Ceturtdiena, 28. gada 2024. marts

darbvirsmas v4.2.1

Root NationRakstiTehnoloģijasKāpēc kosmosa kuģi ir aprīkoti ar 20. gadsimta procesoriem

Kāpēc kosmosa kuģi ir aprīkoti ar 20. gadsimta procesoriem

-

Tas ir pārsteidzoši, bet mūsdienu kosmosa kuģi ir aprīkoti ar novecojušiem procesoriem, kas tika izstrādāti tālajā 20. gadsimtā. Šajā rakstā mēs jums pateiksim, kāds ir šāda stāvokļa iemesls.

Kosmosa kuģi ir īsti tehnoloģiju brīnumi, kas aprīkoti ar visa veida elektroniku. Protams, tas ietver arī procesorus, pateicoties kuriem iekārta var veikt ļoti sarežģītus aprēķinus. Tomēr NASA un citu kosmosa aģentūru izstrādē izmantotās mikroshēmas bieži var izskatīties kā novecojušas ierīces, kuras jau sen vairs netiek ražotas.

kosmosa kuģu procesori

Kad mēs runājam par procesoru, iespējams, uzreiz nāk prātā mūsu galddatoru bloki. Daudzas mikroshēmas ir ietekmējušas tehnoloģiju nozari. Šobrīd jau ir izstrādāti jaudīgi superdatori ar milzīgu skaitļošanas jaudu. Būtu loģiski izmantot līdzīgas iekārtas tik sarežģītā tehnoloģiskā jomā kā kosmosa izpēte. Nolaišanās uz Mēness vai kosmosa zondes palaišana un manevrēšana miljoniem kilometru attālumā no mūsu planētas noteikti prasa lielu skaitļošanas jaudu. Izrādās, ka tas tā nav, un daudzi no jums, iespējams, būs pārsteigti par to, cik maz ir nepieciešams, lai vadītu, piemēram, kosmosa staciju. Starp citu, jaunais Perseverance rover, kas nesen veiksmīgi nolaidās uz Sarkanās planētas, ir balstīts uz RAD750 procesoru, kas ir īpaša PowerPC 750 versija - pirms vairāk nekā 3 gadiem iznākušo iMac G20 datoru sirds. . Un Ingenuity helikopters, kas arī šobrīd darbojas uz Marsa, ir aprīkots ar procesoru Snapdragon 801. Šie kosmosa kuģi, veicot vissarežģītākās skaitļošanas operācijas, strādā uz tādiem "parastiem" vai pat novecojušiem mikroprocesoriem. Taču šis stāvoklis diez vai mainīsies pat nākotnē. Noskaidrosim, kāpēc NASA un citu kosmosa aģentūru zinātnieki ir spiesti izmantot tik vājus SoC.

Lasi arī: Marsa terraformēšana: vai Sarkanā planēta varētu pārvērsties par jaunu Zemi?

Kosmosa procesori ir pārsteidzoši lēni

Sāksim ar piemēru, kas būtu labi zināms visiem. Mēs runājam par notikumu, kas notika 16. gada 1969. jūlijā. Šajā dienā Apollo 11 misijas ietvaros nesējraķete SA-506 izņēma kosmosa kuģi Apollo no Zemes atmosfēras. Un 4 dienas vēlāk amerikāņu astronauti Buzs Oldrins un Nīls Ārmstrongs pirmo reizi cilvēces vēsturē spēra kāju uz Mēness virsmas. Misija tika veiksmīgi īstenota ar AGC (Apollo Guidance Computer) palīdzību, kas tika izstrādāta 1966. gadā. Dizains bija diezgan interesants no datortehnoloģiju viedokļa, taču, aplūkojot šīs ierīces tehniskos parametrus, var tikai brīnīties, ka misija vispār izdevās. Iedomājieties, ka iebūvētā mikroshēma darbojās tikai ar 2,048 MHz takts frekvenci, un tās operatīvā atmiņa bija tikai 2048 vārdi. Jā, tieši vārdi. Tas ir, tagad tas šķiet vienkārši neticami, bet tajā laikā tas bija viens no modernākajiem datoriem.

Kosmosa profesionāliscessor

Ir vērts atzīmēt, ka mājas dators piedāvāja līdzīgu veiktspēju Apple II, atbrīvots dažus gadus vēlāk. Citiem vārdiem sakot, tajā laikā kosmosa kuģim bija tehniskais aprīkojums, kas apsteidza savu laiku.

