See on üllatav, kuid kaasaegsed kosmoseaparaadid on varustatud aegunud protsessoritega, mis töötati välja 20. sajandil. Selles artiklis räägime teile, mis on sellise olukorra põhjus.
Kosmoselaevad on tõelised tehnoloogia imed, mis on varustatud igasuguse elektroonikaga. Siia kuuluvad loomulikult ka protsessorid, tänu millele suudavad seadmed teha väga keerulisi arvutusi. NASA ja teiste kosmoseagentuuride arenduses kasutatavad kiibid võivad aga sageli tunduda vananenud seadmetena, mis on ammu tootmisest väljas.
Kui me räägime protsessorist, siis ilmselt meenuvad kohe meie lauaarvutite plokid. Paljud kiibid on mõjutanud tehnoloogiatööstust. Praegu on juba välja töötatud võimsad ülisuure arvutusvõimsusega superarvutid. Loogiline oleks kasutada sarnaseid seadmeid nii keerulises tehnoloogilises valdkonnas nagu kosmoseuuringud. Kuule maandumine või kosmosesondi käivitamine ja manööverdamine meie planeedist miljonite kilomeetrite kaugusel nõuab kindlasti palju arvutusvõimsust. Selgub, et see pole päris nii ja paljud teist on ilmselt üllatunud, kui vähe on vaja näiteks kosmosejaama juhtimiseks. Muide, hiljuti edukalt Red Planetile maandunud uus Perseverance rover põhineb RAD750 protsessoril, mis on PowerPC 750 eriversioon – enam kui 3 aastat tagasi välja tulnud iMac G20 arvutite süda. . Ja praegu ka Marsil tegutsev Ingenuity helikopter on varustatud protsessoriga Snapdragon 801. Need kõige keerukamaid arvutusoperatsioone sooritavad kosmoseaparaadid töötavad sellistel "tavalistel" või lausa vananenud mikroprotsessoritel. Kuid tõenäoliselt ei muutu see olukord isegi tulevikus. Uurime välja, miks NASA ja teiste kosmoseagentuuride teadlased on sunnitud kasutama nii nõrku SoC-sid.
Loe ka: Marsi terraformeerimine: kas punane planeet võib muutuda uueks Maaks?
Kosmoseprotsessorid on üllatavalt aeglased
Alustame näitega, mis peaks olema kõigile hästi teada. Räägime sündmusest, mis juhtus 16. juulil 1969. aastal. Sel päeval viis kanderakett SA-11 Apollo 506 missiooni raames kosmoselaeva Apollo Maa atmosfäärist välja. Ja 4 päeva hiljem astusid Ameerika astronaudid Buzz Aldrin ja Neil Armstrong esimest korda inimkonna ajaloos Kuu pinnale. Missioon viidi edukalt läbi 1966. aastal välja töötatud AGC (Apollo Guidance Computer) abil. Disain oli arvutitehnika seisukohalt päris huvitav, kuid vaadates selle seadme tehnilisi omadusi, võib vaid imestada, et missioon üldse õnnestus. Mõelda vaid, pardal olev kiip töötas ainult 2,048 MHz taktsagedusega ja selle RAM-is oli vaid 2048 sõna. Jah, täpselt sõnad. See tähendab, et praegu tundub see lihtsalt uskumatu, kuid sel ajal oli see üks kaasaegsemaid arvuteid.
Väärib märkimist, et koduarvuti pakkus sarnast jõudlust Apple II, vabastati paar aastat hiljem. Teisisõnu oli sel ajal kosmoselaeva tehniline varustus, mis oli oma ajast ees.
Selline seis kestis aga teatud hetkeni, kiiresti sai selgeks, et tõhusam seade ei pruugi olla parim lahendus ning mõnikord võib see olla ohtlikum. Pöördepunktiks kosmoseelektroonika ajaloos oli kosmilise kiirguse täpsete väärtuste määramine ja selle mõju tehnoloogiale. Kuidas aga mõjutab kiirgus protsessorit ennast?
