چرا فضاپیماها به پردازنده های قرن بیستم مجهز شده اند؟

تعجب آور است، اما فضاپیماهای مدرن مجهز به پردازنده های قدیمی هستند که در قرن بیستم ساخته شده اند. در این مقاله به شما خواهیم گفت که دلیل این وضعیت چیست.

سفینه های فضایی شگفتی های واقعی فناوری هستند که به انواع وسایل الکترونیکی مجهز هستند. البته این شامل پردازنده هایی نیز می شود که به لطف آنها تجهیزات می توانند محاسبات بسیار پیچیده ای را انجام دهند. با این حال، تراشه‌های مورد استفاده در توسعه ناسا و دیگر آژانس‌های فضایی اغلب شبیه دستگاه‌های منسوخ شده‌ای هستند که مدت‌ها از تولید خارج شده‌اند.

وقتی در مورد پردازنده صحبت می کنیم، احتمالاً بلوک های رایانه های رومیزی ما بلافاصله به ذهن خطور می کنند. بسیاری از تراشه ها بر صنعت فناوری تأثیر گذاشته اند. در حال حاضر، ابرکامپیوترهای قدرتمند با قدرت محاسباتی عظیم قبلاً توسعه یافته اند. منطقی است که از تجهیزات مشابه در زمینه فناوری پیچیده مانند تحقیقات فضایی استفاده شود. فرود روی ماه یا پرتاب و مانور یک کاوشگر فضایی در فاصله میلیون‌ها کیلومتری از سیاره ما قطعاً به قدرت محاسباتی زیادی نیاز دارد. به نظر می رسد که کاملاً اینطور نیست، و احتمالاً بسیاری از شما از میزان کمی نیاز برای کنترل، مثلاً، یک ایستگاه فضایی شگفت زده خواهید شد. به هر حال، مریخ نورد جدید Perseverance که اخیراً با موفقیت در سیاره سرخ فرود آمد، مبتنی بر پردازنده RAD750 است که نسخه ویژه ای از PowerPC 750 است - قلب رایانه های iMac G3 که بیش از 20 سال پیش ظاهر شد. . و هلیکوپتر Ingenuity که در حال حاضر در مریخ نیز فعالیت می کند، مجهز به پردازنده اسنپدراگون 801 است. این فضاپیماها که پیچیده ترین عملیات محاسباتی را انجام می دهند، روی چنین ریزپردازنده های "معمولی" یا حتی قدیمی کار می کنند. اما بعید است که این وضعیت حتی در آینده تغییر کند. بیایید دریابیم که چرا دانشمندان ناسا و سایر آژانس های فضایی مجبور به استفاده از چنین SoC های ضعیفی هستند.

همچنین بخوانید: مریخ شکل گیری زمین: آیا سیاره سرخ می تواند به یک زمین جدید تبدیل شود؟

پردازنده های فضایی به طرز شگفت آوری کند هستند

بیایید با مثالی شروع کنیم که باید برای همه شناخته شده باشد. ما در مورد واقعه ای صحبت می کنیم که در 16 تیر 1969 اتفاق افتاد. در این روز، به عنوان بخشی از ماموریت آپولو 11، پرتابگر SA-506 فضاپیمای آپولو را از جو زمین خارج کرد. و 4 روز بعد فضانوردان آمریکایی باز آلدرین و نیل آرمسترانگ برای اولین بار در تاریخ بشر قدم به سطح ماه گذاشتند. این ماموریت با کمک AGC (رایانه هدایت آپولو) که در سال 1966 توسعه یافته بود، با موفقیت انجام شد. طراحی از نظر فناوری کامپیوتری کاملاً جالب بود، اما با نگاهی به مشخصات فنی این دستگاه فقط می توان تعجب کرد که این ماموریت اصلاً موفق بوده است. فقط فکر کنید، تراشه روی برد تنها با فرکانس ساعت 2,048 مگاهرتز کار می کرد و رم تنها 2048 کلمه داشت. بله دقیقا همین کلمات یعنی اکنون به سادگی باورنکردنی به نظر می رسد، اما در آن زمان یکی از مدرن ترین رایانه ها بود.

شایان ذکر است که یک رایانه خانگی عملکرد مشابهی را ارائه می دهد Apple II، چند سال بعد منتشر شد. به عبارت دیگر، در آن زمان فضاپیما دارای تجهیزات فنی بود که جلوتر از زمان خود بود.

