우주선에 20세기 프로세서가 장착된 이유

놀랍지만 현대 우주선에는 20세기에 개발된 구식 프로세서가 장착되어 있습니다. 이 기사에서는 이러한 상황의 원인이 무엇인지 알려 드리겠습니다.

우주선은 모든 종류의 전자 장치를 갖춘 놀라운 기술입니다. 물론 여기에는 장비가 매우 복잡한 계산을 수행할 수 있는 프로세서도 포함됩니다. 그러나 NASA 및 기타 우주 기관의 개발에 사용되는 칩은 종종 생산이 중단된 오래된 장치처럼 보일 수 있습니다.

프로세서에 대해 이야기할 때 데스크탑 컴퓨터의 블록이 바로 떠오를 것입니다. 많은 칩이 기술 산업에 영향을 미쳤습니다. 현재, 엄청난 컴퓨팅 파워를 가진 강력한 슈퍼컴퓨터가 이미 개발되었습니다. 우주 연구와 같은 복잡한 기술 분야에서 유사한 장비를 사용하는 것이 논리적일 것입니다. 우리 행성에서 수백만 킬로미터 떨어진 곳에서 달에 착륙하거나 우주선을 발사하고 조종하려면 확실히 많은 컴퓨팅 성능이 필요합니다. 그것은 사실이 아닌 것으로 밝혀졌으며 많은 사람들은 예를 들어 우주 정거장을 제어하는 ​​​​데 필요한 것이 거의 없다는 사실에 놀랄 것입니다. 그건 그렇고, 최근 레드 플래닛에 성공적으로 착륙한 새로운 Perseverance 로버는 750년 이상 전에 나온 iMac G750 컴퓨터의 심장인 PowerPC 3의 특별 버전인 RAD20 프로세서를 기반으로 합니다. . 또한 현재 화성에서 운영 중인 Ingenuity 헬리콥터에는 Snapdragon 801 프로세서가 장착되어 있으며, 가장 복잡한 컴퓨팅 작업을 수행하는 이 우주선은 "일반" 또는 심지어 오래된 마이크로프로세서에서 작동합니다. 그러나 이러한 상황은 앞으로도 변하지 않을 것입니다. NASA와 다른 우주 기관의 과학자들이 왜 그렇게 약한 SoC를 사용해야 하는지 알아보자.

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우주 프로세서는 놀라울 정도로 느립니다.

모든 사람에게 잘 알려져 있어야 하는 예부터 시작해 보겠습니다. 우리는 16년 1969월 11일에 일어난 사건에 대해 이야기하고 있습니다. 이날 아폴로 506호 임무의 일환으로 SA-4 발사체는 아폴로 우주선을 지구 대기권 밖으로 끌어냈습니다. 그리고 1966일 후, 미국의 우주비행사 버즈 올드린과 닐 암스트롱이 인류 역사상 처음으로 달 표면에 발을 디뎠습니다. 이 임무는 2,048년에 개발된 AGC(Apollo Guidance Computer)의 도움으로 성공적으로 수행되었습니다. 디자인은 컴퓨터 기술 측면에서 꽤 흥미롭지만, 이 장치의 기술적 특성을 살펴보면 임무가 전혀 성공했다는 사실에 놀랄 수밖에 없습니다. 생각해 보세요. 온보드 칩은 2048MHz의 클럭 주파수로 작동했고 RAM은 단어에 불과했습니다. 네, 바로 그 단어입니다. 즉, 지금은 정말 믿기지 않는 것처럼 보이지만 당시에는 가장 현대적인 컴퓨터 중 하나였습니다.

가정용 컴퓨터가 유사한 성능을 제공했다는 점은 주목할 가치가 있습니다. Apple II, 몇 년 후에 출시되었습니다. 즉, 그 당시 우주선은 시대를 앞서는 기술 장비를 가지고 있었습니다.

