Mengapa pesawat ruang angkasa dilengkapi dengan prosesor abad ke-20

Ini mengejutkan, tetapi pesawat ruang angkasa modern dilengkapi dengan prosesor usang yang dikembangkan pada abad ke-20. Pada artikel ini, kami akan memberi tahu Anda apa alasan keadaan ini.

Pesawat ruang angkasa adalah keajaiban teknologi yang nyata, dilengkapi dengan semua jenis elektronik. Tentu saja, ini juga termasuk prosesor, berkat peralatan yang dapat melakukan perhitungan yang sangat rumit. Namun, chip yang digunakan dalam pengembangan NASA dan badan antariksa lainnya seringkali terlihat seperti perangkat usang yang sudah lama tidak diproduksi.

Ketika kita berbicara tentang prosesor, blok komputer desktop kita mungkin langsung muncul di benak kita. Banyak chip telah mempengaruhi industri teknologi. Saat ini, superkomputer yang kuat dengan daya komputasi yang sangat besar telah dikembangkan. Adalah logis untuk menggunakan peralatan serupa dalam bidang teknologi yang kompleks seperti penelitian ruang angkasa. Mendarat di bulan atau meluncurkan dan melakukan manuver pesawat luar angkasa pada jarak jutaan kilometer dari planet kita tentu membutuhkan banyak daya komputasi. Ternyata bukan itu masalahnya, dan banyak dari Anda mungkin akan terkejut dengan betapa sedikit yang dibutuhkan untuk mengendalikan, katakanlah, sebuah stasiun luar angkasa. Omong-omong, penjelajah Perseverance baru, yang baru-baru ini berhasil mendarat di Planet Merah, didasarkan pada prosesor RAD750, yang merupakan versi khusus PowerPC 750 - jantung komputer iMac G3 yang keluar lebih dari 20 tahun yang lalu . Dan helikopter Ingenuity, yang saat ini juga beroperasi di Mars, dilengkapi dengan prosesor Snapdragon 801. Pesawat ruang angkasa ini, yang melakukan operasi komputasi paling kompleks, bekerja pada mikroprosesor "biasa" atau bahkan usang. Tapi keadaan ini tidak mungkin berubah bahkan di masa depan. Mari kita cari tahu mengapa para ilmuwan di NASA dan badan antariksa lainnya terpaksa menggunakan SoC yang begitu lemah.

Baca juga: Terraforming Mars: Bisakah Planet Merah berubah menjadi Bumi baru?

Prosesor luar angkasa sangat lambat

Mari kita mulai dengan sebuah contoh yang harus diketahui semua orang. Kita berbicara tentang peristiwa yang terjadi pada 16 Juli 1969. Pada hari ini, sebagai bagian dari misi Apollo 11, kendaraan peluncuran SA-506 membawa pesawat ruang angkasa Apollo keluar dari atmosfer bumi. Dan 4 hari kemudian, astronot Amerika Buzz Aldrin dan Neil Armstrong menginjakkan kaki di permukaan bulan untuk pertama kalinya dalam sejarah manusia. Misi tersebut berhasil dilaksanakan dengan bantuan AGC (Apollo Guidance Computer), yang dikembangkan pada tahun 1966. Desainnya cukup menarik dari sudut pandang teknologi komputer, namun melihat karakteristik teknis perangkat ini, orang hanya akan terkejut bahwa misi tersebut berhasil. Bayangkan saja, chip on board bekerja dengan frekuensi clock hanya 2,048 MHz dan memiliki RAM hanya 2048 kata. Ya, persis seperti kata-katanya. Artinya, sekarang tampak luar biasa, tetapi pada saat itu merupakan salah satu komputer paling modern.

Perlu dicatat bahwa komputer di rumah menawarkan kinerja serupa Apple II, dirilis beberapa tahun kemudian. Dengan kata lain, saat itu pesawat ruang angkasa memiliki peralatan teknis yang lebih maju dari zamannya.

