Vrijdag 29 maart 2024

bureaublad v4.2.1

Root NationаттіTechnologieënWaarom ruimtevaartuigen zijn uitgerust met 20e-eeuwse processors

Waarom ruimtevaartuigen zijn uitgerust met 20e-eeuwse processors

-

Het is verrassend, maar moderne ruimtevaartuigen zijn uitgerust met verouderde processors die in de 20e eeuw zijn ontwikkeld. In dit artikel vertellen we u wat de reden is voor deze gang van zaken.

Ruimteschepen zijn echte technologische wonderen, uitgerust met allerlei elektronica. Daar horen natuurlijk ook processors bij, waardoor de apparatuur zeer complexe berekeningen kan uitvoeren. De chips die worden gebruikt bij de ontwikkeling van NASA en andere ruimtevaartorganisaties kunnen er echter vaak uitzien als verouderde apparaten die al lang niet meer in productie zijn.

ruimtevaartuigprocessors

Als we het over de processor hebben, komen waarschijnlijk meteen de blokken van onze desktopcomputers te binnen. Veel chips hebben de technologische industrie beïnvloed. Momenteel zijn er al krachtige supercomputers met een enorme rekenkracht ontwikkeld. Het zou logisch zijn om soortgelijke apparatuur te gebruiken op zo'n complex technologisch gebied als ruimteonderzoek. Landen op de maan of het lanceren en manoeuvreren van een ruimtesonde op een afstand van miljoenen kilometers van onze planeet vereist zeker veel rekenkracht. Het blijkt dat dit niet helemaal het geval is, en velen van jullie zullen waarschijnlijk verrast zijn door hoe weinig er nodig is om bijvoorbeeld een ruimtestation te besturen. Trouwens, de nieuwe Perseverance-rover, die onlangs met succes op de Rode Planeet is geland, is gebaseerd op de RAD750-processor, een speciale versie van de PowerPC 750 - het hart van de iMac G3-computers die meer dan 20 jaar geleden uitkwamen . En de Ingenuity-helikopter, die momenteel ook op Mars opereert, is uitgerust met een Snapdragon 801-processor. Deze ruimtevaartuigen, die de meest complexe computerbewerkingen uitvoeren, werken op dergelijke "gewone" of zelfs verouderde microprocessors. Maar het is onwaarschijnlijk dat deze stand van zaken zelfs in de toekomst zal veranderen. Laten we eens kijken waarom wetenschappers van NASA en andere ruimteagentschappen gedwongen zijn zulke zwakke SoC's te gebruiken.

Lees ook: Terraforming Mars: kan de rode planeet veranderen in een nieuwe aarde?

Ruimteprocessors zijn verrassend traag

Laten we beginnen met een voorbeeld dat bij iedereen bekend zou moeten zijn. We hebben het over de gebeurtenis die plaatsvond op 16 juli 1969. Op deze dag haalde het SA-11-draagraket, als onderdeel van de Apollo 506-missie, het Apollo-ruimtevaartuig uit de atmosfeer van de aarde. En vier dagen later zetten de Amerikaanse astronauten Buzz Aldrin en Neil Armstrong voor het eerst in de menselijke geschiedenis voet op het oppervlak van de maan. De missie werd met succes uitgevoerd met de hulp van de AGC (Apollo Guidance Computer), ontwikkeld in 4. Het ontwerp was behoorlijk interessant vanuit het oogpunt van computertechnologie, maar als je naar de technische kenmerken van dit apparaat kijkt, kun je alleen maar verbaasd zijn dat de missie überhaupt succesvol was. Denk je eens in: de chip aan boord werkte met een klokfrequentie van slechts 1966 MHz en had een RAM van slechts 2,048 woorden. Ja, precies de woorden. Dat wil zeggen, nu lijkt het gewoon ongelooflijk, maar in die tijd was het een van de modernste computers.

Ruimte processor

Het is vermeldenswaard dat een thuiscomputer vergelijkbare prestaties bood Apple II, een paar jaar later uitgebracht. Met andere woorden, in die tijd had het ruimtevaartuig technische apparatuur die zijn tijd ver vooruit was.