Tomēr šāds stāvoklis ilga līdz noteiktam brīdim, ātri kļuva skaidrs, ka efektīvāka ierīce ne vienmēr ir labākais risinājums un dažreiz tas var būt bīstamāks. Kosmosa elektronikas vēsturē pagrieziena punkts bija precīzu kosmiskā starojuma vērtību noteikšana un tā ietekme uz tehnoloģijām. Bet kā starojums ietekmē pašu procesoru?

Kosmosa profesionāliscessor

- Reklāma -

Kad kosmosa kuģis Gemini, kas aprīkots ar vienkāršu borta datoru, tika palaists kosmosā, tā radīšanai izmantotās tehnoloģijas jau šodien bija ārkārtīgi primitīvas. Tomēr kosmosā tā izrādījās liela priekšrocība.

Mūsdienās, veidojot jaunus procesorus, tiek izmantoti mūsdienīgāki tehnoloģiskie procesi, tagad bez problēmām varam iegādāties, praktiski, mikroskopiskus procesorus, kas izgatavoti pēc 7nm litogrāfijas. Jo mazāka ir mikroshēma, jo mazāks spriegums ir nepieciešams, lai to ieslēgtu un izslēgtu. Kosmosā tas var radīt nopietnas problēmas. Fakts ir tāds, ka starojuma daļiņu ietekmē pastāv iespēja neplānoti pārslēgt stāvokli, kurā būs tranzistors. Tas savukārt var likt pēdējam pārstāt darboties visnegaidītākajā brīdī vai arī aprēķini, kas veikti, izmantojot šādu procesoru, būs neprecīzi. Un kosmosā tas ir nepieņemami un var izraisīt traģiskas sekas.

Interesants piemērs ir, piemēram, Intel 386SX procesors (samazināta Intel 80386 versija), kas kontrolēja tā saukto stikla kabīni. Tas darbojās ar aptuveni 20 MHz takts frekvenci, kas nozīmē, ka tas varēja veikt uzdevumus ar 20 000 cikliem sekundē. Jau debijas laikā kosmosa būvniecībā mikroshēmai nebija īpaši liela ātruma, bet vēl svarīgāk, pateicoties zemajai takts frekvencei, procesors bija drošs.

Kosmosa profesionāliscessor

Pakļaujot starojumam, tā daļiņas var sabojāt procesora kešatmiņā saglabātos datus. Tas ir iespējams ļoti īsā laikā – zems laiks to ievērojami samazina, kas nozīmē, ka ātrākas ķēdes ir vairāk pakļautas starojumam. Vienkārši sakot, starojums galu galā var ietekmēt datu glabāšanu un sabojāt pašu procesoru. Tas ir nepieņemami kosmosa stacijas, nesējraķetes vai zondes darbības apstākļos. Neviens neriskēs ar miljonu vērtu projektu.

Lasi arī: Kas var neļaut mums kolonizēt Marsu?

Iznīcinošais starojums

Savulaik radiācijas ietekmi kompensēja izmaiņas pašā ražošanas procesā, piemēram, tika izmantoti tādi materiāli kā gallija arsenīds. Tomēr katra modifikācija bija ļoti dārga. Turklāt nelielos daudzumos specializētās rūpnīcās tiek radītas sistēmas kosmosa transportlīdzekļiem. Tikai RHBD tehnoloģijas izmantošana ļāva izmantot standarta CMOS procesu radiāciju izturīgu mikroshēmu ražošanā. Tika izmantotas arī tādas metodes kā trīskāršā dublēšana, kas ļauj visu laiku saglabāt trīs identiskas viena bita kopijas. Kad tie ir nepieciešami, tiek izvēlēts labākais.

kosmosa kuģu procesoriRadiācijas postošā ietekme uz kosmosa kuģu sistēmām savulaik izraisīja Krievijas Phobos-Grunt misijas neveiksmi. Mikroshēmu WS512K32V20G24M, kas paredzēta militārajām lidmašīnām, sabojāja kosmisko staru smagie joni. Pārmērīga strāva sabojāja datoru, un tas pārgāja drošajā režīmā. Sakaru problēmu dēļ restartēšana nebija iespējama, kas noveda pie zondes nokļūšanas atmosfērā un tās sadegšanas.

Kosmosa profesionāliscessorTāpēc projektiem ar ilgu kalpošanas laiku tiek izmantoti patiešām izturīgi bloki. Piemēram, Habla teleskops sākotnēji bija aprīkots ar 8 bitu Rockwell Autonetics DF-224 bloku ar takts frekvenci 1,25 MHz. Drīz vien kļuva skaidrs, ka tā bija slikta ideja, un NASA bija jānomaina mikroshēma pret Intel. 1993. gadā teleskops tika pielāgots Intel 386 atbalstam, un servisa misijas 3A laikā 1999. gadā DF-224 un Intel 386 mikroshēmu pāris tika aizstāti ar Intel 486 mikroshēmu.

