Meglepő, de a modern űrhajók elavult processzorokkal vannak felszerelve, amelyeket még a 20. században fejlesztettek ki. Ebben a cikkben elmondjuk, mi az oka ennek az állapotnak.
Az űrhajók a technika igazi csodái, mindenféle elektronikával felszerelve. Ebbe természetesen a processzorok is beletartoznak, amelyeknek köszönhetően a berendezés igen összetett számításokat is el tud végezni. A NASA és más űrügynökségek fejlesztése során használt chipek azonban gyakran olyan elavult eszközöknek tűnhetnek, amelyek gyártása már régóta kiesett.
Ha a processzorról beszélünk, valószínűleg azonnal az asztali számítógépeink blokkjai jutnak eszünkbe. Sok chip befolyásolta a technológiai ipart. Jelenleg hatalmas számítási teljesítménnyel rendelkező, nagy teljesítményű szuperszámítógépeket fejlesztettek ki. Logikus lenne hasonló berendezések alkalmazása egy olyan összetett technológiai területen, mint az űrkutatás. A Holdra való leszállás vagy egy űrszonda kilövése és manőverezése bolygónktól több millió kilométeres távolságban minden bizonnyal nagy számítási teljesítményt igényel. Kiderült, hogy ez nem egészen így van, és valószínűleg sokan meg fognak lepődni azon, milyen kevés kell mondjuk egy űrállomás irányításához. Az új Perseverance rover egyébként, amely nemrég sikeresen landolt a Red Planeten, a RAD750 processzorra épül, amely a PowerPC 750 - a több mint 3 éve megjelent iMac G20 számítógépek szíve - speciális változata. . A jelenleg szintén a Marson is működő Ingenuity helikopter pedig Snapdragon 801-es processzorral van felszerelve, ezek a legbonyolultabb számítási műveleteket végző űrhajók ilyen "hétköznapi" vagy éppen elavult mikroprocesszorokon dolgoznak. De ez az állapot valószínűleg még a jövőben sem fog változni. Nézzük meg, hogy a NASA és más űrügynökségek tudósai miért kénytelenek ilyen gyenge SoC-okat használni.
Olvassa el még: Terraformáló Mars: A Vörös Bolygó új Földdé változhat?
Az űrprocesszorok meglepően lassúak
Kezdjük egy példával, amelyet mindenkinek jól ismernie kell. Az 16. július 1969-án történt eseményről beszélünk. Ezen a napon az Apollo 11 küldetés részeként az SA-506 hordozórakéta emelte ki az Apollo űrrepülőgépet a Föld légköréből. Négy nappal később pedig Buzz Aldrin és Neil Armstrong amerikai űrhajósok az emberiség történetében először tették meg lábukat a Hold felszínén. A küldetést az 4-ban kifejlesztett AGC (Apollo Guidance Computer) segítségével sikeresen végrehajtották. Számítástechnikai szempontból elég érdekes volt a dizájn, de ennek a készüléknek a műszaki jellemzőit elnézve csak meglepődhetünk azon, hogy a küldetés egyáltalán sikerült. Gondoljunk csak bele, a fedélzeten lévő chip mindössze 1966 MHz-es órajellel működött, a RAM-ja pedig mindössze 2,048 szavas. Igen, pontosan a szavakat. Vagyis most egyszerűen hihetetlennek tűnik, de akkoriban ez volt az egyik legmodernebb számítógép.
Érdemes megjegyezni, hogy egy otthoni számítógép hasonló teljesítményt nyújtott Apple Néhány évvel később megjelent II. Más szóval, abban az időben az űrszondának olyan technikai felszereltsége volt, amely megelőzte korát.
Ez az állapot azonban egy bizonyos pontig kitartott, hamar kiderült, hogy a hatékonyabb készülék nem feltétlenül a legjobb megoldás, sőt néha veszélyesebb is lehet. Az űrelektronika történetének fordulópontja a kozmikus sugárzás pontos értékeinek és a technológiára gyakorolt hatásának meghatározása volt. De hogyan hat a sugárzás magára a processzorra?
