驚くべきことですが、現代の宇宙船には、20 世紀に開発された時代遅れのプロセッサが搭載されています。 この記事では、このような状況の理由を説明します。
宇宙船は、あらゆる種類の電子機器を備えた、技術の真の驚異です。 もちろん、これにはプロセッサも含まれます。これにより、機器は非常に複雑な計算を実行できます。 ただし、NASA やその他の宇宙機関の開発に使用されるチップは、生産が終了して久しい旧式のデバイスのように見えることがよくあります。
プロセッサについて話すとき、おそらくデスクトップ コンピューターのブロックがすぐに思い浮かびます。 多くのチップがテクノロジー業界に影響を与えてきました。 現在、膨大な計算能力を備えた強力なスーパーコンピューターがすでに開発されています。 宇宙研究のような複雑な技術分野で同様の機器を使用することは論理的です。 月に着陸したり、地球から数百万キロメートル離れた場所で宇宙探査機を打ち上げたり操縦したりするには、確かに多くのコンピューティング パワーが必要です。 実際にはそうではないことが判明し、多くの人は、たとえば宇宙ステーションを制御するのに必要な量が非常に少ないことにおそらく驚かれることでしょう。 ちなみに、最近火星への着陸に成功した新しい Perseverance ローバーは、750 年以上前に登場した iMac G750 コンピュータの心臓部である PowerPC 3 の特別バージョンである RAD20 プロセッサをベースにしています。 . また、現在火星で運用されている Ingenuity ヘリコプターには、Snapdragon 801 プロセッサが搭載されており、最も複雑な計算操作を実行するこれらの宇宙船は、そのような「通常の」または時代遅れのマイクロプロセッサで動作します。 しかし、この状況は今後も変わることはありません。 NASA やその他の宇宙機関の科学者が、なぜそのような弱い SoC を使用せざるを得ないのかを調べてみましょう。
また読む： 火星のテラフォーミング: 赤い惑星は新しい地球に変わる可能性がありますか?
宇宙プロセッサは驚くほど遅い
誰もがよく知っているはずの例から始めましょう。 16 年 1969 月 11 日に起こった出来事について話しています。この日、アポロ 506 号のミッションの一環として、SA-4 打上げロケットがアポロ宇宙船を地球の大気圏から取り出しました。そしてその1966日後、アメリカの宇宙飛行士バズ・オルドリンとニール・アームストロングが人類史上初めて月面に降り立った。このミッションは、2,048 年に開発された AGC (アポロ誘導コンピューター) の助けにより成功裏に実行されました。この設計はコンピュータ技術の観点から見て非常に興味深いものでしたが、この装置の技術的特徴を見ると、ミッションがまったく成功したことに驚かされるほかありません。考えてみてください、ボード上のチップはわずか 2048 MHz のクロック周波数で動作し、RAM はわずか ワードしかありませんでした。はい、まさにその言葉通りです。つまり、今では信じられないほどのコンピュータですが、当時は最も近代的なコンピュータの つでした。
自宅のコンピューターが同様のパフォーマンスを提供したことは注目に値します Apple II、数年後にリリースされました。 つまり、当時の探査機には時代を先取りした技術的装備が搭載されていたのです。
しかし、この状況はある時点まで続き、より効率的なデバイスが必ずしも最善の解決策であるとは限らず、場合によってはより危険な場合があることがすぐに明らかになりました. 宇宙電子工学の歴史における転換点は、宇宙放射線の正確な値とその技術への影響の決定でした。 しかし、放射線はプロセッサ自体にどのような影響を与えるのでしょうか?
シンプルな搭載コンピューターを搭載したジェミニ宇宙船が宇宙に打ち上げられたとき、それを作成するために使用された技術は、今日の時点では非常に原始的でした。 しかし、宇宙ではそれが大きな利点であることが判明しました。
現在、新しいプロセッサを作成する際には、より最新の技術プロセスが使用されており、7 nm リソグラフィで作成された、実際には非常に小さなプロセッサを簡単に購入できるようになりました。 チップが小さいほど、オンとオフを切り替えるために必要な電圧が少なくなります。 宇宙では、これは深刻な問題を引き起こす可能性があります。 実際には、放射線粒子の影響下で、トランジスタの状態が予期せず切り替わる可能性があります。 これにより、後者が最も予期しない瞬間に動作を停止する可能性があります。そうしないと、そのようなプロセッサを使用して実行される計算が不正確になります。 そして宇宙では、これは容認できず、悲劇的な結果につながる可能性があります.