Kosmosa profesionāliscessor

Šeit mēs jau esam snieguši kosmosa stacijas piemēru. Šķiet, ka tik lielai un sarežģītai struktūrai vajadzētu būt ļoti efektīvai sistēmai. Tomēr tas tā nav. Zināms, ka Starptautiskajā kosmosa stacijā (SKS) galvenais dators darbojas uz jau pieminētā Intel bloka 386. Pamatā tiek izmantoti divi trīs datoru komplekti - viens krievu un amerikāņu. Apskatīsim arī daudz jaunāko kosmosa kuģi New Horizons, kas 2015. gadā lidoja ar Plutonu un mērķēja uz Kuipera jostu. Radiācijas izturīga Mongoose-V mikroshēma ar takts frekvenci 15 MHz, kas spēj veikt uzdevumus ar ātrumu 40 000 ciklu sekundē, bija atbildīga par lielāko daļu šīs ierīces funkciju. Tā veiktspēja ir tuvu tā procesora veiktspējai, kurā darbojas konsole PlayStation.

Kosmosa profesionāliscessorAplūkojot pat ļoti modernus kosmosa kuģus, redzam, ka dizaineri izmanto risinājumus, kas bieži vien ir vairākus gadu desmitus veci. Nesen visa pasaule vēroja lidmašīnu Curosity nolaišanos uz Marsa. Tikai daži būtu uzminējuši, ka iekšpusē atradās BAE RAD750 procesors, kura takts frekvence ir tikai 200 MHz, uzlabota IBM PowerPC 750 mikroshēmas versija. Ja jums kādreiz ir bijis dators Apple, jūs, iespējams, pazīstat šo procesoru no iMac sērijas. Turklāt tajā tika izmantots arī mazāk efektīvais mikroprocesors no Nintendo Wii konsoles. Saistībā ar ekspluatācijas prasībām paaugstināta starojuma apstākļos tā takts frekvence ir samazināta vairāk nekā trīs reizes.

Kosmosa profesionāliscessor

Jau minējām, ka Perseverance rover darbojas arī ar procesoru, kas tika izlaists pirms vairāk nekā 20 gadiem. Citiem vārdiem sakot, nekas nav mainījies, un kosmosa kuģi, kas maksā miljoniem dolāru, izmanto mikroprocesorus, kas tika izlaisti pagājušajā gadsimtā. Neatkarīgi no tā, kā tas izklausās, bet tā ir patiesība.

Lasi arī: Vieta jūsu datorā. 5 labākās astronomijas lietotnes

- Reklāma -

Programmatūra un datori, kuros darbojas Crew Dragon, Falcon un Starlink

Mēs nolēmām sīkāk noskaidrot, kas tiek izmantots kā programmatūra, izmantojot slaveno Crew Dragon, Falcon un Starlink piemēru.

Kad mēs dzirdam kosmosa kuģa Crew Dragon nosaukumu, daudzi cilvēki domā par trim skārienekrāniem un zilu vadības interfeisu, ko redzējām raidījumu laikā. Joprojām ir daudz diskusiju par iespējamību kontrolēt kosmosa kuģi, izmantojot skārienekrānus, nevis pogas, slēdžus un kursorsviras. SpaceX izvēlējās šo iespēju, jo viņu mērķis bija konstruēt kuģi tā, lai tas neprasītu nekādu kontroli un tajā pašā laikā apkalpei vienmēr būtu pieejams pēc iespējas vairāk informācijas. Kuģis ir pilnībā autonoms, un vienīgais, kas astronautiem jākontrolē, ir tikai iekšējās salona sistēmas, piemēram, audio sistēmas skaļums. Kuģa un tā svarīgāko sistēmu lidojuma kontrole astronautiem būtu jāveic tikai ārkārtas gadījumos, un SpaceX ar pašu astronautu palīdzību mēģināja izstrādāt vislabāko grafisko saskarni šiem uzdevumiem.