Amikor az egyszerű fedélzeti számítógéppel felszerelt Gemini űrszondát felbocsátották az űrbe, a megalkotásához használt technológiák a mai napig rendkívül primitívek voltak. Az űrben azonban nagy előnynek bizonyult.
Napjainkban az új processzorok készítésénél korszerűbb technológiai eljárásokat alkalmaznak, ma már könnyedén vásárolhatunk, gyakorlatilag 7nm-es litográfiával készült mikroszkopikus processzorokat. Minél kisebb a chip, annál kisebb feszültségre van szükség a be- és kikapcsolásához. Az űrben ez komoly problémákat okozhat. A helyzet az, hogy a sugárzási részecskék hatására lehetőség van a tranzisztor állapotának nem tervezett átkapcsolására. Ez viszont azt okozhatja, hogy az utóbbi a legváratlanabb pillanatban leáll, vagy pontatlanok lesznek az ilyen processzorral végzett számítások. Az űrben pedig ez elfogadhatatlan, és tragikus következményekhez vezethet.
Érdekes példa például az Intel 386SX processzor (az Intel 80386 levágott változata), amely az úgynevezett üvegkabint vezérelte. 20 MHz körüli órajelen futott, vagyis 20 000 ciklus/másodperc sebességgel tudott feladatokat végrehajtani. A lapka már az űrépítésben való debütálásakor sem volt kifejezetten nagy sebességgel, de ami ennél is fontosabb, az alacsony órajelnek köszönhetően a processzor biztonságban volt.
Sugárzásnak kitett részecskéi károsíthatják a processzor cache memóriájában tárolt adatokat. Ez nagyon rövid idő alatt lehetséges – az alacsony időzítés jelentősen csökkenti, ami azt jelenti, hogy a gyorsabb áramkörök jobban ki vannak téve a sugárzásnak. Egyszerűen fogalmazva, a sugárzás végül befolyásolhatja az adattárolást, és károsíthatja magát a processzort. Ez elfogadhatatlan egy űrállomás, hordozórakéta vagy szonda működési körülményei között. Senki nem kockáztat egy millió dolláros projektet.
Olvassa el még: Mi akadályozhat meg bennünket abban, hogy kolonizáljuk a Marsot?
Pusztító sugárzás
Egy időben a sugárzás hatását a gyártási folyamat változásai kompenzálták, például olyan anyagokat használtak, mint a gallium-arzenid. Azonban mindegyik módosítás nagyon drága volt. Ezenkívül kis mennyiségben speciális gyárakban hoznak létre rendszereket űrjárművek számára. Csak az RHBD technológia alkalmazása tette lehetővé a szabványos CMOS-eljárás alkalmazását a sugárzásálló mikroáramkörök gyártásában. Olyan technikákat is alkalmaztak, mint például a hármas redundancia, amely lehetővé teszi, hogy ugyanazon bit három azonos másolatát mindig tárolják. Amikor szükség van rájuk, a legjobbat választják.
A sugárzás űrhajórendszerekre gyakorolt pusztító hatása egykor az orosz Phobos-Grunt küldetés kudarcát okozta. A katonai repülőgépekhez tervezett WS512K32V20G24M chipet a kozmikus sugarak nehéz ionjai károsították meg. A túlfeszültség károsította a számítógépet, és csökkentett módba vált. Kommunikációs problémák miatt az újraindítás nem volt lehetséges, ami a szonda légkörbe kerüléséhez és égéséhez vezetett.
Ezért a hosszú élettartamú projektekhez igazán tartós blokkokat használnak. Például a Hubble teleszkóp eredetileg egy 8 bites Rockwell Autonetics DF-224 egységgel volt felszerelve, 1,25 MHz órajellel. Hamar kiderült, hogy ez rossz ötlet, és a NASA-nak végig kellett mennie azon a folyamaton, hogy a chipet Intelre cseréljék. 1993-ban a teleszkópot az Intel 386 támogatására adaptálták, és az 3-es 1999A szervizküldetés során a DF-224 és az Intel 386 chippárt Intel 486 chipre cserélték.
