È sorprendente, ma i moderni veicoli spaziali sono dotati di processori obsoleti che sono stati sviluppati nel 20° secolo. In questo articolo, ti diremo qual è la ragione di questo stato di cose.
Le astronavi sono vere meraviglie della tecnologia, dotate di ogni tipo di elettronica. Naturalmente, questo include anche i processori, grazie ai quali l'apparecchiatura può eseguire calcoli molto complessi. Tuttavia, i chip utilizzati nello sviluppo della NASA e di altre agenzie spaziali possono spesso sembrare dispositivi obsoleti che sono fuori produzione da tempo.
Quando si parla di processore, probabilmente vengono subito in mente i blocchi dei nostri computer desktop. Molti chip hanno influenzato l'industria tecnologica. Attualmente sono già stati sviluppati potenti supercomputer con un'enorme potenza di calcolo. Sarebbe logico utilizzare apparecchiature simili in un campo tecnologico così complesso come la ricerca spaziale. Atterrare sulla luna o lanciare e manovrare una sonda spaziale a una distanza di milioni di chilometri dal nostro pianeta richiede sicuramente molta potenza di calcolo. Si scopre che non è proprio così e molti di voi saranno probabilmente sorpresi da quanto poco sia necessario per controllare, ad esempio, una stazione spaziale. A proposito, il nuovo rover Perseverance, recentemente atterrato con successo sul Pianeta Rosso, si basa sul processore RAD750, che è una versione speciale del PowerPC 750, il cuore dei computer iMac G3 usciti più di 20 anni fa . E l'elicottero Ingenuity, che attualmente sta operando anche su Marte, è dotato di un processore Snapdragon 801. Questi veicoli spaziali, eseguendo le operazioni di calcolo più complesse, lavorano su microprocessori così "ordinari" o addirittura obsoleti. Ma è improbabile che questo stato di cose cambi anche in futuro. Scopriamo perché gli scienziati della NASA e di altre agenzie spaziali sono costretti a utilizzare SoC così deboli.
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I processori spaziali sono sorprendentemente lenti
Cominciamo con un esempio che dovrebbe essere ben noto a tutti. Stiamo parlando dell'evento accaduto il 16 luglio 1969. In questo giorno, nell'ambito della missione Apollo 11, il veicolo di lancio SA-506 ha portato la navicella spaziale Apollo fuori dall'atmosfera terrestre. E 4 giorni dopo, gli astronauti americani Buzz Aldrin e Neil Armstrong misero piede sulla superficie della luna per la prima volta nella storia umana. La missione è stata portata a termine con successo con l'aiuto dell'AGC (Apollo Guidance Computer), sviluppato nel 1966. Il design era piuttosto interessante dal punto di vista della tecnologia informatica, ma guardando le caratteristiche tecniche di questo dispositivo, si può solo essere sorpresi che la missione abbia avuto successo. Pensate che il chip a bordo lavorava con una frequenza di clock di soli 2,048 MHz ed aveva una RAM di sole 2048 parole. Sì, esattamente le parole. Cioè, ora sembra semplicemente incredibile, ma a quel tempo era uno dei computer più moderni.
Vale la pena notare che un computer di casa offriva prestazioni simili Apple II, rilasciato qualche anno dopo. In altre parole, a quel tempo il veicolo spaziale disponeva di un'attrezzatura tecnica in anticipo sui tempi.
Tuttavia, questo stato di cose è durato fino a un certo punto, è diventato subito chiaro che un dispositivo più efficiente non è necessariamente la soluzione migliore, e talvolta può essere più pericoloso. Il punto di svolta nella storia dell'elettronica spaziale è stata la determinazione dei valori esatti della radiazione cosmica e il suo impatto sulla tecnologia. Ma in che modo le radiazioni influiscono sul processore stesso?
Quando la navicella Gemini, dotata di un semplice computer di bordo, fu lanciata nello spazio, le tecnologie utilizzate per realizzarla erano, ad oggi, estremamente primitive. Tuttavia, nello spazio si è rivelato un grande vantaggio.
Al giorno d'oggi, quando si creano nuovi processori, vengono utilizzati processi tecnologici più moderni, ora possiamo acquistare facilmente, praticamente, processori microscopici realizzati con litografia a 7 nm. Più piccolo è il chip, minore è la tensione necessaria per accenderlo e spegnerlo. Nello spazio, questo può causare seri problemi. Il fatto è che sotto l'influenza delle particelle di radiazione esiste la possibilità di una commutazione non pianificata dello stato in cui si troverà il transistor. Questo, a sua volta, può far sì che quest'ultimo smetta di funzionare nel momento più inaspettato, oppure i calcoli eseguiti utilizzando un tale processore saranno imprecisi. E nello spazio, questo è inaccettabile e può portare a tragiche conseguenze.