그러나 이러한 상황은 특정 시점까지 지속되었으며 더 효율적인 장치가 반드시 최상의 솔루션이 아니며 때로는 더 위험할 수 있다는 것이 금세 명확해졌습니다. 우주 전자의 역사에서 전환점은 우주선의 정확한 값과 그것이 기술에 미치는 영향을 결정하는 것이었습니다. 그러나 방사선은 프로세서 자체에 어떤 영향을 미칩니까?

간단한 온보드 컴퓨터가 장착된 쌍둥이자리 우주선이 우주로 발사되었을 때 우주선을 만드는 데 사용된 기술은 오늘날까지 매우 원시적이었습니다. 그러나 우주에서는 큰 이점으로 판명되었습니다.

요즘에는 새로운 프로세서를 만들 때 더 현대적인 기술 프로세스가 사용되므로 7nm 리소그래피로 만든 미세한 프로세서를 쉽게 구입할 수 있습니다. 칩이 작을수록 켜고 끄는 데 필요한 전압이 줄어듭니다. 우주에서 이것은 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 사실은 방사선 입자의 영향으로 트랜지스터의 상태가 계획되지 않은 전환 가능성이 있다는 것입니다. 이로 인해 후자가 가장 예기치 않은 순간에 작동을 멈추거나 그러한 프로세서를 사용하여 수행된 계산이 정확하지 않을 수 있습니다. 그리고 우주에서 이것은 용납할 수 없으며 비극적인 결과를 초래할 수 있습니다.

흥미로운 예는 예를 들어 소위 유리 캐빈을 제어하는 ​​Intel 386SX 프로세서(Intel 80386의 축소 버전)입니다. 약 20MHz의 클럭 속도로 실행되었으며, 이는 초당 20사이클의 작업을 수행할 수 있음을 의미합니다. 이미 우주 건설에 데뷔했을 때 칩의 속도는 특별히 빠르지 않았지만 더 중요한 것은 낮은 클럭 주파수 덕분에 프로세서가 안전했다는 것입니다.

방사선에 노출되면 입자가 프로세서의 캐시 메모리에 저장된 데이터를 손상시킬 수 있습니다. 이것은 매우 짧은 창에서 가능합니다. 낮은 타이밍은 이를 크게 감소시키며, 이는 더 빠른 회로가 더 많은 방사선에 노출된다는 것을 의미합니다. 간단히 말해서, 방사선은 결국 데이터 저장에 영향을 미치고 프로세서 자체를 손상시킬 수 있습니다. 이것은 우주 정거장, 발사체 또는 탐사선의 작동 조건에서는 허용되지 않습니다. 아무도 백만 달러 프로젝트를 위험에 빠뜨리지 않을 것입니다.

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파괴 방사선

한때 방사선의 영향은 생산 공정 자체의 변화로 보상되었습니다. 예를 들어 갈륨 비소와 같은 재료가 사용되었습니다. 그러나 각 수정은 매우 비쌌습니다. 또한 우주 차량용 시스템은 전문 공장에서 소량으로 생성됩니다. RHBD 기술의 사용만이 내방사선성 미세회로 생산에 표준 CMOS 공정을 사용하는 것을 가능하게 했습니다. 또한 동일한 비트의 동일한 복사본 개를 항상 저장할 수 있도록 하는 중 중복과 같은 기술도 사용되었습니다. 필요할 때 가장 좋은 것이 선택됩니다.

우주선 시스템에 대한 방사선의 파괴적인 영향은 한때 러시아 포보스-그룬트 임무의 실패를 초래했습니다. 군용 항공기용으로 설계된 WS512K32V20G24M 칩이 우주선의 중이온에 손상을 입었다. 과도한 전류로 인해 컴퓨터가 손상되어 안전 모드로 들어갔습니다. 통신 문제로 인해 재가동이 불가능하여 탐사선이 대기권으로 진입하여 연소되었습니다.