Deze stand van zaken duurde echter tot op een bepaald moment, het werd al snel duidelijk dat een efficiënter apparaat niet per se de beste oplossing is en soms gevaarlijker kan zijn. Het keerpunt in de geschiedenis van de ruimte-elektronica was de bepaling van de exacte waarden van kosmische straling en de impact ervan op de technologie. Maar hoe beïnvloedt straling de processor zelf?

Ruimte processor

- Advertentie -

Toen het Gemini-ruimtevaartuig, uitgerust met een eenvoudige boordcomputer, in de ruimte werd gelanceerd, waren de technologieën die werden gebruikt om het te creëren, vanaf vandaag extreem primitief. In de ruimte bleek het echter een groot voordeel.

Tegenwoordig worden bij het maken van nieuwe processors modernere technologische processen gebruikt, nu kunnen we gemakkelijk, praktisch, microscopische processors kopen die zijn gemaakt door 7nm-lithografie. Hoe kleiner de chip, hoe minder spanning er nodig is om hem aan en uit te zetten. In de ruimte kan dit ernstige problemen veroorzaken. Feit is dat onder invloed van stralingsdeeltjes de mogelijkheid bestaat van ongepland schakelen van de toestand waarin de transistor zich zal bevinden. Dit kan er op zijn beurt toe leiden dat deze op het meest onverwachte moment stopt met werken, of de berekeningen die met een dergelijke processor worden uitgevoerd, onnauwkeurig zijn. En in de ruimte is dit onaanvaardbaar en kan het tot tragische gevolgen leiden.

Een interessant voorbeeld is bijvoorbeeld de Intel 386SX-processor (een uitgeklede versie van de Intel 80386), die de zogenaamde glazen cabine aanstuurde. Het draaide op een kloksnelheid van ongeveer 20 MHz, wat betekent dat het taken kon uitvoeren met 20 cycli per seconde. Al bij zijn debuut in de ruimtebouw had de chip geen bijzonder hoge snelheid, maar belangrijker nog, dankzij de lage klokfrequentie was de processor veilig.

Ruimte processor

Bij blootstelling aan straling kunnen de deeltjes gegevens beschadigen die zijn opgeslagen in het cachegeheugen van de processor. Dit is mogelijk in een zeer kort venster - een lage timing vermindert het aanzienlijk, wat betekent dat snellere circuits meer worden blootgesteld aan straling. Simpel gezegd, straling kan uiteindelijk de gegevensopslag aantasten en de processor zelf beschadigen. Dit is onaanvaardbaar onder de bedrijfsomstandigheden van een ruimtestation, draagraket of sonde. Niemand zal een project van een miljoen dollar riskeren.

Lees ook: Wat kan ons ervan weerhouden Mars te koloniseren?

Destructieve straling

Ooit werd de impact van straling gecompenseerd door veranderingen in het productieproces zelf, er werden bijvoorbeeld materialen als galliumarsenide gebruikt. Elke wijziging was echter erg duur. Daarnaast worden in gespecialiseerde fabrieken in kleine hoeveelheden systemen voor ruimtevoertuigen gemaakt. Alleen het gebruik van RHBD-technologie maakte het mogelijk om het standaard CMOS-proces te gebruiken bij de productie van stralingsbestendige microschakelingen. Ook werden technieken gebruikt zoals driedubbele redundantie, waarmee te allen tijde drie identieke kopieën van hetzelfde bit kunnen worden opgeslagen. Wanneer ze nodig zijn, wordt de beste gekozen.

ruimtevaartuigprocessorsDe destructieve effecten van straling op ruimtevaartuigsystemen veroorzaakten ooit het mislukken van de Russische Phobos-Grunt-missie. De WS512K32V20G24M-chip, ontworpen voor militaire vliegtuigen, werd beschadigd door zware ionen van kosmische straling. Overmatige stroom beschadigde de computer en deze ging in de veilige modus. Door communicatieproblemen was de herstart niet mogelijk, wat leidde tot het binnendringen van de sonde in de atmosfeer en de verbranding ervan.