Namun, keadaan ini berlangsung sampai titik tertentu, dengan cepat menjadi jelas bahwa perangkat yang lebih efisien belum tentu merupakan solusi terbaik, dan terkadang bisa lebih berbahaya. Titik balik dalam sejarah elektronik luar angkasa adalah penentuan nilai pasti dari radiasi kosmik dan dampaknya terhadap teknologi. Tapi bagaimana radiasi mempengaruhi prosesor itu sendiri?

Ketika pesawat ruang angkasa Gemini, yang dilengkapi dengan komputer on-board sederhana, diluncurkan ke luar angkasa, teknologi yang digunakan untuk membuatnya, hingga hari ini, sangat primitif. Namun, di luar angkasa ternyata menjadi keuntungan besar.

Saat ini, ketika membuat prosesor baru, proses teknologi yang lebih modern digunakan, sekarang kita dapat dengan mudah membeli, praktis, prosesor mikroskopis yang dibuat oleh litografi 7nm. Semakin kecil chip, semakin sedikit tegangan yang dibutuhkan untuk menghidupkan dan mematikannya. Di luar angkasa, ini dapat menyebabkan masalah serius. Faktanya adalah bahwa di bawah pengaruh partikel radiasi, ada kemungkinan peralihan keadaan transistor yang tidak direncanakan. Ini, pada gilirannya, dapat menyebabkan yang terakhir berhenti bekerja pada saat yang paling tidak terduga, atau perhitungan yang dilakukan menggunakan prosesor semacam itu tidak akan akurat. Dan di luar angkasa, ini tidak dapat diterima dan dapat menyebabkan konsekuensi yang tragis.

Contoh yang menarik adalah, misalnya, prosesor Intel 386SX (versi singkat dari Intel 80386), yang mengendalikan apa yang disebut kabin kaca. Itu berjalan pada kecepatan clock sekitar 20 MHz, yang berarti dapat melakukan tugas pada 20 siklus per detik. Sudah pada saat debutnya dalam konstruksi ruang, chip tidak memiliki kecepatan yang sangat tinggi, tetapi yang lebih penting, berkat frekuensi clock yang rendah, prosesornya aman.

Saat terkena radiasi, partikelnya dapat merusak data yang disimpan dalam memori cache prosesor. Ini dimungkinkan dalam waktu yang sangat singkat - waktu yang rendah menguranginya secara signifikan, yang berarti bahwa sirkuit yang lebih cepat lebih terpapar radiasi. Sederhananya, radiasi pada akhirnya dapat mempengaruhi penyimpanan data dan merusak prosesor itu sendiri. Ini tidak dapat diterima di bawah kondisi operasi stasiun luar angkasa, kendaraan peluncuran, atau penyelidikan. Tidak ada yang akan mengambil risiko proyek jutaan dolar.

Baca juga: Apa yang bisa mencegah kita menjajah Mars?

Radiasi destruktif

Pada suatu waktu, dampak radiasi dikompensasi oleh perubahan dalam proses produksi itu sendiri, misalnya, bahan seperti galium arsenida digunakan. Namun, setiap modifikasi sangat mahal. Selain itu, sistem untuk kendaraan luar angkasa dibuat di pabrik khusus dalam jumlah kecil. Hanya penggunaan teknologi RHBD yang memungkinkan untuk menggunakan proses CMOS standar dalam produksi sirkuit mikro tahan radiasi. Juga digunakan teknik seperti triple redundancy, yang memungkinkan tiga salinan identik dari bit yang sama disimpan setiap saat. Ketika mereka dibutuhkan, yang terbaik dipilih.

Efek destruktif radiasi pada sistem pesawat ruang angkasa pernah menyebabkan kegagalan misi Phobos-Grunt Rusia. Chip WS512K32V20G24M, yang dirancang untuk pesawat militer, rusak oleh ion berat dari sinar kosmik. Arus yang berlebihan merusak komputer dan masuk ke mode aman. Karena masalah komunikasi, restart tidak mungkin, yang menyebabkan masuknya probe ke atmosfer dan pembakarannya.