Az űrállomás példáját itt már felhoztuk. Úgy tűnik, hogy egy ilyen nagy és összetett szerkezetnek nagyon hatékony rendszerrel kell rendelkeznie. Ez azonban nem így van. Ismeretes, hogy a Nemzetközi Űrállomás (ISS) fő számítógépe a már említett Intel 386-os blokkon fut, alapvetően két három számítógépből álló készletet használnak - egy orosz és egy amerikai. Vessünk egy pillantást a sokkal újabb New Horizons űrrepülőgépre is, amely 2015-ben repült el a Plútó mellett, és a Kuiper-övet célozta meg. Ebben az eszközben a legtöbb funkcióért a sugárzásálló Mongoose-V chip volt, amelynek órajele 15 MHz, és amely 40 000 ciklus/másodperc sebességgel képes feladatokat ellátni. Teljesítménye közel áll annak a processzornak a teljesítményéhez, amelyen a konzol fut PlayStation.
Ha még a nagyon modern űrhajókat is megnézzük, azt látjuk, hogy a tervezők gyakran több évtizedes megoldásokat használnak. A közelmúltban az egész világ figyelte a Curosity rover leszállását a Marson. Kevesen gondolták volna, hogy a belsejében egy mindössze 750 MHz-es órajelű BAE RAD200 processzor található, az IBM PowerPC 750 chip továbbfejlesztett változata. Ha volt valaha számítógépe Apple, ezt a processzort az iMac sorozatból ismerheti. Ezenkívül a Nintendo Wii konzol kevésbé hatékony mikroprocesszorát is használta. A fokozott sugárzás melletti működés követelményeihez kapcsolódóan az órajel frekvenciája több mint háromszorosára csökkent.
Már említettük, hogy a Perseverance rover is több mint 20 éve megjelent processzorral fut. Vagyis semmi sem változott, és a több millió dollárba kerülő űrhajók a múlt században megjelent mikroprocesszorokat használnak. Nem számít, hogy hangzik, de igaz.
Olvassa el még: Hely a számítógépen. 5 legjobb csillagászati alkalmazás
A Crew Dragon, Falcon és Starlink szoftvereket futtató szoftverek és számítógépek
Úgy döntöttünk, hogy részletesebben megtudjuk, mit használnak szoftverként, a híres Crew Dragon, Falcon és Starlink példáján keresztül.
A Crew Dragon űrszonda nevének hallatán sokaknak a három érintőképernyő és a kék vezérlőfelület jut eszébe, amit az adások során láthattunk. Még mindig sok vita folyik arról, hogy az űrhajót gombok, kapcsolók és joystickok helyett érintőképernyőkkel lehet-e irányítani. SpaceX azért választották ezt a lehetőséget, mert céljuk az volt, hogy a hajót úgy tervezzék meg, hogy az ne igényeljen semmilyen irányítást, és egyben a legénység mindig a lehető legtöbb információhoz jusson hozzá. A hajó teljesen autonóm, és az űrhajósoknak csak a belső kabinrendszerekre kell irányítaniuk, például az audiorendszer hangerejét. A hajó és legfontosabb rendszerei repülésének űrhajósok általi irányítását csak vészhelyzetben szabad elvégezni, a SpaceX pedig maguk az űrhajósok segítségével próbálta kifejleszteni a legjobb grafikus felületet ezekhez a feladatokhoz.
