo naši planetu a kolik práce je třeba vykonat, abychom dohnali alespoň běžné procesory pro domácí PC.

Vědci ale vynakládají velké úsilí na vývoj nejvýkonnějších mikročipů, které budou nejen podporovat provoz kosmických lodí, ale budou také spolehlivě chráněny před kosmickým zářením a radiací. Možná kvantové počítače situaci změní, ale to je jiný příběh.

Přečtěte si také:

Přihlásit se
Upozornit na
host

5 Komentáře
Ty novější
Ti starší Naypopulyarnіshі
Vložené recenze
Zobrazit všechny komentáře
Іgor
Іgor
před 8 měsíci

Optoelektronika/kvantové počítače?

Andrij
Andrij
1 rik k tomu

20 MHz je 20000000 20000 20 operací za sekundu. XNUMX XNUMX je XNUMX kHz.

Ivan
Ivan
2 skalní tom

"Tento čtyřjádrový procesor taktovaný na 250 MHz, vybavený gigabitovým čipem a 2 MB LXNUMX cache."
Jaký druh čipu?

Oleksandr
Oleksandr
2 skalní tom

"mnoho z vás asi překvapí, jak málo stačí k ovládání například vesmírné stanice" - Je spíše překvapivé, kolik zdrojů spotřebují moderní počítače na některé z nejjednodušších úkolů. Chcete-li například otevřít stránku na internetu, potřebujete výkonnější procesor a více paměti než k ovládání vesmírné stanice.

5
0
Milujeme vaše myšlenky, prosím komentujte.x