Kui lihtsa pardaarvutiga varustatud kosmoselaev Gemini kosmosesse lasti, olid selle loomiseks kasutatud tehnoloogiad tänase seisuga äärmiselt primitiivsed. Kosmoses osutus see aga suureks eeliseks.
Tänapäeval kasutatakse uute protsessorite loomisel kaasaegsemaid tehnoloogilisi protsesse, nüüd on meil lihtne osta praktiliselt 7nm litograafiaga valmistatud mikroskoopilisi protsessoreid. Mida väiksem on kiip, seda vähem on selle sisse- ja väljalülitamiseks pinget vaja. Kosmoses võib see põhjustada tõsiseid probleeme. Fakt on see, et kiirgusosakeste mõjul on transistori oleku planeerimatu ümberlülitamise võimalus. See omakorda võib põhjustada viimase töö lõpetamise kõige ootamatumal hetkel või on sellise protsessori abil tehtud arvutused ebatäpsed. Ja kosmoses on see vastuvõetamatu ja võib kaasa tuua traagilisi tagajärgi.
Huvitav näide on näiteks Intel 386SX protsessor (Intel 80386 kärbitud versioon), mis juhtis nn klaaskabiini. See töötas umbes 20 MHz taktsagedusel, mis tähendab, et see suutis täita ülesandeid kiirusega 20 000 tsüklit sekundis. Juba kosmoseehituses debüüdi ajal polnud kiibil eriti suurt kiirust, kuid mis veelgi olulisem, tänu madalale taktsagedusele oli protsessor turvaline.
Kiirgusega kokkupuutel võivad selle osakesed kahjustada protsessori vahemällu salvestatud andmeid. See on võimalik väga lühikeses aknas – madal ajastus vähendab seda oluliselt, mis tähendab, et kiiremad ahelad puutuvad rohkem kiirgusega kokku. Lihtsamalt öeldes võib kiirgus lõpuks mõjutada andmete salvestamist ja kahjustada protsessorit ennast. See on kosmosejaama, kanderaketti või sondi töötingimustes vastuvõetamatu. Keegi ei riski miljonilise projektiga.
Loe ka: Mis võib takistada meil Marsi koloniseerimast?
Hävitav kiirgus
Omal ajal kompenseerisid kiirguse mõju muutused tootmisprotsessis endas, näiteks kasutati materjale nagu galliumarseniid. Iga modifikatsioon oli aga väga kallis. Lisaks luuakse spetsialiseeritud tehastes väikestes kogustes kosmosesõidukite süsteeme. Ainult RHBD tehnoloogia kasutamine võimaldas kasutada standardset CMOS protsessi kiirguskindlate mikroskeemide tootmisel. Kasutati ka selliseid tehnikaid nagu kolmekordne koondamine, mis võimaldab sama biti kolme identset koopiat kogu aeg salvestada. Kui neid vaja läheb, valitakse välja parim.
Kiirguse hävitav mõju kosmoselaevade süsteemidele põhjustas kunagi Venemaa Phobos-Grunti missiooni ebaõnnestumise. Sõjalennukitele mõeldud kiip WS512K32V20G24M sai kahjustada kosmiliste kiirte raskete ioonide poolt. Liigne vool kahjustas arvutit ja see läks turvarežiimi. Kommunikatsiooniprobleemide tõttu ei olnud taaskäivitamine võimalik, mis viis sondi sattumiseni atmosfääri ja selle põlemiseni.
Seetõttu kasutatakse pika kasutuseaga projektide jaoks tõeliselt vastupidavaid plokke. Näiteks Hubble'i teleskoop oli algselt varustatud 8-bitise Rockwell Autonetics DF-224 seadmega, mille taktsagedus oli 1,25 MHz. Peagi sai selgeks, et see oli halb mõte ja NASA pidi kiibi Inteli vastu välja vahetama. 1993. aastal kohandati teleskoop toetama Intel 386 ja 3. aasta teenindusmissiooni 1999A ajal asendati DF-224 ja Intel 386 kiipide paar Intel 486 kiibiga.