興味深い例として、いわゆるガラス キャビンを制御する Intel 386SX プロセッサ (Intel 80386 の縮小版) があります。 約 20 MHz のクロック速度で動作したため、20 秒あたり 000 サイクルでタスクを実行できました。 宇宙建設でのデビュー時には、チップは特に高速ではありませんでしたが、さらに重要なことは、クロック周波数が低いため、プロセッサは安全でした。
放射線にさらされると、その粒子がプロセッサのキャッシュ メモリに保存されているデータを損傷する可能性があります。 これは非常に短いウィンドウで可能です。タイミングが遅いと大幅に減少します。つまり、より高速な回路はより多くの放射線にさらされます。 簡単に言えば、放射線は最終的にデータ ストレージに影響を与え、プロセッサ自体に損傷を与える可能性があります。 これは、宇宙ステーション、ロケット、または探査機の動作条件下では受け入れられません。 万ドルのプロジェクトにリスクを冒す人はいません。
また読む： 火星への植民地化を妨げるものは何ですか?
破壊放射線
かつては、ガリウム砒素などの材料を使用するなど、製造プロセス自体の変更によって放射線の影響が相殺されていました。 ただし、各変更には非常に費用がかかりました。 さらに、宇宙船用のシステムは、専門の工場で少量ずつ作成されます。 RHBD 技術を使用することによってのみ、標準的な CMOS プロセスを耐放射線性マイクロ回路の製造に使用することが可能になりました。 また、同じビットの つの同一のコピーを常に格納できるようにする三重冗長などの手法も使用されました。 必要な場合は、最適なものが選択されます。
宇宙船システムに対する放射線の破壊的な影響は、かつてロシアのフォボス・グルント計画の失敗を引き起こしました。 軍用機用に設計された WS512K32V20G24M チップは、宇宙線からの重イオンによって損傷を受けました。 過電流によりコンピューターが損傷し、セーフモードになりました。 通信の問題で再起動できず、探査機が大気圏に突入して燃焼した。
したがって、耐用年数の長いプロジェクトでは、非常に耐久性のあるブロックが使用されます。 たとえば、ハッブル望遠鏡には、クロック周波数が 8 MHz の 224 ビット Rockwell Autonetics DF-1,25 ユニットが最初に装備されていました。 これは悪い考えであることがすぐに明らかになり、NASA はチップを Intel のものに置き換えるプロセスを経なければなりませんでした。 1993 年に、望遠鏡は Intel 386 をサポートするように適合され、3 年のサービス ミッション 1999A の間に、DF-224 と Intel 386 チップのペアが Intel 486 チップに置き換えられました。
ここではすでに宇宙ステーションの例を挙げました。このような大規模で複雑な構造には、非常に効率的なシステムが搭載されている必要があると思われます。しかし、そうではありません。国際宇宙ステーション (ISS) のメイン コンピューターは、すでに述べた Intel 386 ブロックで動作することが知られており、基本的には 2015 台のコンピューターが 15 セット (ロシア人 40 人、アメリカ人 000 人) 使用されます。 年に冥王星付近を飛行し、カイパーベルトを目標とした、より新しい宇宙船ニューホライズンズも見てみましょう。クロック周波数 MHz の耐放射線性 Mongoose-V チップは、毎秒 サイクルの速度でタスクを実行でき、このデバイスの機能のほとんどを担っていました。そのパフォーマンスは、コンソールを実行するプロセッサのパフォーマンスに近いです。 PlayStation.