Ruimte processorDaarom worden voor projecten met een lange levensduur echt duurzame blokken gebruikt. Zo was de Hubble-telescoop oorspronkelijk uitgerust met een 8-bit Rockwell Autonetics DF-224-eenheid met een klokfrequentie van 1,25 MHz. Het werd al snel duidelijk dat dit een slecht idee was en NASA moest het proces doorlopen om de chip te vervangen door een Intel-chip. In 1993 werd de telescoop aangepast om Intel 386 te ondersteunen, en tijdens servicemissie 3A in 1999 werd het paar DF-224- en Intel 386-chips vervangen door een Intel 486-chip.

Ruimte processor

We hebben hier al het voorbeeld van het ruimtestation gegeven. Het lijkt erop dat zo'n grote en complexe structuur een zeer efficiënt systeem aan boord zou moeten hebben. Dit is echter niet het geval. Het is bekend dat de hoofdcomputer van het International Space Station (ISS) draait op het reeds genoemde Intel 386-blok.In principe worden twee sets van drie computers gebruikt: een Russische en een Amerikaanse. Laten we ook eens kijken naar het veel nieuwere New Horizons-ruimtevaartuig, dat in 2015 langs Pluto vloog en zich op de Kuipergordel richtte. De stralingsbestendige Mongoose-V-chip met een klokfrequentie van 15 MHz, die taken kan uitvoeren met een snelheid van 40 cycli per seconde, was verantwoordelijk voor de meeste functies in dit apparaat. De prestaties liggen dicht bij de prestaties van de processor waarop de console draait PlayStation.

Ruimte processorAls we zelfs naar zeer moderne ruimtevaartuigen kijken, zien we dat ontwerpers oplossingen gebruiken die vaak tientallen jaren oud zijn. Onlangs keek de hele wereld naar de landing van de rover Curosity op Mars. Weinigen hadden kunnen vermoeden dat er een BAE RAD750-processor in zat met een kloksnelheid van slechts 200 MHz, een verbeterde versie van de IBM PowerPC 750-chip. Apple, ken je deze processor wellicht uit de iMac-serie. Bovendien gebruikte het ook de minder efficiënte microprocessor van het Nintendo Wii-systeem. In verband met de vereisten om te werken in omstandigheden met verhoogde straling, is de klokfrequentie meer dan drie keer verlaagd.

Ruimte processor

We hebben al vermeld dat de Perseverance rover ook draait op een processor die meer dan 20 jaar geleden is uitgebracht. Met andere woorden, er is niets veranderd en ruimtevaartuigen die miljoenen dollars kosten, gebruiken microprocessors die in de vorige eeuw zijn uitgebracht. Hoe het ook klinkt, maar het is waar.

Lees ook: Ruimte op uw computer. 5 beste astronomie-apps

- Advertentie -

Software en computers waarop Crew Dragon, Falcon en Starlink draaien

We besloten om meer in detail uit te zoeken wat er als software wordt gebruikt, aan de hand van het voorbeeld van de beroemde Crew Dragon, Falcon en Starlink.

Als we de naam van het ruimtevaartuig Crew Dragon horen, denken veel mensen aan de drie touchscreens en blauwe bedieningsinterface die we tijdens de uitzendingen zagen. Er is nog steeds veel discussie over de haalbaarheid van het besturen van het ruimtevaartuig met behulp van touchscreens in plaats van knoppen, schakelaars en joysticks. SpaceX kozen voor deze optie omdat het hun doel was om het schip zo te ontwerpen dat er geen besturing voor nodig was en tegelijkertijd de bemanning altijd toegang had tot zoveel mogelijk informatie. Het schip is volledig autonoom en het enige dat de astronauten hoeven te besturen, is beperkt tot interne cabinesystemen, zoals het volume van het audiosysteem. Controle van de vlucht van het schip en zijn belangrijkste systemen door astronauten zou alleen in noodgevallen moeten worden uitgevoerd, en SpaceX probeerde met de hulp van de astronauten zelf de beste grafische interface voor deze taken te ontwikkelen.

