Hvorfor rumfartøjer er udstyret med processorer fra det 20. århundrede

Det er overraskende, men moderne rumfartøjer er udstyret med forældede processorer, der blev udviklet tilbage i det 20. århundrede. I denne artikel vil vi fortælle dig, hvad der er årsagen til denne tilstand.

Rumskibe er ægte vidundere af teknologi, udstyret med al slags elektronik. Dette inkluderer selvfølgelig også processorer, takket være hvilke udstyret kan udføre meget komplekse beregninger. De chips, der bruges i udviklingen af ​​NASA og andre rumbureauer, kan dog ofte ligne forældede enheder, der længe har været ude af produktion.

Når vi taler om processoren, kommer blokkene på vores stationære computere nok straks til at tænke på. Mange chips har påvirket teknologiindustrien. I øjeblikket er der allerede udviklet kraftfulde supercomputere med enorm computerkraft. Det ville være logisk at bruge lignende udstyr inden for et så komplekst teknologisk område som rumforskning. Landing på månen eller opsendelse og manøvrering af en rumsonde i en afstand af millioner af kilometer fra vores planet kræver helt sikkert en masse computerkraft. Det viser sig, at det ikke helt er tilfældet, og mange af jer vil sikkert blive overrasket over, hvor lidt der skal til for at styre f.eks. en rumstation. I øvrigt er den nye Perseverance rover, som for nylig med succes landede på den røde planet, baseret på RAD750-processoren, som er en speciel version af PowerPC 750 - hjertet i iMac G3-computere, der udkom for mere end 20 år siden . Og Ingenuity-helikopteren, som også i øjeblikket opererer på Mars, er udstyret med en Snapdragon 801. Disse rumfartøjer, der udfører de mest komplekse computeroperationer, arbejder på sådanne "almindelige" eller endda forældede mikroprocessorer. Men denne situation vil næppe ændre sig selv i fremtiden. Lad os finde ud af, hvorfor forskere ved NASA og andre rumbureauer er tvunget til at bruge så svage SoC'er.

Læs også: Terraforming Mars: Kan den røde planet blive til en ny jord?

Rumprocessorer er overraskende langsomme

Lad os starte med et eksempel, som burde være velkendt for alle. Vi taler om begivenheden, der skete den 16. juli 1969. På denne dag, som en del af Apollo 11-missionen, tog SA-506 løftefartøjet Apollo-rumfartøjet ud af jordens atmosfære. Og 4 dage senere satte de amerikanske astronauter Buzz Aldrin og Neil Armstrong deres fod på månens overflade for første gang i menneskehedens historie. Missionen blev udført med succes ved hjælp af AGC (Apollo Guidance Computer), udviklet tilbage i 1966. Designet var ret interessant fra et computerteknologisk synspunkt, men ser man på de tekniske egenskaber ved denne enhed, kan man kun blive overrasket over, at missionen overhovedet var vellykket. Tænk bare, chippen ombord arbejdede med en klokfrekvens på kun 2,048 MHz og havde en RAM på kun 2048 ord. Ja, præcis ordene. Det vil sige, nu virker det simpelthen utroligt, men på det tidspunkt var det en af ​​de mest moderne computere.

Det er værd at bemærke, at en hjemmecomputer tilbød lignende ydeevne Apple II, udgivet et par år senere. Med andre ord havde rumfartøjet på det tidspunkt teknisk udstyr, der var forud for sin tid.

Men denne tilstand varede indtil et vist punkt, det blev hurtigt klart, at en mere effektiv enhed ikke nødvendigvis er den bedste løsning, og nogle gange kan det være mere farligt. Vendepunktet i rumelektronikkens historie var bestemmelsen af ​​de nøjagtige værdier af kosmisk stråling og dens indvirkning på teknologien. Men hvordan påvirker stråling selve processoren?

Da Gemini-rumfartøjet, udstyret med en simpel indbygget computer, blev opsendt ud i rummet, var teknologierne, der blev brugt til at skabe det, fra i dag ekstremt primitive. Men i rummet viste det sig at være en stor fordel.

