מדוע חלליות מצוידות במעבדים מהמאה ה-20

זה מפתיע, אבל חלליות מודרניות מצוידות במעבדים מיושנים שפותחו עוד במאה ה-20. במאמר זה נספר לכם מהי הסיבה למצב עניינים זה.

ספינות חלל הן פלאי טכנולוגיה אמיתיים, מצוידות בכל מיני מוצרי אלקטרוניקה. כמובן שזה כולל גם מעבדים שבזכותם הציוד יכול לבצע חישובים מורכבים מאוד. עם זאת, השבבים המשמשים בפיתוח של נאס"א וסוכנויות חלל אחרות יכולים לעתים קרובות להיראות כמו מכשירים מיושנים שכבר מזמן לא ייצורם.

כשאנחנו מדברים על המעבד, כנראה שהבלוקים של המחשבים השולחניים שלנו עולים מיד בראש. שבבים רבים השפיעו על תעשיית הטכנולוגיה. נכון לעכשיו, כבר פותחו מחשבי-על רבי עוצמה בעלי כוח מחשוב עצום. זה יהיה הגיוני להשתמש בציוד דומה בתחום טכנולוגי מורכב כמו חקר החלל. נחיתה על הירח או שיגור ותמרון גשושית חלל במרחק של מיליוני קילומטרים מכוכב הלכת שלנו בהחלט דורש כוח מחשוב רב. מסתבר שזה לא בדיוק המקרה, ורבים מכם בטח יופתעו מכמה מעט צריך כדי לשלוט, למשל, בתחנת חלל. אגב, הרובר החדש של Perseverance, שנחת לאחרונה בהצלחה על הכוכב האדום, מבוסס על מעבד ה-RAD750, שהוא גרסה מיוחדת ל-PowerPC 750 - לבם של מחשבי ה-iMac G3 שיצאו לפני יותר מ-20 שנה. . ומסוק ה-Ingenuity, שפועל כיום גם על מאדים, מצויד במעבד Snapdragon 801. חלליות אלו, המבצעות את פעולות המחשוב המורכבות ביותר, עובדות על מיקרו-מעבדים "רגילים" כאלה או אפילו מיושנים. אבל מצב עניינים זה לא סביר שישתנה אפילו בעתיד. בואו נגלה מדוע מדענים בנאס"א וסוכנויות חלל אחרות נאלצים להשתמש ב-SoCs חלשים כל כך.

קרא גם: מאדים טרפורמר: האם כוכב הלכת האדום יכול להפוך לכדור הארץ חדש?

מעבדי שטח איטיים באופן מפתיע

נתחיל בדוגמה שצריכה להיות ידועה לכולם. אנחנו מדברים על האירוע שקרה ב-16 ביולי 1969. ביום זה, במסגרת משימת אפולו 11, הוציא רכב השיגור SA-506 את חללית אפולו מהאטמוספירה של כדור הארץ. וארבעה ימים לאחר מכן, האסטרונאוטים האמריקאים באז אולדרין וניל ארמסטרונג דרכו על פני הירח בפעם הראשונה בהיסטוריה האנושית. המשימה בוצעה בהצלחה בעזרת ה-AGC (Apollo Guidance Computer), שפותח עוד ב-4. העיצוב היה די מעניין מנקודת המבט של טכנולוגיית המחשב, אבל בהסתכלות על המאפיינים הטכניים של המכשיר הזה, אפשר רק להיות מופתעים שהמשימה הצליחה בכלל. רק תחשוב, השבב על הסיפון עבד עם תדר שעון של 1966 מגה-הרץ בלבד והיה לו זיכרון RAM של 2,048 מילים בלבד. כן, בדיוק המילים. כלומר, עכשיו זה נראה פשוט מדהים, אבל באותה תקופה זה היה אחד המחשבים המודרניים ביותר.

ראוי לציין שמחשב ביתי הציע ביצועים דומים Apple II, שוחרר כמה שנים לאחר מכן. במילים אחרות, באותה תקופה לחללית היה ציוד טכני שהקדים את זמנה.