Oleme siin kosmosejaama näite juba toonud. Näib, et nii suure ja keeruka struktuuri pardal peaks olema väga tõhus süsteem. See aga nii ei ole. Teadaolevalt töötab Rahvusvahelise Kosmosejaama (ISS) põhiarvuti juba mainitud plokiga Intel 386. Põhimõtteliselt kasutatakse kahte kolmest arvutist koosnevat komplekti - üks Vene ja üks Ameerika. Heidame pilgu ka palju uuemale New Horizonsi kosmoselaevale, mis 2015. aastal Pluuto juures lendas ja sihiks Kuiperi vöö. Kiirguskindel Mongoose-V kiip taktsagedusega 15 MHz, mis on võimeline täitma ülesandeid kiirusega 40 000 tsüklit sekundis, vastutas enamiku selle seadme funktsioonide eest. Selle jõudlus on lähedane selle protsessori jõudlusele, millel konsool töötab PlayStation.
Kui vaatame isegi väga kaasaegseid kosmoseaparaate, näeme, et disainerid kasutavad sageli mitukümmend aastat vanad lahendused. Hiljuti jälgis kogu maailm kulguri Curosity maandumist Marsile. Vähesed oleksid arvanud, et sees oli BAE RAD750 protsessor, mille taktsagedus on vaid 200 MHz, IBM PowerPC 750 kiibi täiustatud versioon. Kui olete kunagi arvutit omanud Apple, võite tunda seda protsessorit iMaci seeriast. Lisaks kasutas see ka Nintendo Wii konsooli vähem tõhusat mikroprotsessorit. Seoses töönõuetega suurenenud kiirguse tingimustes on selle taktsagedust vähendatud enam kui kolm korda.
Oleme juba maininud, et Perseverance rover töötab ka protsessoriga, mis ilmus rohkem kui 20 aastat tagasi. Teisisõnu pole midagi muutunud ja miljoneid dollareid maksvad kosmoseaparaadid kasutavad eelmisel sajandil välja antud mikroprotsessoreid. Pole tähtis, kuidas see kõlab, aga see on tõsi.
Loe ka: Ruumi teie arvutis. 5 parimat astronoomiarakendust
Tarkvara ja arvutid, mis käitavad Crew Dragonit, Falconit ja Starlinki
Otsustasime kuulsate Crew Dragoni, Falconi ja Starlinki näitel lähemalt uurida, mida tarkvarana kasutatakse.
Kui kuuleme kosmoselaeva Crew Dragon nime, meenuvad paljud kolm puuteekraani ja sinine juhtliides, mida ülekannete ajal nägime. Ikka on palju arutelusid selle üle, kas on võimalik juhtida kosmoselaeva nuppude, lülitite ja juhtkangide asemel puuteekraane. SpaceX valisid selle variandi, sest nende eesmärk oli kujundada laev nii, et see ei nõuaks mingit juhtimist ja samas oleks meeskonnal alati juurdepääs võimalikult suurele teabele. Laev on täiesti autonoomne ja ainus, mida astronaudid peavad kontrollima, piirdub salongi sisesüsteemidega, näiteks helisüsteemi helitugevusega. Laeva ja selle olulisemate süsteemide lennujuhtimine astronautide poolt peaks toimuma ainult hädaolukorras ning SpaceX püüdis astronautide endi abiga nende ülesannete jaoks parimat graafilist liidest välja töötada.