Un esempio interessante è, ad esempio, il processore Intel 386SX (una versione ridotta dell'Intel 80386), che controllava la cosiddetta cabina di vetro. Funzionava a una velocità di clock di circa 20 MHz, il che significa che poteva eseguire attività a 20 cicli al secondo. Già all'epoca del suo debutto nelle costruzioni spaziali, il chip non aveva una velocità particolarmente elevata, ma soprattutto, grazie alla bassa frequenza di clock, il processore era al sicuro.
Se esposte alle radiazioni, le sue particelle possono danneggiare i dati archiviati nella memoria cache del processore. Questo è possibile in una finestra molto breve: un tempo basso lo riduce significativamente, il che significa che i circuiti più veloci sono più esposti alle radiazioni. In poche parole, le radiazioni possono eventualmente influenzare la memorizzazione dei dati e danneggiare il processore stesso. Ciò è inaccettabile nelle condizioni operative di una stazione spaziale, di un veicolo di lancio o di una sonda. Nessuno rischierà un progetto da un milione di dollari.
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Radiazione distruttiva
Un tempo, l'impatto delle radiazioni era compensato da cambiamenti nel processo di produzione stesso, ad esempio venivano utilizzati materiali come l'arseniuro di gallio. Tuttavia, ogni modifica era molto costosa. Inoltre, in piccole quantità vengono creati sistemi per veicoli spaziali in fabbriche specializzate. Solo l'uso della tecnologia RHBD ha permesso di utilizzare il processo CMOS standard nella produzione di microcircuiti resistenti alle radiazioni. Sono state utilizzate anche tecniche come la tripla ridondanza, che consente di memorizzare in ogni momento tre copie identiche dello stesso bit. Quando sono necessari, viene scelto il migliore.
Gli effetti distruttivi delle radiazioni sui sistemi dei veicoli spaziali una volta causarono il fallimento della missione russa Phobos-Grunt. Il chip WS512K32V20G24M, progettato per aerei militari, è stato danneggiato da ioni pesanti provenienti dai raggi cosmici. La corrente eccessiva ha danneggiato il computer ed è entrato in modalità provvisoria. Per problemi di comunicazione non è stato possibile il riavvio, che ha comportato l'ingresso della sonda in atmosfera e la sua combustione.
Pertanto, per progetti con una lunga durata, vengono utilizzati blocchi davvero durevoli. Ad esempio, il telescopio Hubble era originariamente dotato di un'unità Rockwell Autonetics DF-8 a 224 bit con una frequenza di clock di 1,25 MHz. Ben presto divenne chiaro che questa era una cattiva idea e la NASA dovette passare attraverso il processo di sostituzione del chip con uno Intel. Nel 1993, il telescopio è stato adattato per supportare Intel 386 e durante la missione di servizio 3A nel 1999, la coppia di chip DF-224 e Intel 386 è stata sostituita con un chip Intel 486.
Abbiamo già fatto qui l’esempio della stazione spaziale. Sembrerebbe che una struttura così grande e complessa debba avere a bordo un sistema molto efficiente. Tuttavia, questo non è il caso. È noto che il computer principale della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) funziona con il già citato blocco Intel 386. Fondamentalmente vengono utilizzati due set di tre computer: uno russo e uno americano. Diamo anche un'occhiata alla nuovissima navicella spaziale New Horizons, che ha volato vicino a Plutone nel 2015 e ha preso di mira la fascia di Kuiper. Responsabile della maggior parte delle funzioni di questo dispositivo era il chip Mongoose-V resistente alle radiazioni con una frequenza di clock di 15 MHz, in grado di eseguire attività a una velocità di 40 cicli al secondo. Le sue prestazioni sono vicine a quelle del processore su cui gira la console PlayStation.
Quando osserviamo anche veicoli spaziali molto moderni, vediamo che i progettisti utilizzano soluzioni che spesso hanno diversi decenni. Di recente, il mondo intero ha assistito all'atterraggio del rover Curosity su Marte. Pochi avrebbero immaginato che all'interno ci fosse un processore BAE RAD750 con clock di soli 200 MHz, una versione migliorata del chip IBM PowerPC 750. Se hai mai posseduto un computer Apple, potresti conoscere questo processore della serie iMac. Inoltre, utilizzava anche il microprocessore meno efficiente della console Nintendo Wii. In connessione con i requisiti di funzionamento in condizioni di maggiore irraggiamento, la sua frequenza di clock è stata ridotta di oltre tre volte.