אולם מצב עניינים זה נמשך עד לנקודה מסוימת, מהר מאוד התברר שמכשיר יעיל יותר הוא לא בהכרח הפתרון הטוב ביותר, ולפעמים הוא עלול להיות מסוכן יותר. נקודת המפנה בהיסטוריה של אלקטרוניקת החלל הייתה קביעת הערכים המדויקים של קרינה קוסמית והשפעתה על הטכנולוגיה. אבל איך קרינה משפיעה על המעבד עצמו?

כאשר שוגרה לחלל החללית ג'מיני, המצוידת במחשב פשוט על הסיפון, הטכנולוגיות ששימשו ליצירתה היו, נכון להיום, פרימיטיביות ביותר. עם זאת, בחלל זה התברר כיתרון גדול.

כיום, בעת יצירת מעבדים חדשים, נעשה שימוש בתהליכים טכנולוגיים מודרניים יותר, כעת אנו יכולים לקנות בקלות, למעשה, מעבדים מיקרוסקופיים המיוצרים על ידי ליתוגרפיה של 7 ננומטר. ככל שהשבב קטן יותר, כך דרוש פחות מתח כדי להפעיל ולכבות אותו. בחלל, זה יכול לגרום לבעיות חמורות. העובדה היא שבהשפעת חלקיקי קרינה, קיימת אפשרות של מעבר לא מתוכנן של המצב שבו יהיה הטרנזיסטור. זה, בתורו, יכול לגרום לזה האחרון להפסיק לעבוד ברגע הכי לא צפוי, או שהחישובים המבוצעים באמצעות מעבד כזה יהיו לא מדויקים. ובמרחב, זה לא מקובל ועלול להוביל לתוצאות טרגיות.

דוגמה מעניינת היא, למשל, מעבד אינטל 386SX (גרסה מצומצמת של אינטל 80386), ששלט על מה שנקרא תא הזכוכית. הוא פעל במהירות שעון של כ-20 מגה-הרץ, כלומר הוא יכול לבצע משימות במהירות של 20 מחזורים לשנייה. כבר בזמן הופעת הבכורה שלו בבניית חלל, השבב לא היה בעל מהירות גבוהה במיוחד, אך חשוב מכך, הודות לתדר השעון הנמוך, המעבד היה בטוח.

כאשר הם נחשפים לקרינה, החלקיקים שלו עלולים לפגוע בנתונים המאוחסנים בזיכרון המטמון של המעבד. זה אפשרי בחלון קצר מאוד - תזמון נמוך מפחית אותו משמעותית, כלומר מעגלים מהירים יותר חשופים יותר לקרינה. במילים פשוטות, קרינה יכולה בסופו של דבר להשפיע על אחסון הנתונים ולפגוע במעבד עצמו. זה לא מקובל בתנאי ההפעלה של תחנת חלל, רכב שיגור או בדיקה. אף אחד לא יסכן פרויקט של מיליון דולר.

קרא גם: מה יכול למנוע מאיתנו ליישב את מאדים?

קרינה הרסנית

פעם, השפעת הקרינה פוצה על ידי שינויים בתהליך הייצור עצמו, למשל, נעשה שימוש בחומרים כגון גליום ארסניד. עם זאת, כל שינוי היה יקר מאוד. בנוסף, מערכות לרכבי חלל נוצרות במפעלים מיוחדים בכמויות קטנות. רק השימוש בטכנולוגיית RHBD איפשר להשתמש בתהליך ה-CMOS הסטנדרטי בייצור מיקרו-מעגלים עמידים לקרינה. כמו כן, נעשה שימוש בטכניקות כגון יתירות משולשת, המאפשרת לשמור שלושה עותקים זהים של אותו סיביות בכל עת. כאשר יש צורך בהם, נבחר הטוב ביותר.

ההשפעות ההרסניות של קרינה על מערכות חלליות גרמו פעם לכישלון של משימת פובוס-גראנט הרוסית. שבב WS512K32V20G24M, המיועד למטוסים צבאיים, ניזוק על ידי יונים כבדים מקרניים קוסמיות. זרם מוגזם גרם נזק למחשב והוא נכנס למצב בטוח. עקב בעיות תקשורת לא התאפשר ההפעלה מחדש, מה שהוביל לכניסת הגשושית לאטמוספירה ולבערתה.