Kosmosa profesionāliscessor

Tomēr jāņem vērā, ka kuģa galvenās funkcijas var vadīt, izmantojot pogas, kas atrodas zem displeja. Apkalpei ir iespēja iedarbināt ugunsdzēsības sistēmu, atvērt izpletņus, atkārtoti ieejot atmosfērā, pārtraukt lidojumu uz SKS, sākt avārijas nolaišanos no orbītas, atiestatīt borta datorus un veikt citus ārkārtas uzdevumus. Svira zem vidējā displeja ļauj astronautiem iedarbināt evakuācijas sistēmu. Viņiem ir arī pogas, kas sāk un atceļ komandas, kas ievadītas, izmantojot displejus. Tādā veidā, ja astronauts izpilda komandu displejā un tā neizdodas, viņam joprojām ir iespēja atcelt komandu, nospiežot pogu zem displeja. Displeju skaidrība un vadāmība tika pārbaudīta arī vibrācijas apstākļos, un testa komandas un astronauti veica daudzus testus cimdos un aizzīmogotos skafandros.

Iespējams, vissvarīgākā prasība raķešu un kuģu vadības sistēmai, protams, ir uzticamība. SpaceX raķešu gadījumā tas tiek nodrošināts, pirmkārt, sistēmas dublēšanas dēļ, tas ir, vairāku identisku komponentu izmantošanas dēļ, kas darbojas kopā un var dublēt un papildināt viens otru. Jo īpaši Falcon 9 kopumā ir trīs atsevišķi borta datori. Katrs no šiem datoriem nolasa datus no raķetes sensoriem un sistēmām, veic nepieciešamos aprēķinus, pieņem lēmumus par turpmākajām darbībām un ģenerē komandas šo lēmumu pieņemšanai. Visi trīs datori ir savstarpēji savienoti, un iegūtie rezultāti tiek salīdzināti un analizēti.

Kosmosa profesionāliscessor

Datoru pamatā ir divkodolu PowerPC procesori. Atkal abi serdeņi veic tos pašus aprēķinus, salīdzina tos savā starpā un pārbauda konsekvenci. Tādējādi, lai gan aparatūras dublēšana ir trīskārša, programmatūras skaitļošanas dublēšana ir seškārtīga. Tajā pašā laikā jūs varat atgriezt bojātu datoru darba stāvoklī, piemēram, pārstartējot. Ja galvenais dators neizdodas, viens no atlikušajiem datoriem pārņem darbu.

Ja rodas problēmas ar datoriem vai citām sistēmām, misijas liktenis ir atkarīgs no Autonomās lidojumu drošības sistēmas (AFSS) lēmuma. Šī ir pilnīgi neatkarīga borta datorsistēma, kas darbojas uz vairāku mikrokontrolleru (mazo datoru) komplekta, saņem vienādus datus no sensoriem, aprēķinu rezultātus un komandas no borta datoriem un kontrolē drošu lidojuma gaitu.

Kosmosa profesionāliscessor

Lai nodrošinātu, ka visos datoros vienmēr ir iespējami ticamākie dati, lielākā daļa sensoru ir lieki, tāpat kā datori, kas nolasa šos datus un pēc tam nosūta tos borta datoriem. Tādā pašā veidā datori, kas kontrolē atsevišķas raķešu apakšsistēmas (dzinējus, stūres, manevrēšanas sprauslas utt.), tiek dublēti ar borta datora komandām. Tādējādi Falcon 9 kontrolē vesels koks, kas sastāv no vismaz 30 datoriem. Koka augšdaļā atrodas borta datori, kas pārvalda pakārtoto datoru tīklu. Katram ir savs sakaru kanāls ar katru borta datoru atsevišķi. Tātad visas komandas pie viņa nāk trīs reizes.

Kosmosa profesionāliscessor

Bet, kā redzat, visi borta datori ir balstīti uz vienkāršām mikroshēmām, nevis modernu superdatoru izsmalcinātām mikroshēmām.

Lasi arī: Visums: visneparastākie kosmosa objekti

Kosmosa mikroshēmu nākotne

Salīdzinoši vecu procesoru izmantošana nenozīmē, ka netiek radīti jauni. Vienkārši to izveides process ir ļoti grūts un aizņem daudz laika. Tāpat jāsaprot, ka katrai konstrukcijai, kas tiks izmantota kosmosā, jāatbilst MIL-STD-883 klases prasībām. Tas nozīmē vairāk nekā 100 ASV Aizsardzības departamenta izstrādāto testu nokārtošanu, tostarp termisko, mehānisko, elektrisko un citu mikroshēmu testu. Lielākā daļa procesoru, kas izturēja šo pārbaudi, ir izgatavoti tikai no silīcija vafeles centrālās daļas. Tas ir tāpēc, ka tieši šeit malu defektu rašanās iespējamība ir vismazākā.