따라서 수명이 긴 프로젝트의 경우 내구성이 뛰어난 블록이 사용됩니다. 예를 들어, 허블 망원경에는 원래 8MHz의 클록 주파수를 가진 224비트 Rockwell Autonetics DF-1,25 장치가 장착되어 있었습니다. 이것이 잘못된 생각이라는 것이 곧 밝혀졌고 NASA는 칩을 Intel 칩으로 교체하는 과정을 거쳐야 했습니다. 1993년 망원경은 Intel 386을 지원하도록 개조되었으며 3년 서비스 임무 1999A 동안 DF-224 및 Intel 386 칩 쌍이 Intel 486 칩으로 교체되었습니다.

우리는 이미 여기서 우주 정거장의 예를 들었습니다. 이렇게 크고 복잡한 구조에는 매우 효율적인 시스템이 탑재되어야 할 것 같습니다. 그러나 이는 사실이 아니다. 국제우주정거장(ISS)의 메인 컴퓨터는 이미 언급한 인텔 386 블록에서 구동되는 것으로 알려져 있는데, 기본적으로 러시아 컴퓨터 2015대, 미국 컴퓨터 15대 등 40대의 컴퓨터 000세트가 사용된다. 또한 년에 명왕성을 지나 카이퍼 벨트를 표적으로 삼은 훨씬 새로운 뉴 호라이즌스 우주선도 살펴보겠습니다. 클럭 주파수가 MHz이고 초당 사이클의 속도로 작업을 수행할 수 있는 내방사선 Mongoose-V 칩이 이 장치의 대부분의 기능을 담당했습니다. 성능은 콘솔이 실행되는 프로세서의 성능에 가깝습니다. PlayStation.

매우 현대적인 우주선을 보면 설계자들이 수십 년이 지난 솔루션을 사용하고 있음을 알 수 있습니다. 최근 전 세계가 큐로시티 탐사선이 화성에 착륙하는 것을 지켜봤다. 내부에 IBM PowerPC 750 칩의 개선된 버전인 200MHz로 클럭되는 BAE RAD750 프로세서가 있다고 추측한 사람은 거의 없었을 것입니다. Apple, 이 프로세서는 iMac 시리즈에서 알 수 있습니다. 또한 Nintendo Wii 콘솔의 덜 효율적인 마이크로프로세서도 사용했습니다. 방사선 증가 조건에서의 작동 요구 사항과 관련하여 클록 주파수가 배 이상 감소했습니다.

우리는 이미 Perseverance 로버가 20년 이상 전에 출시된 프로세서에서 실행된다고 언급했습니다. 즉, 변한 것은 아무것도 없으며 수백만 달러의 비용이 드는 우주선은 지난 세기에 출시된 마이크로 프로세서를 사용하고 있습니다. 어떻게 들릴지 모르지만 사실입니다.

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Crew Dragon, Falcon 및 Starlink를 실행하는 소프트웨어 및 컴퓨터

우리는 유명한 Crew Dragon, Falcon 및 Starlink의 예를 사용하여 소프트웨어로 사용되는 것을 더 자세히 알아보기로 결정했습니다.

크루 드래곤 우주선의 이름을 들으면 많은 사람들이 방송 중에 본 개의 터치스크린과 파란색 제어 인터페이스를 떠올립니다. 버튼, 스위치 및 조이스틱 대신 터치 스크린을 사용하여 우주선을 제어하는 ​​​​가능성에 대해 여전히 많은 논쟁이 있습니다. 스페이스 엑스 이 옵션을 선택한 이유는 그들의 목표가 제어가 필요하지 않고 동시에 승무원이 가능한 한 많은 정보에 항상 접근할 수 있는 방식으로 배를 설계하는 것이었기 때문입니다. 우주선은 완전히 자율적이며 우주 비행사가 제어해야 하는 유일한 것은 오디오 시스템의 볼륨과 같은 내부 객실 시스템으로 제한됩니다. 우주 비행사에 의한 우주선 및 가장 중요한 시스템의 비행 제어는 비상 상황에서만 수행되어야 하며 SpaceX는 이러한 작업에 가장 적합한 그래픽 인터페이스를 개발하기 위해 우주 비행사 자체의 도움을 받아 시도했습니다.