Abbiamo già detto che il rover Perseverance funziona anche su un processore che è stato rilasciato più di 20 anni fa. In altre parole, non è cambiato nulla e i veicoli spaziali che costano milioni di dollari utilizzano microprocessori che sono stati rilasciati nel secolo scorso. Non importa come suona, ma è vero.
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Software e computer che eseguono Crew Dragon, Falcon e Starlink
Abbiamo deciso di scoprire più in dettaglio cosa viene utilizzato come software, usando l'esempio dei famosi Crew Dragon, Falcon e Starlink.
Quando sentiamo il nome della navicella spaziale Crew Dragon, molte persone pensano ai tre touch screen e all'interfaccia di controllo blu che abbiamo visto durante le trasmissioni. C'è ancora molto dibattito sulla fattibilità del controllo del veicolo spaziale utilizzando touchscreen invece di pulsanti, interruttori e joystick. SpaceX scelse questa opzione perché il loro obiettivo era progettare la nave in modo tale che non richiedesse alcun controllo e, allo stesso tempo, che l'equipaggio avesse sempre accesso a quante più informazioni possibili. La nave è completamente autonoma e l'unica cosa che gli astronauti devono controllare è limitata ai sistemi interni della cabina, come il volume dell'impianto audio. Il controllo del volo della nave e dei suoi sistemi più importanti da parte degli astronauti dovrebbe essere effettuato solo in casi di emergenza e SpaceX ha cercato con l'aiuto degli stessi astronauti di sviluppare la migliore interfaccia grafica per questi compiti.
Tuttavia, va notato che le funzioni chiave della nave possono essere controllate utilizzando i pulsanti situati sotto il display. L'equipaggio ha la capacità di avviare il sistema antincendio, aprire i paracadute al rientro nell'atmosfera, interrompere il volo verso la ISS, avviare una discesa di emergenza dall'orbita, ripristinare i computer di bordo ed eseguire altre attività di emergenza. Una leva sotto il display centrale consente agli astronauti di avviare il sistema di evacuazione. Hanno anche pulsanti che avviano e annullano i comandi immessi utilizzando i display. In questo modo, se l'astronauta esegue un comando sul display e non riesce, ha ancora la possibilità di annullare il comando premendo un pulsante sotto il display. La chiarezza e la controllabilità dei display sono state testate anche in condizioni di vibrazione e le squadre di prova e gli astronauti hanno eseguito numerosi test con guanti e tute spaziali sigillate.
Probabilmente il requisito più importante per un sistema di controllo missilistico e navale è, ovviamente, l'affidabilità. Nel caso dei razzi SpaceX, ciò è assicurato, innanzitutto, dalla ridondanza del sistema, ovvero dall'utilizzo di più componenti identici che lavorano insieme e possono duplicarsi e completarsi a vicenda. In particolare, il Falcon 9 ha un totale di tre computer di bordo separati. Ciascuno di questi computer legge i dati dai sensori e dai sistemi del razzo, esegue i calcoli necessari, prende decisioni su ulteriori azioni e genera comandi per prendere tali decisioni. Tutti e tre i computer sono interconnessi e i risultati ottenuti vengono confrontati e analizzati.
I computer sono basati su processori PowerPC dual-core. Anche in questo caso, entrambi i core eseguono gli stessi calcoli, li confrontano tra loro e ne controllano la coerenza. Pertanto, mentre la ridondanza hardware è tripla, la ridondanza software-computazionale è sei volte. Allo stesso tempo, puoi riportare un computer difettoso a uno stato di lavoro, ad esempio riavviandolo. Se il computer principale si guasta, subentra uno dei computer rimanenti.
In caso di problemi con computer o altri sistemi, il destino della missione dipende dalla decisione dell'Autonomous Flight Safety System (AFSS). Si tratta di un sistema informatico di bordo completamente indipendente che funziona su un insieme di più microcontrollori (piccoli computer), riceve gli stessi dati dai sensori, risultati di calcolo e comandi dai computer di bordo e controlla l'andamento sicuro del volo.