לכן, עבור פרויקטים עם חיי שירות ארוכים משתמשים בלוקים עמידים באמת. לדוגמה, טלסקופ האבל היה מצויד במקור ביחידת 8 סיביות של Rockwell Autonetics DF-224 עם תדר שעון של 1,25 מגה-הרץ. עד מהרה התברר שזה רעיון גרוע, ונאס"א נאלצה לעבור תהליך של החלפת השבב בשבב של אינטל. ב-1993 הותאם הטלסקופ לתמוך באינטל 386, ובמהלך משימת שירות 3A ב-1999, הוחלפו צמד השבבים DF-224 ואינטל 386 בשבב של אינטל 486.

כבר הבאנו כאן את הדוגמה של תחנת החלל. נראה שלמבנה כה גדול ומורכב צריכה להיות מערכת יעילה מאוד על הסיפון. אולם, אין זה המקרה. ידוע שהמחשב הראשי בתחנת החלל הבינלאומית (ISS) פועל על בלוק אינטל 386 שהוזכר כבר. בעצם, משתמשים בשני סטים של שלושה מחשבים - אחד רוסי ואחד אמריקאי. בואו נסתכל גם על החללית החדשה בהרבה New Horizons, שטסה על ידי פלוטו ב-2015 ופנתה לעבר חגורת קויפר. שבב Mongoose-V העמיד לקרינה בתדר שעון של 15 מגה-הרץ, המסוגל לבצע משימות במהירות של 40 מחזורים בשנייה, היה אחראי לרוב הפונקציות במכשיר זה. הביצועים שלו קרובים לביצועי המעבד עליו פועלת הקונסולה PlayStation.

כשאנחנו מסתכלים אפילו על חלליות מודרניות מאוד, אנחנו רואים שמעצבים משתמשים בפתרונות שהם לרוב בני כמה עשורים. לאחרונה, כל העולם צפה בנחיתה של רובר Curosity על מאדים. מעטים היו מנחשים שבתוכו נמצא מעבד BAE RAD750 עם שעון במהירות של 200 מגה-הרץ בלבד, גרסה משופרת של שבב IBM PowerPC 750. אם אי פעם היה לך מחשב Apple, אתה אולי מכיר את המעבד הזה מסדרת iMac. יתר על כן, הוא השתמש גם במיקרו-מעבד הפחות יעיל מקונסולת Nintendo Wii. בהקשר לדרישות הפעולה בתנאים של קרינה מוגברת, תדר השעון שלו הופחת ביותר מפי שלושה.

כבר הזכרנו שהרובר Perseverance פועל גם על מעבד שיצא לפני יותר מ-20 שנה. במילים אחרות, שום דבר לא השתנה, וחלליות בעלות של מיליוני דולרים משתמשות במיקרו-מעבדים ששוחררו במאה הקודמת. לא משנה איך זה נשמע, אבל זה נכון.

קרא גם: מקום במחשב שלך. 5 אפליקציות האסטרונומיה הטובות ביותר

תוכנות ומחשבים שמריצים את Crew Dragon, Falcon ו-Starlink

החלטנו לברר ביתר פירוט מה משמשת כתוכנה, תוך שימוש בדוגמה של Crew Dragon, Falcon ו-Starlink המפורסמים.

כאשר אנו שומעים את שמה של החללית Crew Dragon, אנשים רבים חושבים על שלושת מסכי המגע וממשק השליטה הכחול שראינו במהלך השידורים. יש עדיין ויכוח רב לגבי היתכנות של שליטה בחללית באמצעות מסכי מגע במקום לחצנים, מתגים וג'ויסטיקים. SpaceX בחרו באפשרות זו מכיוון שמטרתם הייתה לעצב את הספינה בצורה כזו שלא תדרוש כל שליטה ובמקביל, שלצוות תמיד תהיה גישה למידע רב ככל האפשר. הספינה אוטונומית לחלוטין, והדבר היחיד שעל האסטרונאוטים לשלוט בו מוגבל למערכות פנימיות בתא הנוסעים, כמו עוצמת הקול של מערכת השמע. שליטה על טיסת הספינה והמערכות החשובות ביותר שלה על ידי אסטרונאוטים צריכה להתבצע רק במקרים חירום, ו-SpaceX ניסתה בעזרת האסטרונאוטים עצמם לפתח את הממשק הגרפי הטוב ביותר עבור משימות אלו.