Siiski tuleb märkida, et laeva põhifunktsioone saab juhtida ekraani all asuvate nuppude abil. Meeskonnal on võimalus käivitada tulekustutussüsteem, avada langevarjud uuesti atmosfääri sisenemisel, katkestada lend ISS-ile, alustada orbiidilt hädalaskumist, lähtestada pardaarvuteid ja täita muid avariiülesandeid. Keskmise ekraani all olev hoob võimaldab astronautidel evakuatsioonisüsteemi käivitada. Neil on ka nupud, mis käivitavad ja tühistavad ekraanide kaudu sisestatud käsklusi. Sel viisil, kui astronaut täidab ekraanil käskluse ja see ebaõnnestub, on tal siiski võimalus käsk tühistada, vajutades ekraani all olevat nuppu. Ekraanide selgust ja juhitavust testiti ka vibratsioonitingimustes ning testimisrühmad ja astronaudid tegid arvukalt katseid kinnastes ja suletud skafandrites.
Tõenäoliselt on raketi- ja laevajuhtimissüsteemi kõige olulisem nõue loomulikult töökindlus. SpaceX rakettide puhul on see tagatud ennekõike tänu süsteemi liiasusele ehk mitme identse komponendi kasutamisele, mis töötavad koos ning suudavad üksteist dubleerida ja täiendada. Eelkõige on Falcon 9-l kokku kolm eraldiseisvat pardaarvutit. Igaüks neist arvutitest loeb andmeid raketi anduritest ja süsteemidest, teeb vajalikud arvutused, teeb otsuseid edasiste toimingute kohta ja genereerib nende otsuste tegemiseks käske. Kõik kolm arvutit on omavahel ühendatud ning saadud tulemusi võrreldakse ja analüüsitakse.
Arvutid põhinevad kahetuumalistel PowerPC protsessoritel. Jällegi teevad mõlemad südamikud samu arvutusi, võrdlevad neid üksteisega ja kontrollivad järjepidevust. Seega, kui riistvaraline liiasus on kolmekordne, siis tarkvaraline arvutuslik liiasus on kuuekordne. Samal ajal saate vigase arvuti tööolekusse tagasi viia, näiteks taaskäivitades. Kui põhiarvuti ebaõnnestub, võtab üks ülejäänud arvutitest üle.
Arvutite või muude süsteemidega seotud probleemide korral sõltub missiooni saatus autonoomse lennuohutussüsteemi (AFSS) otsusest. See on täiesti iseseisev pardaarvuti süsteem, mis töötab mitme mikrokontrolleri komplektil (väikearvutitel), saab samad andmed anduritelt, arvutustulemused ja käsklused pardaarvutitelt ning juhib lennu ohutut kulgu.
Tagamaks, et kõigil arvutitel on alati võimalikult usaldusväärsed andmed, on enamik andureid üleliigsed, nagu ka arvutid, mis neid andmeid loevad ja seejärel pardaarvutitesse saadavad. Samamoodi dubleeritakse pardaarvuti käsklustega arvuteid, mis juhivad üksikuid raketi allsüsteeme (mootorid, roolid, manööverdusdüüsid jne). Seega juhib Falcon 9 terve puu, mis koosneb vähemalt 30 arvutist. Puu ülaosas on pardaarvutid, mis haldavad alluvate arvutite võrku. Igal neist on oma sidekanal iga pardaarvutiga eraldi. Nii et kõik meeskonnad tulevad tema juurde kolm korda.
Kuid nagu näete, põhinevad kõik pardaarvutid lihtsatel mikrokiipidel, mitte kaasaegsete superarvutite keerukatel mikroskeemidel.
Loe ka: Universum: kõige ebatavalisemad kosmoseobjektid
Kosmosekiipide tulevik
Suhteliselt vanade protsessorite kasutamine ei tähenda, et uusi ei tekiks. Lihtsalt nende loomise protsess on väga raske ja võtab palju aega. Samuti tuleb mõista, et iga kosmoses kasutatav struktuur peab vastama MIL-STD-883 klassi nõuetele. See tähendab enam kui 100 USA kaitseministeeriumi välja töötatud testi läbimist, sealhulgas termilisi, mehaanilisi, elektrilisi ja muid kiipide teste. Enamik selle testi läbinud protsessoreid on valmistatud ainult räniplaadi keskosast. Selle põhjuseks on asjaolu, et just siin tekivad servadefektid kõige vähem tõenäolisemalt.