Per garantire che tutti i computer dispongano sempre dei dati più affidabili possibile, la maggior parte dei sensori è ridondante, così come i computer che leggono questi dati e poi li inviano ai computer di bordo. Allo stesso modo, i computer che controllano i singoli sottosistemi missilistici (motori, timoni, ugelli di manovra, ecc.) sono duplicati dai comandi del computer di bordo. Pertanto, Falcon 9 è controllato da un intero albero composto da almeno 30 computer. In cima all'albero ci sono i computer di bordo che gestiscono una rete di computer subordinati. Ciascuno ha il proprio canale di comunicazione con ciascun computer di bordo separatamente. Quindi tutte le squadre vengono da lui tre volte.
Ma come puoi vedere, tutti i computer di bordo sono basati su semplici microchip, non su sofisticati microcircuiti dei moderni supercomputer.
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Il futuro dei chip spaziali
L'uso di processori relativamente vecchi non significa che non ne vengano creati di nuovi. È solo che il processo di creazione è molto difficile e richiede molto tempo. Dovrebbe anche essere chiaro che ogni struttura che verrà utilizzata nello spazio deve soddisfare i requisiti della classe MIL-STD-883. Ciò significa superare più di 100 test sviluppati dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, inclusi test termici, meccanici, elettrici e altri chip. La maggior parte dei processori che hanno superato questo test sono realizzati solo dalla parte centrale del wafer di silicio. Questo perché è qui che è meno probabile che si verifichino difetti ai bordi.
L'elenco dei progetti per i futuri veicoli spaziali include, tra gli altri, la serie di sistemi HPSC sviluppati dalla NASA. Come previsto, i processori dovrebbero essere pronti a cavallo tra il 2023 e il 2024. Le loro prestazioni dovrebbero essere più di 100 volte superiori a quelle dei sistemi più veloci attualmente utilizzati nei veicoli spaziali. Gli americani sono concentrati sullo sviluppo di chip che possono aiutare a conquistare la luna e Marte. Ma finora questi sono solo progetti.
L'Agenzia spaziale europea, che da tempo sviluppa chip basati sull'architettura open source SPARK, adotta un approccio leggermente diverso. L'ultimo prodotto di questo tipo è il modello GR740 della famiglia LEON4FT. Questo processore quad-core da 250 MHz, dotato di un adattatore di rete gigabit e 2 MB di cache L1000, dovrebbe essere una piattaforma adatta per veicoli spaziali senza pilota e satelliti. Secondo i calcoli degli scienziati, il design e le caratteristiche del processore dovrebbero garantirne il normale funzionamento anche dopo 300 anni. Gli scienziati garantiscono che solo dopo 250 anni di funzionamento del chip può verificarsi almeno un errore. Ciò ispira fiducia nella forza e nella durata del veicolo spaziale, perché il volo verso lo stesso Marte richiederà circa 300-XNUMX giorni e questa è solo una traiettoria conveniente. Le sonde a volte vagano nello spazio per anni.
Un fatto interessante è che nel 2017 HPE e la NASA hanno lanciato il primo computer commerciale ad alte prestazioni a bordo del razzo SpaceX Falcon 9. Un server HPE Apollo 40 dual-socket con processori Intel Broadwell e un veloce 56 Gbit/ L'interfaccia di Android è arrivata alla Stazione Spaziale Internazionale. Secondo gli scienziati, la sua prestazione era di solo 1 TFLOPS, ma era comunque molto per le condizioni spaziali.
Mostra quanto sia difficile progettare chip per l'uso al di fuori del nostro pianeta e quanto lavoro deve essere fatto per raggiungere almeno i tradizionali processori per PC domestici.
Ma gli scienziati stanno facendo grandi sforzi per sviluppare i microchip più potenti che non solo supporteranno il funzionamento dei veicoli spaziali, ma saranno anche protetti in modo affidabile dalle radiazioni e dalle radiazioni spaziali. Forse i computer quantistici cambieranno la situazione, ma questa è un'altra storia.
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Optoelettronica/computer quantistici?
20 MHz è 20000000 operazioni al secondo.20000 è 20 KHz.
"Questo processore quad-core con clock a 250 MHz, dotato di un chip gigabit e 2 MB di cache LXNUMX."
Che tipo di chip?
Questa è la mia disattenzione. Grazie per averlo notato. Si trattava di una scheda di rete gigabit. Aggiustato.
"molti di voi saranno probabilmente sorpresi da quanto poco sia necessario per controllare, ad esempio, una stazione spaziale" - È piuttosto sorprendente quante risorse consumano i computer moderni per alcune delle attività più semplici. Ad esempio, per aprire una pagina su Internet, sono necessari un processore più potente e più memoria che per controllare una stazione spaziale.