עם זאת, יש לציין כי ניתן לשלוט בפונקציות המפתח של הספינה באמצעות הכפתורים הממוקמים מתחת לתצוגה. לצוות יש את היכולת להפעיל את מערכת הכיבוי, לפתוח את המצנחים בכניסה מחדש לאטמוספירה, להפסיק את הטיסה ל-ISS, להתחיל ירידה בחירום ממסלול, לאפס את המחשבים על הסיפון ולבצע משימות חירום נוספות. ידית מתחת לתצוגה האמצעית מאפשרת לאסטרונאוטים להתחיל את מערכת הפינוי. יש להם גם כפתורים שמתחילים ומבטלים פקודות שהוזנו באמצעות הצגים. כך, אם האסטרונאוט מבצע פקודה בתצוגה והיא נכשלת, עדיין יש לו את היכולת לבטל את הפקודה על ידי לחיצה על כפתור מתחת לתצוגה. הבהירות והשליטה של ​​התצוגות נבדקו גם בתנאי רטט, וצוותי הבדיקה והאסטרונאוטים ביצעו בדיקות רבות בכפפות ובחליפות חלל אטומות.

כנראה הדרישה החשובה ביותר למערכת בקרת טילים וספינה היא, כמובן, אמינות. במקרה של רקטות SpaceX, הדבר מובטח קודם כל בשל יתירות מערכתית, כלומר בשל שימוש במספר רכיבים זהים הפועלים יחד ויכולים לשכפל ולהשלים זה את זה. בפרט, ל-Falcon 9 יש בסך הכל שלושה מחשבים נפרדים. כל אחד מהמחשבים הללו קורא נתונים מהחיישנים והמערכות של הרקטה, מבצע את החישובים הדרושים, מקבל החלטות לגבי פעולות נוספות ומפיק פקודות לקבלת החלטות אלו. כל שלושת המחשבים מחוברים זה לזה, והתוצאות המתקבלות מושוות ומנתחות.

מחשבים מבוססים על מעבדי PowerPC כפולים ליבות. שוב, שתי הליבות מבצעות את אותם חישובים, משווים ביניהן ובודקים עקביות. לפיכך, בעוד יתירות החומרה היא פי שלושה, יתירות התוכנה-חישובית היא פי שישה. במקביל, ניתן להחזיר מחשב פגום למצב תקין, למשל על ידי אתחול מחדש. אם המחשב הראשי נכשל, אחד מהמחשבים הנותרים משתלט.

במקרה של בעיות במחשבים או במערכות אחרות, גורל המשימה תלוי בהחלטת מערכת הבטיחות הטיסה האוטונומית (AFSS). מדובר במערכת מחשוב על סיפון עצמאית לחלוטין הפועלת על סט של מספר מיקרו-בקרים (מחשבים קטנים), מקבלת את אותם נתונים מחיישנים, תוצאות חישוב ופקודות ממחשבים על הסיפון ושולטת במהלך הבטוח של הטיסה.

כדי להבטיח שלכל המחשבים יהיו תמיד את הנתונים האמינים ביותר האפשריים, רוב החיישנים מיותרים, וכך גם המחשבים שקוראים את הנתונים האלה ואז שולחים אותם למחשבים המשולבים. באותו אופן, מחשבים השולטים בתתי מערכות טילים בודדות (מנועים, הגאים, חרירי תמרון וכו') משוכפלים על ידי פקודות מחשב על הסיפון. לפיכך, Falcon 9 נשלט על ידי עץ שלם המורכב מ-30 מחשבים לפחות. בראש העץ נמצאים מחשבים על הסיפון המנהלים רשת של מחשבים כפופים. לכל אחד ערוץ תקשורת משלו עם כל מחשב על הסיפון בנפרד. אז כל הקבוצות באות אליו שלוש פעמים.