Tulevaste kosmoselaevade projektide nimekirjas on muu hulgas NASA välja töötatud HPSC seeria süsteemid. Protsessorid peaksid ootuspäraselt valmis saama 2023. ja 2024. aasta vahetusel. Nende jõudlus peaks olema enam kui 100 korda kõrgem kui praegu kosmoselaevades kasutatavatel kiireimatel süsteemidel. Ameeriklased on keskendunud kiipide arendamisele, mis võivad aidata Kuu ja Marsi vallutada. Kuid seni on need vaid projektid.
Euroopa Kosmoseagentuur, mis on pikka aega avatud lähtekoodiga SPARK-i arhitektuuril põhinevaid kiipe arendanud, läheneb veidi teistsugusele. Viimane selline toode on LEON740FT perekonna mudel GR4. See neljatuumaline 250 MHz protsessor, mis on varustatud gigabitise võrguadapteri ja 2 MB L1000 vahemäluga, peaks olema sobiv platvorm mehitamata kosmoselaevadele ja satelliitidele. Teadlaste arvutuste kohaselt peaks protsessori disain ja omadused tagama selle normaalse töö ka 300 aasta pärast. Teadlased garanteerivad, et alles pärast 250-aastast kiibi töötamist võib ilmneda vähemalt üks viga. See sisendab usaldust kosmoselaevade tugevuse ja vastupidavuse vastu, sest lend samale Marsile kestab umbes 300-XNUMX päeva ja see on vaid mugav trajektoor. Sondid ekslevad kosmoses mõnikord aastaid.
Huvitava faktina tasub mainida, et 2017. aastal käivitasid HPE ja NASA raketi SpaceX Falcon 9 pardal esimese kaubandusliku suure jõudlusega arvuti.HPE Apollo 40 kahepesaline server Intel Broadwelli protsessoritega ja kiire 56 Gbit/ s liides jõudis rahvusvahelisse kosmosejaama. Kui teadlasi uskuda, oli selle jõudlus vaid 1 TFLOPS, kuid kosmosetingimuste jaoks oli see siiski palju.
See näitab, kui keeruline on kujundada kiipe kasutamiseks väljaspool meie planeeti ja kui palju tööd tuleb teha, et jõuda vähemalt tavapärastele koduarvutite protsessoritele.
Kuid teadlased teevad suuri jõupingutusi kõige võimsamate mikrokiipide väljatöötamiseks, mis mitte ainult ei toeta kosmoseaparaatide tööd, vaid on ka usaldusväärselt kaitstud kosmosekiirguse ja -kiirguse eest. Võib-olla muudavad kvantarvutid olukorda, aga see on juba teine lugu.
Loe ka:
Optoelektroonika/kvantarvutid?
20 MHz on 20000000 20000 20 toimingut sekundis. XNUMX XNUMX on XNUMX KHz.
"See neljatuumaline protsessor, mille taktsagedus oli 250 MHz, varustatud gigabitise kiibi ja 2 MB LXNUMX vahemäluga."
Milline kiip?
See on minu tähelepanematus. Aitäh märkamast. Jutt oli gigabitisest võrguadapterist. Parandas ära.
"paljud teist on ilmselt üllatunud, kui vähe on vaja näiteks kosmosejaama juhtimiseks" - Üllatav on see, kui palju ressursse tänapäevased arvutid mõne kõige lihtsama töö jaoks kulutavad. Näiteks Internetis lehe avamiseks on vaja võimsamat protsessorit ja rohkem mälu kui kosmosejaama juhtimiseks.