그러나 선박의 주요 기능은 디스플레이 아래에 있는 버튼을 사용하여 제어할 수 있습니다. 승무원은 소화 시스템을 시작하고 대기권 재진입 시 낙하산을 열고 ISS로의 비행을 중단하고 궤도에서 비상 하강을 시작하고 온보드 컴퓨터를 재설정하고 기타 비상 작업을 수행할 수 있습니다. 중앙 디스플레이 아래에 있는 레버를 사용하면 우주비행사들이 대피 시스템을 시작할 수 있습니다. 또한 디스플레이를 사용하여 입력한 명령을 시작 및 취소하는 버튼도 있습니다. 그렇게 하면 우주 비행사가 디스플레이에서 명령을 실행하고 실패하더라도 디스플레이 아래에 있는 버튼을 눌러 명령을 취소할 수 있습니다. 디스플레이의 선명도와 제어 가능성도 진동 조건에서 테스트되었으며 테스트 팀과 우주 비행사는 장갑과 밀폐된 우주복을 입고 수많은 테스트를 수행했습니다.

아마도 미사일 및 선박 제어 시스템의 가장 중요한 요구 사항은 물론 신뢰성일 것입니다. SpaceX 로켓의 경우 우선 시스템 중복성, 즉 함께 작동하고 서로 복제하고 보완할 수 있는 여러 동일한 구성 요소를 사용하기 때문에 이것이 보장됩니다. 특히 Falcon 9에는 총 개의 개별 온보드 컴퓨터가 있습니다. 이들 각각의 컴퓨터는 로켓의 센서와 시스템에서 데이터를 읽고, 필요한 계산을 수행하고, 추가 조치에 대한 결정을 내리고 이러한 결정을 내리기 위한 명령을 생성합니다. 세 대의 컴퓨터는 모두 서로 연결되어 있으며 얻은 결과를 비교 분석합니다.

컴퓨터는 듀얼 코어 PowerPC 프로세서를 기반으로 합니다. 다시 말하지만 두 코어는 동일한 계산을 수행하고 서로 비교하고 일관성을 확인합니다. 따라서 하드웨어 중복성은 배인 반면 소프트웨어 계산 중복성은 배입니다. 동시에 재부팅과 같이 결함이 있는 컴퓨터를 작동 상태로 되돌릴 수 있습니다. 주 컴퓨터에 장애가 발생하면 나머지 컴퓨터 중 하나가 인계받습니다.

컴퓨터나 기타 시스템에 문제가 발생할 경우 임무의 운명은 자율 비행 안전 시스템(AFSS)의 결정에 달려 있습니다. 이것은 여러 마이크로 컨트롤러(소형 컴퓨터) 세트에서 작동하는 완전히 독립적인 온보드 컴퓨터 시스템으로, 센서에서 동일한 데이터, 계산 결과 및 온보드 컴퓨터에서 명령을 수신하고 안전한 비행 경로를 제어합니다.

모든 컴퓨터가 항상 가장 신뢰할 수 있는 데이터를 갖도록 하기 위해 대부분의 센서는 이 데이터를 읽고 온보드 컴퓨터로 보내는 컴퓨터와 마찬가지로 중복됩니다. 같은 방식으로 개별 미사일 하위 시스템(엔진, 방향타, 조종 노즐 등)을 제어하는 ​​컴퓨터는 온보드 컴퓨터 명령에 의해 복제됩니다. 따라서 Falcon 9는 최소 30대의 컴퓨터로 구성된 전체 트리에 의해 제어됩니다. 트리 맨 위에는 하위 컴퓨터의 네트워크를 관리하는 온보드 컴퓨터가 있습니다. 각각은 개별적으로 각 온보드 컴퓨터와 자체 통신 채널을 가지고 있습니다. 그래서 모든 팀이 그에게 세 번 옵니다.