با این حال، این وضعیت تا جایی ادامه یافت، به سرعت مشخص شد که دستگاه کارآمدتر لزوما بهترین راه حل نیست و گاهی اوقات می تواند خطرناک تر باشد. نقطه عطف در تاریخ الکترونیک فضایی، تعیین مقادیر دقیق تابش کیهانی و تأثیر آن بر فناوری بود. اما تشعشع چگونه بر خود پردازنده تأثیر می گذارد؟

زمانی که فضاپیمای جمینی، مجهز به یک کامپیوتر ساده روی برد، به فضا پرتاب شد، فناوری‌های مورد استفاده برای ایجاد آن، از امروز، بسیار ابتدایی بودند. با این حال، در فضا معلوم شد که یک مزیت بزرگ است.

امروزه هنگام ایجاد پردازنده های جدید، از فرآیندهای تکنولوژیک مدرن تری استفاده می شود، اکنون به راحتی می توانیم پردازنده های میکروسکوپی ساخته شده توسط لیتوگرافی 7 نانومتری را خریداری کنیم. هر چه تراشه کوچکتر باشد، ولتاژ کمتری برای روشن و خاموش کردن آن مورد نیاز است. در فضا، این می تواند مشکلات جدی ایجاد کند. واقعیت این است که تحت تأثیر ذرات تشعشع، امکان سوئیچینگ بدون برنامه ریزی حالتی که ترانزیستور در آن قرار خواهد گرفت وجود دارد. این به نوبه خود می تواند باعث شود که دومی در غیر منتظره ترین لحظه کار را متوقف کند یا محاسبات انجام شده با استفاده از چنین پردازنده ای نادرست باشد. و در فضا، این غیرقابل قبول است و می تواند منجر به عواقب غم انگیزی شود.

به عنوان مثال، یک مثال جالب، پردازنده Intel 386SX (نسخه بریده شده از Intel 80386) است که به اصطلاح کابین شیشه ای را کنترل می کرد. سرعت کلاک آن در حدود 20 مگاهرتز بود، به این معنی که می توانست وظایف را با سرعت 20 سیکل در ثانیه انجام دهد. این تراشه قبلاً در زمان شروع به کار در ساخت فضا، از سرعت بالایی برخوردار نبود، اما مهمتر از آن، به لطف فرکانس پایین ساعت، پردازنده ایمن بود.

وقتی در معرض تشعشع قرار می گیرد، ذرات آن می توانند به داده های ذخیره شده در حافظه کش پردازنده آسیب بزنند. این در یک پنجره بسیار کوتاه امکان پذیر است - زمان کم آن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد، به این معنی که مدارهای سریعتر بیشتر در معرض تابش هستند. به زبان ساده، تشعشعات در نهایت می تواند بر روی ذخیره سازی داده ها تأثیر بگذارد و به خود پردازنده آسیب برساند. این در شرایط عملیاتی یک ایستگاه فضایی، وسیله پرتاب یا کاوشگر غیرقابل قبول است. هیچ کس یک پروژه میلیون دلاری را به خطر نمی اندازد.

همچنین بخوانید: چه چیزی می تواند ما را از استعمار مریخ باز دارد؟

تشعشعات مخرب

زمانی تأثیر تشعشع با تغییراتی در خود فرآیند تولید جبران می شد، به عنوان مثال از موادی مانند آرسنید گالیم استفاده می شد. با این حال، هر اصلاح بسیار گران بود. علاوه بر این، سیستم های وسایل نقلیه فضایی در کارخانه های تخصصی در مقادیر کم ایجاد می شود. تنها استفاده از فناوری RHBD امکان استفاده از فرآیند استاندارد CMOS را در تولید ریز مدارهای مقاوم در برابر تشعشع ممکن کرد. همچنین از تکنیک‌هایی مانند افزونگی سه‌گانه استفاده شد که اجازه می‌دهد سه نسخه یکسان از یک بیت در همه زمان‌ها ذخیره شود. در صورت نیاز، بهترین مورد انتخاب می شود.

اثرات مخرب تشعشعات بر روی سیستم های فضاپیما زمانی باعث شکست ماموریت فوبوس-گرنت روسیه شد. تراشه WS512K32V20G24M که برای هواپیماهای نظامی طراحی شده بود، توسط یون های سنگین پرتوهای کیهانی آسیب دید. جریان بیش از حد به رایانه آسیب رساند و به حالت ایمن رفت. به دلیل مشکلات ارتباطی، راه اندازی مجدد امکان پذیر نبود که منجر به ورود کاوشگر به جو و احتراق آن شد.