I dag, når der skabes nye processorer, bruges mere moderne teknologiske processer, nu kan vi nemt købe, praktisk talt, mikroskopiske processorer lavet af 7 nm litografi. Jo mindre chippen er, jo mindre spænding er nødvendig for at tænde og slukke den. I rummet kan dette give alvorlige problemer. Faktum er, at der under påvirkning af strålingspartikler er mulighed for uplanlagt omskiftning af den tilstand, hvor transistoren vil være. Dette kan igen få sidstnævnte til at holde op med at virke på det mest uventede tidspunkt, eller de beregninger, der udføres ved hjælp af en sådan processor, vil være unøjagtige. Og i rummet er dette uacceptabelt og kan føre til tragiske konsekvenser.

Et interessant eksempel er for eksempel Intel 386SX-processoren (en cut-down version af Intel 80386), som styrede den såkaldte glaskabine. Den kørte med en clockhastighed på omkring 20 MHz, hvilket betyder, at den kunne udføre opgaver med 20 cyklusser i sekundet. Allerede på tidspunktet for sin debut inden for rumkonstruktion havde chippen ikke en særlig høj hastighed, men endnu vigtigere, takket være den lave clock-frekvens, var processoren sikker.

Når de udsættes for stråling, kan dens partikler beskadige data, der er gemt i processorens cachehukommelse. Dette er muligt i et meget kort vindue - lav timing reducerer det betydeligt, hvilket betyder, at hurtigere kredsløb er mere udsat for stråling. Kort sagt kan stråling i sidste ende påvirke datalagring og beskadige selve processoren. Dette er uacceptabelt under driftsbetingelserne for en rumstation, løfteraket eller sonde. Ingen vil risikere et millionprojekt.

Læs også: Hvad kan forhindre os i at kolonisere Mars?

Destruktiv stråling

På et tidspunkt blev virkningen af ​​stråling kompenseret af ændringer i selve produktionsprocessen, for eksempel blev der brugt materialer som galliumarsenid. Hver modifikation var dog meget dyr. Derudover skabes systemer til rumfartøjer i specialiserede fabrikker i små mængder. Kun brugen af ​​RHBD-teknologi gjorde det muligt at bruge standard CMOS-processen til fremstilling af strålingsbestandige mikrokredsløb. Der blev også brugt teknikker såsom tredobbelt redundans, som gør det muligt at lagre tre identiske kopier af den samme bit til enhver tid. Når de er nødvendige, vælges den bedste.

De destruktive virkninger af stråling på rumfartøjssystemer forårsagede engang fejlen i den russiske Phobos-Grunt-mission. WS512K32V20G24M chippen, designet til militærfly, blev beskadiget af tunge ioner fra kosmiske stråler. For høj strøm beskadigede computeren, og den gik i fejlsikret tilstand. På grund af kommunikationsproblemer var genstarten ikke mulig, hvilket førte til sondens indtrængen i atmosfæren og dens forbrænding.

Til projekter med lang levetid anvendes derfor rigtig holdbare blokke. For eksempel var Hubble-teleskopet oprindeligt udstyret med en 8-bit Rockwell Autonetics DF-224-enhed med en klokfrekvens på 1,25 MHz. Det blev hurtigt klart, at dette var en dårlig idé, og NASA måtte gennemgå processen med at udskifte chippen med en Intel. I 1993 blev teleskopet tilpasset til at understøtte Intel 386, og under servicemission 3A i 1999 blev parret DF-224 og Intel 386 chips erstattet med en Intel 486 chip.

Vi har allerede givet eksemplet med rumstationen her. Det ser ud til, at en så stor og kompleks struktur burde have et meget effektivt system om bord. Dette er dog ikke tilfældet. Det er kendt, at hovedcomputeren på den internationale rumstation (ISS) kører på den allerede nævnte Intel 386-blok. Grundlæggende bruges to sæt af tre computere - en russisk og en amerikansk. Lad os også tage et kig på det meget nyere New Horizons-rumfartøj, som fløj forbi Pluto i 2015 og målrettede Kuiperbæltet. Den strålingsbestandige Mongoose-V-chip med en clockfrekvens på 15 MHz, der er i stand til at udføre opgaver med en hastighed på 40 cyklusser i sekundet, var ansvarlig for de fleste af funktionerne i denne enhed. Dens ydeevne er tæt på ydeevnen for den processor, som konsollen kører på PlayStation.