Ruimte processor

Houd er echter rekening mee dat de belangrijkste functies van het schip kunnen worden bediend met behulp van de knoppen onder het display. De bemanning heeft de mogelijkheid om het brandblussysteem te starten, de parachutes te openen bij het opnieuw betreden van de atmosfeer, de vlucht naar het ISS te onderbreken, een nooddaling vanuit een baan om de aarde te starten, de boordcomputers te resetten en andere noodtaken uit te voeren. Met een hendel onder het middelste display kunnen de astronauten het evacuatiesysteem starten. Ze hebben ook knoppen voor het starten en annuleren van opdrachten die zijn ingevoerd met behulp van de displays. Op die manier, als de astronaut een commando op het scherm uitvoert en het mislukt, heeft hij nog steeds de mogelijkheid om het commando te annuleren door op een knop onder het scherm te drukken. De helderheid en controleerbaarheid van de displays werden ook getest onder trillingsomstandigheden, en de testteams en astronauten voerden tal van tests uit in handschoenen en verzegelde ruimtepakken.

Waarschijnlijk de belangrijkste vereiste voor een raket- en scheepsbesturingssysteem is natuurlijk betrouwbaarheid. In het geval van SpaceX-raketten wordt dit in de eerste plaats gegarandeerd door systeemredundantie, dat wil zeggen door het gebruik van verschillende identieke componenten die samenwerken en elkaar kunnen dupliceren en aanvullen. Met name de Falcon 9 heeft in totaal drie aparte boordcomputers. Elk van deze computers leest gegevens van de sensoren en systemen van de raket, voert de nodige berekeningen uit, neemt beslissingen over verdere acties en genereert commando's om die beslissingen te nemen. Alle drie de computers zijn met elkaar verbonden en de verkregen resultaten worden vergeleken en geanalyseerd.

Ruimte processor

Computers zijn gebaseerd op dual-core PowerPC-processors. Nogmaals, beide kernen voeren dezelfde berekeningen uit, vergelijken ze met elkaar en controleren op consistentie. Dus, terwijl de hardwareredundantie drievoudig is, is de software-computationele redundantie zesvoudig. Tegelijkertijd kunt u een defecte computer herstellen naar een werkende staat, bijvoorbeeld door opnieuw op te starten. Als de hoofdcomputer uitvalt, neemt een van de overige computers het over.

Bij problemen met computers of andere systemen hangt het lot van de missie af van de beslissing van het Autonomous Flight Safety System (AFSS). Dit is een volledig onafhankelijk boordcomputersysteem dat werkt op een set van meerdere microcontrollers (kleine computers), dezelfde gegevens ontvangt van sensoren, rekenresultaten en commando's van boordcomputers en het veilige verloop van de vlucht regelt.

Ruimte processor

Om ervoor te zorgen dat alle computers altijd over de meest betrouwbare gegevens beschikken, zijn de meeste sensoren redundant, evenals de computers die deze gegevens uitlezen en vervolgens naar de boordcomputers sturen. Op dezelfde manier worden computers die afzonderlijke raketsubsystemen besturen (motoren, roeren, manoeuvreerstraalpijpen, enz.) Gedupliceerd door commando's van de boordcomputer. Falcon 9 wordt dus bestuurd door een hele boom bestaande uit minstens 30 computers. Bovenaan de boom staan ​​boordcomputers die een netwerk van ondergeschikte computers beheren. Elk heeft zijn eigen communicatiekanaal met elke boordcomputer afzonderlijk. Dus alle teams komen drie keer naar hem toe.

Ruimte processor

Maar zoals u kunt zien, zijn alle boordcomputers gebaseerd op eenvoudige microchips, niet op geavanceerde microschakelingen van moderne supercomputers.