Oleh karena itu, untuk proyek dengan masa pakai yang lama, balok yang benar-benar tahan lama digunakan. Misalnya, teleskop Hubble awalnya dilengkapi dengan unit 8-bit Rockwell Autonetics DF-224 dengan frekuensi clock 1,25 MHz. Segera menjadi jelas bahwa ini adalah ide yang buruk, dan NASA harus melalui proses penggantian chip dengan chip Intel. Pada tahun 1993, teleskop diadaptasi untuk mendukung Intel 386, dan selama misi layanan 3A pada tahun 1999, pasangan chip DF-224 dan Intel 386 diganti dengan chip Intel 486.

Kami telah memberikan contoh stasiun luar angkasa di sini. Tampaknya struktur yang besar dan kompleks seperti itu seharusnya memiliki sistem yang sangat efisien. Namun, hal ini tidak terjadi. Diketahui bahwa komputer utama di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) berjalan pada blok Intel 386. Pada dasarnya, dua set yang terdiri dari tiga komputer digunakan - satu Rusia dan satu Amerika. Mari kita lihat juga pesawat luar angkasa New Horizons yang jauh lebih baru, yang terbang melewati Pluto pada tahun 2015 dan menargetkan Sabuk Kuiper. Chip Mongoose-V yang tahan radiasi dengan frekuensi clock 15 MHz, yang mampu melakukan tugas dengan kecepatan 40 siklus per detik, bertanggung jawab atas sebagian besar fungsi di perangkat ini. Performanya mendekati performa prosesor yang menjalankan konsol tersebut PlayStation.

Ketika kita melihat bahkan pesawat luar angkasa yang sangat modern, kita melihat bahwa para desainer menggunakan solusi yang seringkali berumur beberapa dekade. Baru-baru ini, seluruh dunia menyaksikan pendaratan penjelajah Curosity di Mars. Sedikit yang akan menduga bahwa di dalamnya ada prosesor BAE RAD750 yang memiliki clock hanya 200 MHz, versi yang lebih baik dari chip IBM PowerPC 750. Jika Anda pernah memiliki komputer Apple, Anda mungkin tahu prosesor ini dari seri iMac. Selain itu, juga menggunakan mikroprosesor yang kurang efisien dari konsol Nintendo Wii. Sehubungan dengan persyaratan operasi dalam kondisi peningkatan radiasi, frekuensi clock-nya telah berkurang lebih dari tiga kali lipat.

Kami telah menyebutkan bahwa bajak Perseverance juga berjalan pada prosesor yang dirilis lebih dari 20 tahun yang lalu. Dengan kata lain, tidak ada yang berubah, dan pesawat ruang angkasa seharga jutaan dolar menggunakan mikroprosesor yang dirilis pada abad terakhir. Tidak peduli bagaimana kedengarannya, tapi itu benar.

Baca juga: Ruang di komputer Anda. 5 Aplikasi Astronomi Terbaik

Perangkat lunak dan komputer yang menjalankan Crew Dragon, Falcon, dan Starlink

Kami memutuskan untuk mencari tahu lebih detail apa yang digunakan sebagai perangkat lunak, menggunakan contoh Crew Dragon, Falcon, dan Starlink yang terkenal.

Ketika kita mendengar nama pesawat ruang angkasa Naga Kru, banyak orang berpikir tentang tiga layar sentuh dan antarmuka kontrol biru yang kita lihat selama siaran. Masih banyak perdebatan tentang kelayakan mengendalikan pesawat ruang angkasa menggunakan layar sentuh, bukan tombol, sakelar, dan joystick. SpaceX memilih opsi ini karena tujuan mereka adalah merancang kapal sedemikian rupa sehingga tidak memerlukan kontrol apa pun dan, pada saat yang sama, kru selalu memiliki akses ke informasi sebanyak mungkin. Kapal sepenuhnya otonom, dan satu-satunya hal yang harus dikendalikan oleh astronot terbatas pada sistem kabin internal, seperti volume sistem audio. Kontrol penerbangan kapal dan sistem terpentingnya oleh astronot harus dilakukan hanya dalam kasus darurat, dan SpaceX mencoba dengan bantuan para astronot sendiri untuk mengembangkan antarmuka grafis terbaik untuk tugas-tugas ini.