بنابراین، برای پروژه هایی با عمر طولانی، از بلوک های واقعا بادوام استفاده می شود. به عنوان مثال، تلسکوپ هابل در ابتدا به یک واحد 8 بیتی Rockwell Autonetics DF-224 با فرکانس ساعت 1,25 مگاهرتز مجهز بود. به زودی مشخص شد که این یک ایده بد بود و ناسا مجبور شد فرآیند جایگزینی تراشه را با یک اینتل انجام دهد. در سال 1993، تلسکوپ برای پشتیبانی از اینتل 386 اقتباس شد و در طول ماموریت سرویس 3A در سال 1999، جفت تراشه‌های DF-224 و 386 اینتل با یک تراشه 486 اینتل جایگزین شدند.

ما قبلاً در اینجا مثال ایستگاه فضایی را آورده ایم. به نظر می رسد که چنین ساختار بزرگ و پیچیده ای باید دارای سیستم بسیار کارآمدی باشد. به هر حال، این چنین نیست. مشخص است که رایانه اصلی در ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) بر روی بلوک اینتل 386 که قبلاً ذکر شد کار می کند. اساساً از دو مجموعه از سه رایانه استفاده می شود - یکی روسی و دیگری آمریکایی. بیایید نگاهی هم به فضاپیمای جدیدتر نیوهورایزنز بیندازیم که در سال 2015 در کنار پلوتو پرواز کرد و کمربند کویپر را هدف قرار داد. تراشه مقاوم در برابر تشعشعات Mongoose-V با فرکانس کلاک 15 مگاهرتز با قابلیت انجام وظایف با سرعت 40 سیکل در ثانیه، اکثر عملکردها را در این دستگاه بر عهده داشت. عملکرد آن نزدیک به عملکرد پردازنده ای است که کنسول روی آن اجرا می شود PlayStation.

وقتی حتی به فضاپیماهای بسیار مدرن نگاه می کنیم، می بینیم که طراحان از راه حل هایی استفاده می کنند که اغلب چندین دهه قدمت دارند. اخیراً همه دنیا فرود مریخ نورد کنجکاوی را بر روی مریخ تماشا کردند. تعداد کمی حدس می زنند که در داخل یک پردازنده BAE RAD750 با کلاک تنها 200 مگاهرتز، نسخه بهبودیافته تراشه IBM PowerPC 750 وجود دارد. اگر تا به حال کامپیوتر داشته اید. Apple، ممکن است این پردازنده را از سری iMac بشناسید. علاوه بر این، از ریزپردازنده کمتر کارآمد کنسول Nintendo Wii نیز استفاده کرد. در ارتباط با الزامات عملکرد در شرایط افزایش تشعشع، فرکانس ساعت آن بیش از سه برابر کاهش یافته است.

قبلاً اشاره کردیم که مریخ نورد Perseverance نیز بر روی پردازنده ای کار می کند که بیش از 20 سال پیش عرضه شد. به عبارت دیگر، هیچ چیز تغییر نکرده است و فضاپیماهای میلیون‌ها دلاری از ریزپردازنده‌هایی استفاده می‌کنند که در قرن گذشته منتشر شدند. مهم نیست چقدر به نظر می رسد، اما حقیقت دارد.

همچنین بخوانید: فضایی در رایانه شما. 5 بهترین اپلیکیشن نجوم

نرم افزار و کامپیوترهایی که Crew Dragon، Falcon و Starlink را اجرا می کنند

ما تصمیم گرفتیم با استفاده از مثال Crew Dragon، Falcon و Starlink معروف، جزئیات بیشتری را به عنوان نرم افزار مورد استفاده قرار دهیم.

هنگامی که نام فضاپیمای Crew Dragon را می شنویم، بسیاری از مردم به یاد سه صفحه نمایش لمسی و رابط کنترل آبی رنگی می افتند که در طول پخش ها دیدیم. هنوز بحث های زیادی در مورد امکان کنترل فضاپیما با استفاده از صفحه نمایش لمسی به جای دکمه ها، سوئیچ ها و جوی استیک وجود دارد. SpaceX این گزینه را انتخاب کردند زیرا هدف آنها طراحی کشتی به گونه ای بود که نیازی به کنترل نداشته باشد و در عین حال خدمه همیشه به حداکثر اطلاعات ممکن دسترسی داشته باشند. این کشتی کاملاً خودمختار است و تنها چیزی که فضانوردان باید کنترل کنند محدود به سیستم های داخلی کابین مانند صدای سیستم صوتی است. کنترل پرواز کشتی و مهم‌ترین سیستم‌های آن توسط فضانوردان فقط در مواقع اضطراری باید انجام شود و اسپیس‌ایکس با کمک خود فضانوردان تلاش کرد تا بهترین رابط گرافیکی را برای این وظایف ایجاد کند.