非常に近代的な宇宙船でさえ、設計者が数十年前のソリューションを使用していることがわかります。 最近、全世界が火星へのキュロシティローバーの着陸を見ました。 内部に、IBM PowerPC 750 チップの改良版である、わずか 200 MHz で動作する BAE RAD750 プロセッサが搭載されていることを想像した人はほとんどいなかったでしょう。 Apple、iMacシリーズからこのプロセッサを知っているかもしれません。 さらに、ニンテンドー Wii コンソールの効率の悪いマイクロプロセッサも使用していました。 放射線が増加した状態での動作要件に関連して、そのクロック周波数は倍以上減少しました。
Perseverance ローバーも 20 年以上前にリリースされたプロセッサで動作することは既に述べました。 言い換えれば、何も変わっておらず、数百万ドルの費用がかかる宇宙船は、前世紀にリリースされたマイクロプロセッサを使用しています. どんなに聞こえるかもしれませんが、それは本当です。
また読む： コンピューターのスペース。 5 つの最高の天文学アプリ
Crew Dragon、Falcon、Starlink を実行するソフトウェアとコンピューター
有名なCrew Dragon、Falcon、Starlinkの例を使用して、ソフトウェアとして使用されているものをより詳細に調べることにしました.
Crew Dragon宇宙船の名前を聞くと、多くの人が放送中に見たつのタッチスクリーンと青いコントロールインターフェースを思い浮かべます. ボタン、スイッチ、ジョイスティックの代わりにタッチスクリーンを使用して宇宙船を制御することの実現可能性については、まだ多くの議論があります。 SpaceX社 彼らの目標は、制御を必要としないように船を設計すると同時に、乗組員が常に可能な限り多くの情報にアクセスできるようにすることであったため、このオプションを選択しました。 船は完全に自律的であり、宇宙飛行士が制御しなければならないのは、オーディオ システムの音量など、キャビン内のシステムだけです。 宇宙飛行士による船の飛行とその最も重要なシステムの制御は、緊急の場合にのみ実行する必要があり、SpaceX は宇宙飛行士自身の助けを借りて、これらのタスクに最適なグラフィカル インターフェイスを開発しようとしました。
ただし、船の主要な機能は、ディスプレイの下にあるボタンを使用して制御できることに注意してください。 乗組員は、消火システムを起動し、大気圏再突入時にパラシュートを開き、ISS への飛行を中断し、軌道から緊急降下を開始し、搭載コンピューターをリセットし、その他の緊急タスクを実行することができます。 中央のディスプレイの下にあるレバーにより、宇宙飛行士は避難システムを起動できます。 また、ディスプレイを使用して入力したコマンドを開始およびキャンセルするボタンもあります。 そうすれば、宇宙飛行士がディスプレイでコマンドを実行して失敗した場合でも、ディスプレイの下のボタンを押すことでコマンドをキャンセルすることができます。 ディスプレイの明瞭さと制御性も振動条件下でテストされ、テストチームと宇宙飛行士は手袋と密閉された宇宙服を着て多数のテストを実施しました。
おそらく、ミサイルと船の制御システムにとって最も重要な要件は、もちろん信頼性です。 SpaceXロケットの場合、これはまず第一に、システムの冗長性、つまり、一緒に機能し、互いに複製および補完できるいくつかの同一のコンポーネントの使用により保証されます。 特に、Falcon 9 には合計 台の独立したオンボード コンピューターが搭載されています。 これらの各コンピューターは、ロケットのセンサーとシステムからデータを読み取り、必要な計算を実行し、その後の行動について決定を下し、それらの決定を行うためのコマンドを生成します。 台のコンピュータすべてが相互接続され、得られた結果が比較および分析されます。
コンピュータは、デュアルコア PowerPC プロセッサに基づいています。 ここでも、両方のコアが同じ計算を実行し、それらを相互に比較して、一貫性をチェックします。 したがって、ハードウェアの冗長性は 倍ですが、ソフトウェアの計算上の冗長性は 倍になります。 同時に、再起動などによって、障害のあるコンピューターを動作状態に戻すことができます。 メインのコンピューターに障害が発生すると、残りのコンピューターの つが引き継ぎます。
コンピューターやその他のシステムに問題が発生した場合、ミッションの運命は自律飛行安全システム (AFSS) の決定に左右されます。 これは完全に独立したオンボード コンピューター システムで、複数のマイクロコントローラー (小型コンピューター) のセットで動作し、センサーから同じデータ、計算結果、オンボード コンピューターからのコマンドを受け取り、飛行の安全なコースを制御します。