Når vi ser på selv meget moderne rumfartøjer, ser vi, at designere bruger løsninger, der ofte er flere årtier gamle. For nylig så hele verden landingen af ​​Curosity-roveren på Mars. De færreste ville have gættet, at der indeni var en BAE RAD750-processor klokket til kun 200 MHz, en forbedret version af IBM PowerPC 750-chippen. Hvis du nogensinde har ejet en computer Apple, du kender måske denne processor fra iMac-serien. Desuden brugte den også den mindre effektive mikroprocessor fra Nintendo Wii-konsollen. I forbindelse med kravene til drift under forhold med øget stråling er dens clockfrekvens blevet reduceret med mere end tre gange.

Vi har allerede nævnt, at Perseverance-roveren også kører på en processor, der blev udgivet for mere end 20 år siden. Med andre ord, intet har ændret sig, og rumfartøjer, der koster millioner af dollars, bruger mikroprocessorer, der blev udgivet i det sidste århundrede. Uanset hvordan det lyder, men det er sandt.

Læs også: Plads på din computer. 5 bedste astronomi-apps

Software og computere, der kører Crew Dragon, Falcon og Starlink

Vi besluttede at finde ud af mere detaljeret, hvad der bruges som software, ved at bruge eksemplet med den berømte Crew Dragon, Falcon og Starlink.

Når vi hører navnet på Crew Dragon-rumfartøjet, tænker mange mennesker på de tre berøringsskærme og blå kontrolgrænseflade, som vi så under udsendelserne. Der er stadig megen debat om gennemførligheden af ​​at styre rumfartøjet ved hjælp af berøringsskærme i stedet for knapper, kontakter og joystick. SpaceX valgte denne mulighed, fordi deres mål var at designe skibet på en sådan måde, at det ikke krævede nogen kontrol og samtidig, så besætningen altid havde adgang til så meget information som muligt. Skibet er fuldstændig autonomt, og det eneste, astronauterne skal kontrollere, er begrænset til interne kabinesystemer, såsom lydsystemets lydstyrke. Kontrol af skibets flyvning og dets vigtigste systemer af astronauter bør kun udføres i nødstilfælde, og SpaceX forsøgte med hjælp fra astronauterne selv at udvikle den bedste grafiske grænseflade til disse opgaver.

Det skal dog bemærkes, at skibets nøglefunktioner kan styres ved hjælp af knapperne under displayet. Besætningen har mulighed for at starte ildslukningssystemet, åbne faldskærmene, når de kommer ind i atmosfæren igen, afbryde flyvningen til ISS, starte en nødnedstigning fra kredsløb, nulstille de indbyggede computere og udføre andre nødopgaver. Et håndtag under det midterste display gør det muligt for astronauterne at starte evakueringssystemet. De har også knapper, der starter og annullerer kommandoer, der indtastes ved hjælp af displayene. På den måde, hvis astronauten udfører en kommando på skærmen, og den mislykkes, har han stadig mulighed for at annullere kommandoen ved at trykke på en knap under skærmen. Skærmenes klarhed og kontrollerbarhed blev også testet under vibrationsforhold, og testholdene og astronauterne udførte adskillige test i handsker og forseglede rumdragter.

Det nok vigtigste krav til et missil- og skibskontrolsystem er naturligvis pålidelighed. I tilfælde af SpaceX-raketter sikres dette først og fremmest på grund af systemredundans, det vil sige på grund af brugen af ​​flere identiske komponenter, der arbejder sammen og kan duplikere og komplementere hinanden. Især Falcon 9 har i alt tre separate indbyggede computere. Hver af disse computere læser data fra rakettens sensorer og systemer, udfører de nødvendige beregninger, træffer beslutninger om yderligere handlinger og genererer kommandoer til at træffe disse beslutninger. Alle tre computere er forbundet, og de opnåede resultater sammenlignes og analyseres.

Computere er baseret på dual-core PowerPC-processorer. Igen udfører begge kerner de samme beregninger, sammenligner dem med hinanden og kontrollerer konsistens. Mens hardwareredundansen er tredobbelt, er software-beregningsredundansen således seksdobbelt. Samtidig kan du få en defekt computer tilbage til en fungerende tilstand, for eksempel ved at genstarte. Hvis hovedcomputeren fejler, overtager en af ​​de resterende computere.