Namun, perlu diperhatikan bahwa fungsi tombol kapal dapat dikontrol menggunakan tombol yang terletak di bawah layar. Awak memiliki kemampuan untuk memulai sistem pemadam kebakaran, membuka parasut ketika memasuki kembali atmosfer, menghentikan penerbangan ke ISS, memulai penurunan darurat dari orbit, mengatur ulang komputer on-board dan melakukan tugas darurat lainnya. Sebuah tuas di bawah layar tengah memungkinkan para astronot untuk memulai sistem evakuasi. Mereka juga memiliki tombol yang memulai dan membatalkan perintah yang dimasukkan menggunakan tampilan. Dengan begitu, jika astronot menjalankan perintah di layar dan gagal, ia masih memiliki kemampuan untuk membatalkan perintah dengan menekan tombol di bawah layar. Kejelasan dan pengendalian tampilan juga diuji dalam kondisi getaran, dan tim uji serta astronot melakukan banyak tes dengan sarung tangan dan pakaian antariksa tertutup.

Mungkin persyaratan paling penting untuk sistem kendali rudal dan kapal, tentu saja, keandalan. Dalam kasus roket SpaceX, ini dipastikan, pertama-tama, karena redundansi sistem, yaitu, karena penggunaan beberapa komponen identik yang bekerja bersama dan dapat saling menduplikasi dan melengkapi. Secara khusus, Falcon 9 memiliki total tiga komputer on-board yang terpisah. Masing-masing komputer ini membaca data dari sensor dan sistem roket, melakukan perhitungan yang diperlukan, membuat keputusan tentang tindakan lebih lanjut dan menghasilkan perintah untuk membuat keputusan tersebut. Ketiga komputer tersebut saling berhubungan, dan hasil yang diperoleh dibandingkan dan dianalisis.

Komputer didasarkan pada prosesor PowerPC dual-core. Sekali lagi, kedua inti melakukan perhitungan yang sama, membandingkannya satu sama lain, dan memeriksa konsistensi. Jadi, sementara redundansi perangkat keras tiga kali lipat, redundansi perangkat lunak-komputasi enam kali lipat. Pada saat yang sama, Anda dapat mengembalikan komputer yang rusak ke kondisi kerja, misalnya, dengan me-reboot. Jika komputer utama gagal, salah satu komputer yang tersisa akan mengambil alih.

Jika terjadi masalah dengan komputer atau sistem lain, nasib misi tergantung pada keputusan Autonomous Flight Safety System (AFSS). Ini adalah sistem komputer on-board yang sepenuhnya independen yang bekerja pada satu set beberapa mikrokontroler (komputer kecil), menerima data yang sama dari sensor, hasil perhitungan dan perintah dari komputer on-board dan mengontrol jalur penerbangan yang aman.

Untuk memastikan bahwa semua komputer selalu memiliki data yang paling dapat diandalkan, sebagian besar sensor bersifat redundan, seperti halnya komputer yang membaca data ini dan kemudian mengirimkannya ke komputer terpasang. Dengan cara yang sama, komputer yang mengontrol subsistem rudal individu (mesin, kemudi, nozel manuver, dll.) diduplikasi oleh perintah komputer on-board. Dengan demikian, Falcon 9 dikendalikan oleh seluruh pohon yang terdiri dari setidaknya 30 komputer. Di bagian atas pohon adalah komputer on-board yang mengelola jaringan komputer bawahan. Masing-masing memiliki saluran komunikasinya sendiri dengan masing-masing komputer terpasang secara terpisah. Jadi semua tim datang kepadanya tiga kali.