Azonban meg kell jegyezni, hogy a hajó legfontosabb funkciói a kijelző alatt található gombokkal vezérelhetők. A legénység képes elindítani a tűzoltó rendszert, kinyitni az ejtőernyőket a légkörbe való visszatéréskor, megszakítani a repülést az ISS-re, vészleszállást indítani a pályáról, alaphelyzetbe állítani a fedélzeti számítógépeket és egyéb vészhelyzeti feladatokat végrehajtani. A középső kijelző alatt található kar segítségével az űrhajósok elindíthatják az evakuációs rendszert. Olyan gombokkal is rendelkeznek, amelyek elindítják és visszavonják a kijelzők használatával bevitt parancsokat. Így, ha az űrhajós végrehajt egy parancsot a kijelzőn, és az meghiúsul, továbbra is képes törölni a parancsot a kijelző alatti gomb megnyomásával. A kijelzők tisztaságát és irányíthatóságát vibrációs körülmények között is tesztelték, a tesztcsoportok és az űrhajósok pedig számos tesztet végeztek kesztyűben és lezárt szkafanderben.
Valószínűleg a rakéta- és hajóvezérlő rendszerrel szemben támasztott legfontosabb követelmény természetesen a megbízhatóság. A SpaceX rakéták esetében ez elsősorban a rendszerredundancia miatt biztosított, vagyis több azonos, együtt működő, egymást megduplázni, kiegészíteni képes komponens alkalmazása miatt. A Falcon 9 összesen három különálló fedélzeti számítógéppel rendelkezik. Ezen számítógépek mindegyike kiolvassa a rakéta érzékelőiből és rendszereiből származó adatokat, elvégzi a szükséges számításokat, döntéseket hoz a további műveletekről, és parancsokat generál e döntések meghozatalához. Mindhárom számítógép össze van kötve, a kapott eredményeket összehasonlítják és elemzik.
A számítógépek kétmagos PowerPC processzorokon alapulnak. Ismét mindkét mag ugyanazokat a számításokat hajtja végre, összehasonlítja őket egymással, és ellenőrizze a konzisztenciát. Így míg a hardveres redundancia háromszoros, a szoftveres-számítási redundancia hatszoros. Ugyanakkor a hibás számítógépet visszaállíthatja működőképes állapotba, például újraindítással. Ha a fő számítógép meghibásodik, a többi számítógép átveszi az irányítást.
Számítógépekkel vagy más rendszerekkel kapcsolatos problémák esetén a küldetés sorsa az Autonomous Flight Safety System (AFSS) döntésétől függ. Ez egy teljesen független fedélzeti számítógépes rendszer, amely több mikrokontrollerből (kisszámítógépből) álló készleten működik, ugyanazokat az adatokat kapja az érzékelőktől, számítási eredményeket és parancsokat a fedélzeti számítógépektől, és szabályozza a repülés biztonságos menetét.
Annak érdekében, hogy minden számítógép mindig a lehető legmegbízhatóbb adatokkal rendelkezzen, a legtöbb érzékelő redundáns, csakúgy, mint azok a számítógépek, amelyek kiolvassák ezeket az adatokat, majd elküldik a fedélzeti számítógépeknek. Ugyanígy az egyes rakéta-alrendszereket (hajtóművek, kormánykormányok, manőverező fúvókák stb.) vezérlő számítógépek is megkettőződnek a fedélzeti számítógép parancsaival. Így a Falcon 9-et egy teljes fa vezérli, amely legalább 30 számítógépből áll. A fa tetején a fedélzeti számítógépek találhatók, amelyek alárendelt számítógépek hálózatát kezelik. Mindegyik saját kommunikációs csatornával rendelkezik minden fedélzeti számítógéppel külön-külön. Így az összes csapat háromszor jön el hozzá.
De amint láthatja, minden fedélzeti számítógép egyszerű mikrochipeken alapul, nem pedig a modern szuperszámítógépek kifinomult mikroáramkörein.