Kosmosa profesionāliscessorNākotnes kosmosa kuģu projektu sarakstā cita starpā ir iekļauta NASA izstrādātā HPSC sistēmu sērija. Kā paredzēts, procesoriem vajadzētu būt gataviem 2023. un 2024. gada mijā. To veiktspējai vajadzētu būt vairāk nekā 100 reižu lielākai nekā ātrākajām sistēmām, ko pašlaik izmanto kosmosa kuģos. Amerikāņi ir koncentrējušies uz mikroshēmu izstrādi, kas var palīdzēt iekarot Mēnesi un Marsu. Bet pagaidām tie ir tikai projekti.

Eiropas Kosmosa aģentūra, kas jau ilgu laiku ir izstrādājusi mikroshēmas, kuru pamatā ir atvērtā pirmkoda SPARK arhitektūra, izmanto nedaudz atšķirīgu pieeju. Jaunākais šāds produkts ir LEON740FT saimes modelis GR4. Šim četrkodolu 250 MHz procesoram, kas aprīkots ar gigabitu tīkla adapteri un 2 MB L1000 kešatmiņu, vajadzētu būt piemērotai platformai bezpilota kosmosa kuģiem un satelītiem. Pēc zinātnieku aprēķiniem, procesora konstrukcijai un īpašībām būtu jāgarantē tā normāla darbība arī pēc 300 gadiem. Zinātnieki garantē, ka tikai pēc 250 mikroshēmas darbības gadiem var rasties vismaz viena kļūda. Tas vieš pārliecību par kosmosa kuģu spēku un izturību, jo lidojums uz to pašu Marsu ilgs aptuveni 300-XNUMX dienas, un tā ir tikai ērta trajektorija. Zondes dažkārt klīst kosmosā gadiem ilgi.

Kosmosa profesionāliscessor

Kā interesantu faktu ir vērts pieminēt, ka 2017. gadā HPE un NASA palaida pirmo komerciālo augstas veiktspējas datoru uz raķetes SpaceX Falcon 9. Divu ligzdu HPE Apollo 40 serveris ar Intel Broadwell procesoriem un ātru 56 Gbit/ s interfeiss ieradās Starptautiskajā kosmosa stacijā. Ja var ticēt zinātniekiem, tā veiktspēja bija tikai 1 TFLOPS, taču kosmosa apstākļiem tas joprojām bija daudz.

Kosmosa profesionāliscessor

Tas parāda, cik grūti ir izstrādāt mikroshēmas lietošanai ārpus mūsu planētas, un cik daudz darba ir jādara, lai panāktu vismaz galvenos mājas datoru procesorus.

Taču zinātnieki pieliek lielas pūles, lai izstrādātu visspēcīgākās mikroshēmas, kas ne tikai atbalstīs kosmosa kuģu darbību, bet arī būs droši aizsargātas no kosmosa starojuma un starojuma. Varbūt kvantu datori situāciju mainīs, bet tas ir cits stāsts.

Lasi arī:

Yuri Svitlyk
Yuri Svitlyk
Karpatu kalnu dēls, neatzīts matemātikas ģēnijs, "jurists"Microsoft, praktiskais altruists, kreisais-labais
Vairāk no autora
- Reklāma -
Pierakstīties
Paziņot par
viesis

5 komentāri
Jaunākās
Vecākie Vispopulārākais
Iegultās atsauksmes
Skatīt visus komentārus
Igors
Igors
pirms 8 mēnešiem

Optoelektronika/kvantu datori?

Andris
Andris
pirms 1 gada

20 MHz ir 20000000 operāciju sekundē. 20000 ir 20 KHz.

Ivan
Ivan
pirms 2 gadiem

"Šis četrkodolu procesors darbojās ar 250 MHz frekvenci, aprīkots ar gigabitu mikroshēmu un 2 MB LXNUMX kešatmiņu."
Kāda veida mikroshēma?

Aleksandrs
Aleksandrs
pirms 2 gadiem

"daudzi no jums droši vien būs pārsteigti par to, cik maz ir nepieciešams, lai vadītu, piemēram, kosmosa staciju" - Drīzāk ir pārsteidzoši, cik daudz resursu mūsdienu datori patērē dažiem vienkāršākajiem uzdevumiem. Lai, piemēram, atvērtu lapu internetā, ir nepieciešams jaudīgāks procesors un vairāk atmiņas nekā kosmosa stacijas vadīšanai.

Citi raksti
Abonējiet atjauninājumus

Jaunākie komentāri

Tagad populārs
5
0
Mums patīk jūsu domas, lūdzu, komentējiet.x