I tilfælde af problemer med computere eller andre systemer afhænger missionens skæbne af beslutningen fra det autonome flyvesikkerhedssystem (AFSS). Dette er et helt uafhængigt on-board computersystem, der fungerer på et sæt af flere mikrocontrollere (små computere), modtager de samme data fra sensorer, beregningsresultater og kommandoer fra on-board computere og styrer det sikre forløb af flyvningen.

For at sikre, at alle computere altid har de mest pålidelige data som muligt, er de fleste sensorer redundante, ligesom de computere, der læser disse data og derefter sender dem til de indbyggede computere. På samme måde duplikeres computere, der styrer individuelle missilundersystemer (motorer, ror, manøvreringsdyser osv.) af indbyggede computerkommandoer. Falcon 9 styres således af et helt træ bestående af mindst 30 computere. Øverst i træet er indbyggede computere, der styrer et netværk af underordnede computere. Hver har sin egen kommunikationskanal med hver indbygget computer separat. Så alle holdene kommer til ham tre gange.

Men som du kan se, er alle indbyggede computere baseret på simple mikrochips, ikke sofistikerede mikrokredsløb af moderne supercomputere.

Læs også: Univers: De mest usædvanlige rumobjekter

Fremtiden for rumchips

Brugen af ​​relativt gamle processorer betyder ikke, at der ikke skabes nye. Det er bare, at processen med at skabe dem er meget vanskelig og tager meget tid. Det skal også forstås, at enhver struktur, der skal bruges i rummet, skal opfylde kravene i MIL-STD-883-klassen. Det betyder at bestå mere end 100 tests udviklet af det amerikanske forsvarsministerium, inklusive termiske, mekaniske, elektriske og andre chiptest. De fleste af de processorer, der bestod denne test, er kun lavet af den centrale del af siliciumwaferen. Det er nemlig her, at der er mindst sandsynlighed for, at der opstår kantfejl.

Listen over projekter for fremtidige rumfartøjer omfatter blandt andet HPSC-serien af ​​systemer udviklet af NASA. Processorerne skulle som forventet være klar ved årsskiftet 2023 og 2024. Deres ydeevne skulle være mere end 100 gange højere end den for de hurtigste systemer, der i øjeblikket bruges i rumfartøjer. Amerikanerne er fokuseret på udviklingen af ​​chips, der kan hjælpe med at erobre månen og Mars. Men indtil videre er det kun projekter.

European Space Agency, som i lang tid har udviklet chips baseret på open source SPARK-arkitekturen, har en lidt anden tilgang. Det seneste sådant produkt er GR740-modellen fra LEON4FT-familien. Denne quad-core 250 MHz-processor, udstyret med en gigabit-netværksadapter og 2 MB L1000-cache, skulle være en passende platform for ubemandede rumfartøjer og satellitter. Ifølge videnskabsmænds beregninger skulle processorens design og egenskaber garantere dens normale drift selv efter 300 år. Forskere garanterer, at kun efter 250 års drift af chippen kan der opstå mindst én fejl. Dette inspirerer til tillid til rumfartøjets styrke og holdbarhed, fordi flyvningen til den samme Mars vil tage omkring 300-XNUMX dage, og dette er kun en bekvem bane. Sonder vandrer nogle gange i rummet i årevis.

Som en interessant kendsgerning er det værd at nævne, at HPE og NASA i 2017 lancerede den første kommercielle højtydende computer ombord på SpaceX Falcon 9-raketten. En dual-socket HPE Apollo 40-server med Intel Broadwell-processorer og en hurtig 56 Gbit/ s grænseflade ankom til den internationale rumstation. Hvis man skal tro videnskabsmænd, var dens ydeevne kun 1 TFLOPS, men det var stadig meget for rumforholdene.

Det viser, hvor svært det er at designe chips til brug uden for vores planet, og hvor meget arbejde der skal gøres for at indhente i det mindste almindelige hjemme-pc-processorer.

Men forskere gør en stor indsats for at udvikle de mest kraftfulde mikrochips, der ikke kun vil understøtte driften af ​​rumfartøjer, men også være pålideligt beskyttet mod rumstråling og stråling. Måske vil kvantecomputere ændre situationen, men det er en anden historie.

Læs også:

• Kan mørkt stof bestå af oprindelige sorte huller? Hvad mener astrofysikere?
• Mars er i kontakt! Om kompleksiteten af ​​rumkommunikation
• Om kvantecomputere i simple ord