Olvassa el még: Univerzum: A legszokatlanabb űrobjektumok
Az űrchipek jövője
A viszonylag régi processzorok használata nem jelenti azt, hogy nem jönnek létre újak. Csak a létrehozásuk folyamata nagyon nehéz és sok időt vesz igénybe. Azt is meg kell érteni, hogy minden űrben használt szerkezetnek meg kell felelnie a MIL-STD-883 osztály követelményeinek. Ez azt jelenti, hogy több mint 100, az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma által kifejlesztett teszten kell megfelelni, beleértve a termikus, mechanikai, elektromos és egyéb chip teszteket. A teszten átesett processzorok többsége csak a szilícium lapka központi részéből készült. Ez azért van, mert itt a legkevésbé valószínű az élhibák előfordulása.
A jövőbeli űrhajók projektjeinek listáján szerepel többek között a NASA által kifejlesztett HPSC rendszersorozat. A processzoroknak a várakozásoknak megfelelően 2023 és 2024 fordulójára kell elkészülniük. Teljesítményüknek több mint 100-szor nagyobbnak kell lennie, mint az űrhajókban jelenleg használt leggyorsabb rendszereké. Az amerikaiak olyan chipek fejlesztésére összpontosítanak, amelyek segíthetnek a Hold és a Mars meghódításában. De ezek egyelőre csak projektek.
Az Európai Űrügynökség, amely hosszú ideje fejleszti a nyílt forráskódú SPARK architektúrára épülő chipeket, kissé más megközelítést alkalmaz. A legújabb ilyen termék a LEON740FT család GR4 modellje. Ez a négymagos, 250 MHz-es, gigabites hálózati adapterrel és 2 MB L1000 gyorsítótárral felszerelt processzor megfelelő platform lehet pilóta nélküli űrhajók és műholdak számára. A tudósok számításai szerint a processzor kialakításának és jellemzőinek 300 év után is garantálniuk kell normális működését. A tudósok garantálják, hogy csak a chip 250 éves működése után fordulhat elő legalább egy hiba. Ez bizalmat ébreszt az űrhajók erejében és tartósságában, mivel a repülés ugyanarra a Marsra körülbelül 300-XNUMX napig tart, és ez csak egy kényelmes pálya. A szondák néha évekig vándorolnak az űrben.
Érdekességként érdemes megemlíteni, hogy a SpaceX Falcon 2017 rakéta fedélzetén 9-ben a HPE és a NASA elindította az első kereskedelmi forgalomban kapható nagy teljesítményű számítógépet Kétfoglalatos HPE Apollo 40 szerver Intel Broadwell processzorokkal és gyors 56 Gbit/ s interfésze megérkezett a Nemzetközi Űrállomásra. Ha hinni lehet a tudósoknak, teljesítménye mindössze 1 TFLOPS volt, de az űrviszonyokhoz még így is sok volt.
Megmutatja, milyen nehéz chipeket tervezni bolygónkon kívüli használatra, és mennyi munkát kell végezni ahhoz, hogy legalább a mainstream otthoni PC-processzorokhoz utolérjük.
A tudósok azonban nagy erőfeszítéseket tesznek a legerősebb mikrochipek kifejlesztésére, amelyek nemcsak az űrhajók működését támogatják, hanem megbízhatóan védik az űrsugárzástól és sugárzástól is. Talán a kvantumszámítógépek megváltoztatják a helyzetet, de ez egy másik történet.
Olvassa el még:
Optoelektronika/kvantumszámítógépek?
A 20 MHz 20000000 20000 20 művelet másodpercenként, a XNUMX XNUMX pedig XNUMX KHz.
"Ez a négymagos processzor órajele 250 MHz, gigabites chippel és 2 MB LXNUMX gyorsítótárral."
Milyen chip?
Ez az én figyelmetlenségem. Köszönöm, hogy észrevetted. Egy gigabites hálózati adapterről volt szó. Megjavította.
"Valószínűleg sokan meg fognak lepődni azon, hogy milyen kevés kell például egy űrállomás vezérléséhez" - Meglepő, hogy a modern számítógépek mennyi erőforrást fogyasztanak a legegyszerűbb feladatok elvégzésére. Például egy oldal megnyitásához az interneten erősebb processzorra és több memóriára van szükség, mint egy űrállomás vezérléséhez.