با این حال، لازم به ذکر است که عملکردهای کلیدی کشتی را می توان با استفاده از دکمه های واقع در زیر نمایشگر کنترل کرد. خدمه توانایی راه اندازی سیستم اطفای حریق، باز کردن چتر نجات ها در هنگام ورود مجدد به جو، قطع پرواز به ایستگاه فضایی بین المللی، شروع فرود اضطراری از مدار، تنظیم مجدد کامپیوترهای داخل هواپیما و انجام سایر وظایف اضطراری را دارند. یک اهرم در زیر نمایشگر میانی به فضانوردان اجازه می دهد تا سیستم تخلیه را راه اندازی کنند. آنها همچنین دارای دکمه هایی هستند که دستورات وارد شده با استفاده از نمایشگرها را شروع و لغو می کنند. به این ترتیب، اگر فضانورد دستوری را بر روی صفحه نمایش اجرا کند و با شکست مواجه شود، همچنان می‌تواند با فشار دادن یک دکمه زیر نمایشگر، دستور را لغو کند. وضوح و کنترل پذیری نمایشگرها نیز تحت شرایط ارتعاش مورد آزمایش قرار گرفت و تیم های آزمایشی و فضانوردان آزمایش های متعددی را در دستکش ها و لباس های فضایی مهر و موم شده انجام دادند.

احتمالاً مهمترین نیاز برای سیستم کنترل موشک و کشتی، البته قابلیت اطمینان است. در مورد موشک های اسپیس ایکس، این امر قبل از هر چیز به دلیل افزونگی سیستم، یعنی به دلیل استفاده از چندین جزء یکسان که با هم کار می کنند و می توانند همدیگر را کپی و مکمل کنند، تضمین می شود. به طور خاص، فالکون 9 در مجموع دارای سه کامپیوتر داخلی جداگانه است. هر یک از این رایانه‌ها داده‌ها را از حسگرها و سیستم‌های موشک می‌خواند، محاسبات لازم را انجام می‌دهد، در مورد اقدامات بعدی تصمیم می‌گیرد و دستوراتی برای تصمیم‌گیری ایجاد می‌کند. هر سه کامپیوتر به هم متصل هستند و نتایج به دست آمده با هم مقایسه و تجزیه و تحلیل می شوند.

رایانه ها بر اساس پردازنده های PowerPC دو هسته ای هستند. باز هم، هر دو هسته محاسبات یکسانی را انجام می دهند، آنها را با یکدیگر مقایسه می کنند و سازگاری را بررسی می کنند. بنابراین، در حالی که افزونگی سخت افزاری سه برابر است، افزونگی نرم افزاری محاسباتی شش برابر است. در همان زمان، می توانید یک کامپیوتر معیوب را به حالت کار بازگردانید، به عنوان مثال، با راه اندازی مجدد. اگر رایانه اصلی از کار بیفتد، یکی از رایانه‌های باقی‌مانده کنترل می‌شود.

در صورت بروز مشکل در رایانه یا سایر سیستم ها، سرنوشت ماموریت به تصمیم سیستم ایمنی پرواز خودکار (AFSS) بستگی دارد. این یک سیستم کامپیوتری کاملاً مستقل است که روی مجموعه‌ای از چندین میکروکنترلر (رایانه‌های کوچک) کار می‌کند، همان داده‌ها را از حسگرها، نتایج محاسبات و دستورات را از رایانه‌های داخل هواپیما دریافت می‌کند و مسیر ایمن پرواز را کنترل می‌کند.

برای اطمینان از اینکه همه رایانه‌ها همیشه مطمئن‌ترین داده‌های ممکن را دارند، بیشتر حسگرها مانند رایانه‌هایی که این داده‌ها را می‌خوانند و سپس آن‌ها را به رایانه‌های داخلی ارسال می‌کنند، اضافی هستند. به همین ترتیب، رایانه‌هایی که زیرسیستم‌های منفرد موشک (موتورها، سکان‌ها، نازل‌های مانور و غیره) را کنترل می‌کنند، با دستورات رایانه روی برد کپی می‌شوند. بنابراین، فالکون 9 توسط یک درخت کامل متشکل از حداقل 30 کامپیوتر کنترل می شود. در بالای درخت رایانه‌های داخلی قرار دارند که شبکه‌ای از رایانه‌های تابعه را مدیریت می‌کنند. هر کدام کانال ارتباطی خاص خود را با هر رایانه داخلی جداگانه دارند. بنابراین همه تیم ها سه بار به سراغ او می آیند.