すべてのコンピューターが常に最も信頼性の高いデータを取得できるようにするために、ほとんどのセンサーは冗長化されており、このデータを読み取って搭載コンピューターに送信するコンピューターも同様です。 同様に、個々のミサイル サブシステム (エンジン、ラダー、操縦ノズルなど) を制御するコンピューターは、搭載されたコンピューター コマンドによって複製されます。 したがって、Falcon 9 は、少なくとも 30 台のコンピューターで構成されるツリー全体によって制御されます。 ツリーの最上部には、下位コンピュータのネットワークを管理するオンボード コンピュータがあります。 それぞれに、搭載されている各コンピュータとの独自の通信チャネルがあります。 したがって、すべてのチームが彼に回来ます。
しかし、ご覧のとおり、すべての搭載コンピューターは単純なマイクロチップに基づいており、最新のスーパーコンピューターのような洗練されたマイクロ回路ではありません。
また読む： 宇宙: 最も珍しい宇宙物体
宇宙チップの未来
比較的古いプロセッサを使用しているからといって、新しいプロセッサが作成されていないわけではありません。 それらを作成するプロセスが非常に難しく、多くの時間がかかるというだけです。 また、宇宙で使用されるすべての構造は、MIL-STD-883 クラスの要件を満たす必要があることも理解する必要があります。 これは、米国国防総省が開発した、熱、機械、電気、およびその他のチップ テストを含む 100 以上のテストに合格したことを意味します。 このテストに合格したプロセッサのほとんどは、シリコンウェーハの中央部分のみから作られています。 これは、ここでエッジ欠陥が発生する可能性が最も低いためです。
将来の宇宙船のプロジェクトのリストには、NASA が開発したシステムの HPSC シリーズが含まれています。 予想通り、プロセッサは 2023 年と 2024 年の変わり目に準備が整うはずです。 その性能は、現在宇宙船で使用されている最速のシステムの 100 倍以上になるはずです。 アメリカ人は、月と火星を征服するのに役立つチップの開発に注力しています。 しかし、これまでのところ、これらは単なるプロジェクトです。
オープンソースの SPARK アーキテクチャに基づくチップを長い間開発してきた欧州宇宙機関は、少し異なるアプローチをとっています。 そのような最新の製品は、LEON740FT ファミリーの GR4 モデルです。 ギガビット ネットワーク アダプターと 250 MB の L2 キャッシュを備えたこのクアッド コア 1000 MHz プロセッサは、無人宇宙船や人工衛星に適したプラットフォームとなるはずです。 科学者の計算によると、プロセッサの設計と特性は、300 年後でも正常な動作を保証するはずです。 科学者は、チップが 250 年動作した後にのみ、少なくとも 300 つのエラーが発生する可能性があることを保証しています。 同じ火星への飛行には約〜日かかり、これは便利な軌道に過ぎないため、これは宇宙船の強度と耐久性に対する自信を刺激します。 プローブは、宇宙を何年もさまようことがあります。
興味深い事実として、2017 年に HPE と NASA が、Intel Broadwell プロセッサーと高速 9 Gbit/のインターフェースが国際宇宙ステーションに到着しました。科学者の言うことを信じれば、その性能はわずか 40 TFLOPS でしたが、それでも宇宙条件としては十分な性能でした。
これは、地球外で使用するチップを設計することがいかに難しいか、そして少なくとも主流の家庭用 PC プロセッサに追いつくためにどれだけの作業を行う必要があるかを示しています。
しかし、科学者たちは、宇宙船の運用をサポートするだけでなく、宇宙放射線や放射線から確実に保護される最も強力なマイクロチップを開発するために多大な努力を払っています. 量子コンピューターが状況を変えるかもしれませんが、それはまた別の話です。
また読む：
オプトエレクトロニクス/量子コンピューター?
20 MHz は 20000000 秒あたり 20000 回の操作、20 は KHz です。
「このクアッドコア プロセッサは 250 MHz で動作し、ギガビット チップと 2 MB の L キャッシュを備えています。」
どんなチップ？
これは私の不注意です。 気づいてくれてありがとう。 ギガビットネットワークアダプターについてでした。 修正しました。
「皆さんの多くは、たとえば宇宙ステーションの制御に必要なリソースがいかに少ないかにおそらく驚かれるでしょう。」 - 現代のコンピューターが最も単純なタスクのいくつかにどれほど多くのリソースを消費するかは、むしろ驚くべきことです。 たとえば、インターネット上でページを開くには、宇宙ステーションを制御するよりも強力なプロセッサとより多くのメモリが必要です。