אבל כפי שאתה יכול לראות, כל המחשבים על הסיפון מבוססים על שבבים פשוטים, לא על מיקרו-מעגלים מתוחכמים של מחשבי-על מודרניים.

קרא גם: יקום: חפצי החלל יוצאי הדופן ביותר

העתיד של שבבי חלל

השימוש במעבדים ישנים יחסית לא אומר שלא נוצרים חדשים. רק שתהליך יצירתם הוא מאוד קשה ולוקח הרבה זמן. כמו כן, יש להבין כי כל מבנה שישמש בחלל חייב לעמוד בדרישות של מחלקת MIL-STD-883. המשמעות היא לעבור יותר מ-100 בדיקות שפותחו על ידי משרד ההגנה האמריקאי, כולל בדיקות תרמיות, מכניות, חשמליות ואחרות. רוב המעבדים שעברו מבחן זה עשויים רק מהחלק המרכזי של פרוסת הסיליקון. הסיבה לכך היא שכאן יש סבירות נמוכה יותר להתרחש פגמי קצה.

רשימת הפרויקטים של חלליות עתידיות כוללת, בין היתר, את סדרת המערכות HPSC שפותחה על ידי נאס"א. כצפוי, המעבדים אמורים להיות מוכנים בתחילת 2023 ו-2024. הביצועים שלהם צריכים להיות גבוהים ביותר מפי 100 מזה של המערכות המהירות ביותר המשמשות כיום בחללית. האמריקאים מתמקדים בפיתוח שבבים שיכולים לעזור לכבוש את הירח ומאדים. אבל בינתיים אלה רק פרויקטים.

סוכנות החלל האירופית, שמפתחת שבבים על בסיס ארכיטקטורת הקוד הפתוח SPARK מזה זמן רב, נוקטת בגישה מעט שונה. המוצר האחרון שכזה הוא דגם GR740 ממשפחת LEON4FT. מעבד ארבע ליבות 250 מגה-הרץ הזה, המצויד במתאם רשת גיגה-ביט ו-2 מגה-בייט של מטמון L1000, אמור להיות פלטפורמה מתאימה עבור חלליות ולוויינים בלתי מאוישים. לפי חישובים של מדענים, התכנון והמאפיינים של המעבד אמורים להבטיח את פעולתו התקינה גם לאחר 300 שנים. מדענים מבטיחים שרק לאחר 250 שנות פעילות של השבב, יכולה להתרחש לפחות שגיאה אחת. זה מעורר ביטחון בחוזק ובעמידות של חלליות, כי הטיסה לאותו מאדים תימשך כ-300-XNUMX ימים, וזהו רק מסלול נוח. גישושים משוטטים לפעמים בחלל במשך שנים.

כעובדה מעניינת, ראוי להזכיר שבשנת 2017 השיקו HPE ונאס"א את המחשב המסחרי הראשון בעל ביצועים גבוהים על סיפון טיל ה-SpaceX Falcon 9. שרת HPE Apollo 40 עם שקעים כפולים עם מעבדי Intel Broadwell ו-56 Gbit מהיר. הממשק הגיע לתחנת החלל הבינלאומית. אם להאמין למדענים, הביצועים שלו היו רק 1 TFLOPS, אבל זה עדיין היה הרבה עבור תנאי החלל.

זה מראה כמה קשה לעצב שבבים לשימוש מחוץ לכדור הארץ שלנו, וכמה עבודה צריך לעשות כדי להדביק לפחות מעבדי PC ביתיים מיינסטרים.

אבל מדענים עושים מאמצים רבים כדי לפתח את המיקרו-שבבים החזקים ביותר, שלא רק יתמכו בפעולת חלליות, אלא גם יהיו מוגנים בצורה מהימנה מפני קרינת חלל וקרינה. אולי מחשבים קוונטיים ישנו את המצב, אבל זה כבר סיפור אחר.

קרא גם:

• האם חומר אפל יכול להיות מורכב מחורים שחורים ראשוניים? מה חושבים אסטרופיזיקאים?
• מאדים בקשר! על המורכבות של תקשורת חלל
• על מחשבים קוונטיים במילים פשוטות