Tapi seperti yang Anda lihat, semua komputer on-board didasarkan pada microchip sederhana, bukan sirkuit mikro canggih dari superkomputer modern.

Baca juga: Alam Semesta: Objek luar angkasa yang paling tidak biasa

Masa depan chip luar angkasa

Penggunaan prosesor yang relatif lama tidak berarti bahwa yang baru tidak dibuat. Hanya saja proses pembuatannya sangat sulit dan memakan banyak waktu. Juga harus dipahami bahwa setiap struktur yang akan digunakan dalam ruang harus memenuhi persyaratan kelas MIL-STD-883. Ini berarti lulus lebih dari 100 tes yang dikembangkan oleh Departemen Pertahanan AS, termasuk tes termal, mekanik, listrik dan chip lainnya. Sebagian besar prosesor yang lulus tes ini hanya terbuat dari bagian tengah wafer silikon. Ini karena di sinilah cacat tepi paling kecil kemungkinannya terjadi.

Daftar proyek untuk pesawat ruang angkasa masa depan termasuk, antara lain, rangkaian sistem HPSC yang dikembangkan oleh NASA. Seperti yang diharapkan, prosesor akan siap pada pergantian 2023 dan 2024. Performa mereka harus lebih dari 100 kali lebih tinggi daripada sistem tercepat yang saat ini digunakan di pesawat ruang angkasa. Amerika fokus pada pengembangan chip yang dapat membantu menaklukkan bulan dan Mars. Tapi sejauh ini hanya proyek.

Badan Antariksa Eropa, yang telah lama mengembangkan chip berdasarkan arsitektur SPARK open-source, mengambil pendekatan yang sedikit berbeda. Produk terbaru tersebut adalah model GR740 dari keluarga LEON4FT. Prosesor quad-core 250 MHz ini, dilengkapi dengan adaptor jaringan gigabit dan cache L2 1000 MB, harus menjadi platform yang sesuai untuk pesawat ruang angkasa tak berawak dan satelit. Menurut perhitungan para ilmuwan, desain dan karakteristik prosesor harus menjamin operasi normalnya bahkan setelah 300 tahun. Para ilmuwan menjamin bahwa hanya setelah 250 tahun pengoperasian chip, setidaknya satu kesalahan dapat terjadi. Ini menginspirasi kepercayaan pada kekuatan dan daya tahan pesawat ruang angkasa, karena penerbangan ke Mars yang sama akan memakan waktu sekitar 300-XNUMX hari, dan ini hanya lintasan yang nyaman. Probe terkadang berkeliaran di luar angkasa selama bertahun-tahun.

Fakta menarik yang perlu disebutkan adalah bahwa pada tahun 2017, HPE dan NASA meluncurkan komputer komersial berkinerja tinggi pertama dengan roket SpaceX Falcon 9. Server soket ganda HPE Apollo 40 dengan prosesor Intel Broadwell dan kecepatan 56 Gbit/ Antarmukanya tiba di Stasiun Luar Angkasa Internasional. Jika para ilmuwan dapat mempercayainya, kinerjanya hanya 1 TFLOPS, namun masih banyak untuk kondisi luar angkasa.

Ini menunjukkan betapa sulitnya merancang chip untuk digunakan di luar planet kita, dan seberapa banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk mengejar setidaknya prosesor PC rumahan utama.

Tetapi para ilmuwan sedang melakukan upaya besar untuk mengembangkan microchip paling kuat yang tidak hanya akan mendukung pengoperasian pesawat ruang angkasa, tetapi juga dilindungi secara andal dari radiasi dan radiasi ruang angkasa. Mungkin komputer kuantum akan mengubah situasi, tapi itu cerita lain.

Baca juga:

• Bisakah materi gelap terdiri dari lubang hitam purba? Apa pendapat ahli astrofisika?
• Mars berhubungan! Tentang kompleksitas komunikasi ruang angkasa
• Tentang komputer kuantum dengan kata-kata sederhana