اما همانطور که می بینید، همه رایانه های داخلی بر اساس ریزتراشه های ساده هستند، نه ریز مدارهای پیچیده ابر رایانه های مدرن.

همچنین بخوانید: کیهان: غیرمعمول ترین اجرام فضایی

آینده تراشه های فضایی

استفاده از پردازنده های نسبتا قدیمی به این معنی نیست که پردازنده های جدید ساخته نمی شوند. فقط فرآیند ایجاد آنها بسیار دشوار است و زمان زیادی می برد. همچنین باید درک کرد که هر سازه ای که در فضا مورد استفاده قرار می گیرد باید الزامات کلاس MIL-STD-883 را برآورده کند. این به معنای گذراندن بیش از 100 آزمایش توسعه یافته توسط وزارت دفاع ایالات متحده، از جمله تست های حرارتی، مکانیکی، الکتریکی و سایر تراشه ها است. اکثر پردازنده هایی که این تست را پشت سر گذاشتند فقط از قسمت مرکزی ویفر سیلیکونی ساخته شده اند. این به این دلیل است که در اینجا است که نقص لبه کمترین احتمال رخ می دهد.

فهرست پروژه‌های فضاپیماهای آینده شامل سری سیستم‌های HPSC توسعه‌یافته توسط ناسا است. همانطور که انتظار می رفت، پردازنده ها باید در سال های 2023 و 2024 آماده شوند. عملکرد آنها باید بیش از 100 برابر بیشتر از سریع ترین سیستم هایی باشد که در حال حاضر در فضاپیماها استفاده می شود. آمریکایی ها بر توسعه تراشه هایی متمرکز شده اند که می تواند به فتح ماه و مریخ کمک کند. اما تا کنون اینها فقط پروژه ها هستند.

آژانس فضایی اروپا که برای مدت طولانی در حال توسعه تراشه‌های مبتنی بر معماری منبع باز SPARK بوده است، رویکرد کمی متفاوت را در پیش گرفته است. آخرین محصول از این دست مدل GR740 از خانواده LEON4FT است. این پردازنده چهار هسته ای 250 مگاهرتزی مجهز به آداپتور شبکه گیگابیتی و 2 مگابایت حافظه نهان L1000 باید بستر مناسبی برای فضاپیماها و ماهواره های بدون سرنشین باشد. بر اساس محاسبات دانشمندان، طراحی و ویژگی های پردازنده باید عملکرد عادی آن را حتی پس از 300 سال تضمین کند. دانشمندان تضمین می کنند که تنها پس از 250 سال کارکرد تراشه، حداقل یک خطا ممکن است رخ دهد. این اعتماد به استحکام و دوام فضاپیما را القا می کند، زیرا پرواز به همان مریخ حدود 300-XNUMX روز طول می کشد و این فقط یک مسیر مناسب است. کاوشگرها گاهی سال ها در فضا سرگردان هستند.

به عنوان یک واقعیت جالب، لازم به ذکر است که در سال 2017، HPE و ناسا اولین کامپیوتر تجاری با کارایی بالا را روی موشک SpaceX Falcon 9 راه اندازی کردند. سرور HPE Apollo 40 دو سوکتی با پردازنده های Broadwell اینتل و سرعت 56 گیگابیت/سریع. رابط کاربری به ایستگاه فضایی بین المللی رسید. اگر دانشمندان باور کنند، عملکرد آن تنها 1 TFLOPS بود، اما هنوز برای شرایط فضایی بسیار زیاد بود.

این نشان می‌دهد که طراحی تراشه‌ها برای استفاده در خارج از سیاره ما چقدر دشوار است، و چقدر کار باید انجام شود تا حداقل به پردازنده‌های اصلی رایانه‌های خانگی برسد.

اما دانشمندان تلاش زیادی برای توسعه قوی‌ترین ریزتراشه‌هایی انجام می‌دهند که نه تنها از عملکرد فضاپیماها پشتیبانی می‌کنند، بلکه به طور قابل اعتمادی از تشعشعات و تشعشعات فضایی محافظت می‌شوند. شاید کامپیوترهای کوانتومی شرایط را تغییر دهند، اما این داستان دیگری است.

همچنین بخوانید:

• آیا ماده تاریک می تواند از سیاهچاله های اولیه تشکیل شده باشد؟ اخترفیزیکدانان چه فکر می کنند؟
• مریخ در تماس است! درباره پیچیدگی های ارتباطات فضایی
• درباره کامپیوترهای کوانتومی به زبان ساده