그러나 보시다시피 모든 온보드 컴퓨터는 현대 슈퍼컴퓨터의 정교한 마이크로 회로가 아니라 단순한 마이크로칩을 기반으로 합니다.

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우주 칩의 미래

비교적 오래된 프로세서를 사용한다고 해서 새 프로세서가 생성되지 않는 것은 아닙니다. 다만 그것을 만드는 과정이 매우 어렵고 시간이 많이 걸린다는 점이다. 또한 우주에서 사용되는 모든 구조는 MIL-STD-883 클래스의 요구 사항을 충족해야 합니다. 이는 열, 기계, 전기 및 기타 칩 테스트를 포함하여 미 국방부에서 개발한 100개 이상의 테스트를 통과함을 의미합니다. 이 테스트를 통과한 대부분의 프로세서는 실리콘 웨이퍼의 중앙 부분에서만 만들어집니다. 이것은 가장자리 결함이 발생할 가능성이 가장 적기 때문입니다.

미래 우주선을 위한 프로젝트 목록에는 무엇보다도 NASA에서 개발한 HPSC 시스템 시리즈가 포함됩니다. 예상대로 프로세서는 2023년과 2024년에 준비될 것입니다. 그들의 성능은 현재 우주선에서 사용되는 가장 빠른 시스템보다 100배 이상 높아야 합니다. 미국인들은 달과 화성을 정복하는 데 도움이 될 수 있는 칩 개발에 집중하고 있습니다. 그러나 지금까지 이것들은 프로젝트일 뿐입니다.

오랫동안 오픈소스 SPARK 아키텍처를 기반으로 칩을 개발해 온 유럽우주국(European Space Agency)은 조금 다른 접근 방식을 취하고 있다. 이러한 최신 제품은 LEON740FT 제품군의 GR4 모델입니다. 기가비트 네트워크 어댑터와 250MB의 L2 캐시가 장착된 이 쿼드 코어 1000MHz 프로세서는 무인 우주선과 위성에 적합한 플랫폼이어야 합니다. 과학자들의 계산에 따르면 프로세서의 설계와 특성은 300년 후에도 정상적인 작동을 보장해야 합니다. 과학자들은 칩이 250년 동안 작동한 후에야 적어도 하나의 오류가 발생할 수 있다고 보장합니다. 같은 화성으로 가는 데 약 300-일이 걸리고 이것은 편리한 궤적일 뿐이기 때문에 이것은 우주선의 강도와 내구성에 대한 확신을 불러일으킵니다. 탐사선은 때때로 몇 년 동안 우주를 떠돌아다닙니다.

흥미로운 사실은 2017년 HPE와 NASA가 SpaceX Falcon 9 로켓에 탑재된 최초의 상업용 고성능 컴퓨터를 출시했다는 점을 언급할 가치가 있습니다. Intel Broadwell 프로세서와 빠른 40Gbit/ 인터페이스가 국제 우주 정거장에 도착했습니다. 과학자들이 믿는다면 그 성능은 56 TFLOPS에 불과했지만 우주 조건에서는 여전히 많은 수준이었습니다.

이것은 지구 밖에서 사용할 칩을 설계하는 것이 얼마나 어려운지, 그리고 최소한 주류 가정용 PC 프로세서를 따라잡기 위해 얼마나 많은 작업이 필요한지를 보여줍니다.

그러나 과학자들은 우주선의 작동을 지원할 뿐만 아니라 우주 방사선 및 방사선으로부터 안정적으로 보호되는 가장 강력한 마이크로칩을 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다. 양자 컴퓨터가 상황을 바꿀 수도 있지만 그건 다른 이야기입니다.

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