Lees ook: Universum: de meest ongewone ruimtevoorwerpen

De toekomst van ruimtechips

Het gebruik van relatief oude processors betekent niet dat er geen nieuwe worden gemaakt. Het is alleen zo dat het proces om ze te maken erg moeilijk is en veel tijd kost. Het moet ook duidelijk zijn dat elke structuur die in de ruimte zal worden gebruikt, moet voldoen aan de vereisten van de MIL-STD-883-klasse. Dit betekent dat we meer dan 100 tests moeten doorstaan ​​die zijn ontwikkeld door het Amerikaanse ministerie van Defensie, waaronder thermische, mechanische, elektrische en andere chiptests. De meeste processors die deze test hebben doorstaan, zijn gemaakt van alleen het centrale deel van de siliciumwafer. Dit komt omdat hier randdefecten het minst waarschijnlijk zijn.

Ruimte processorDe lijst met projecten voor toekomstige ruimtevaartuigen omvat onder meer de HPSC-reeks systemen die door NASA zijn ontwikkeld. Zoals verwacht zouden de processors rond de beurt van 2023 en 2024 klaar moeten zijn. Hun prestaties zouden meer dan 100 keer beter moeten zijn dan die van de snelste systemen die momenteel in ruimtevaartuigen worden gebruikt. De Amerikanen richten zich op de ontwikkeling van chips die kunnen helpen de maan en Mars te veroveren. Maar tot nu toe zijn dit slechts projecten.

De European Space Agency, die al heel lang chips ontwikkelt op basis van de open source SPARK-architectuur, pakt het net iets anders aan. Het nieuwste van dit soort producten is het GR740-model uit de LEON4FT-familie. Deze quad-core 250 MHz processor, uitgerust met een gigabit netwerkadapter en 2 MB L1000-cache, zou een geschikt platform moeten zijn voor onbemande ruimtevaartuigen en satellieten. Volgens berekeningen van wetenschappers zouden het ontwerp en de kenmerken van de processor zelfs na 300 jaar de normale werking ervan moeten garanderen. Wetenschappers garanderen dat er pas na 250 jaar werking van de chip ten minste één fout kan optreden. Dit wekt vertrouwen in de kracht en duurzaamheid van ruimtevaartuigen, omdat de vlucht naar dezelfde Mars ongeveer 300-XNUMX dagen zal duren, en dit is slechts een handig traject. Sondes dwalen soms jarenlang door de ruimte.

Ruimte processor

Als interessant feit is het vermeldenswaard dat HPE en NASA in 2017 de eerste commerciële, krachtige computer lanceerden aan boord van de SpaceX Falcon 9-raket. Een dual-socket HPE Apollo 40-server met Intel Broadwell-processors en een snelle 56 Gbit/ s-interface arriveerde bij het internationale ruimtestation. Als we wetenschappers mogen geloven, bedroeg de prestatie slechts 1 TFLOPS, maar voor de omstandigheden in de ruimte was dit nog steeds veel.

Ruimte processor

Het laat zien hoe moeilijk het is om chips te ontwerpen voor gebruik buiten onze planeet, en hoeveel werk er moet worden verzet om op zijn minst de mainstream pc-processors voor thuis in te halen.

Maar wetenschappers doen grote inspanningen om de krachtigste microchips te ontwikkelen die niet alleen de werking van ruimtevaartuigen ondersteunen, maar ook betrouwbaar worden beschermd tegen ruimtestraling en straling. Misschien zullen kwantumcomputers de situatie veranderen, maar dat is een ander verhaal.

Lees ook:

Yuri Svitlyk
Yuri Svitlyk
Zoon van de Karpaten, onbekend genie op het gebied van de wiskunde, 'advocaat'Microsoft, praktische altruïst, links-rechts
Meer van de auteur
- Advertentie -
Aanmelden
Informeer over
gast

5 Heb je vragen? Stel ze hier.
nieuwere
De oudere Het meest populair
Ingesloten beoordelingen
Bekijk alle reacties
ор
ор
8 maanden geleden

Opto-elektronica/kwantumcomputers?

Andrij
Andrij
1 jaar geleden

20 MHz is 20000000 bewerkingen per seconde 20000 is 20 KHz.

Ivan
Ivan
2 jaar geleden

"Deze quadcore-processor heeft een kloksnelheid van 250 MHz, is uitgerust met een gigabit-chip en 2 MB LXNUMX-cache."
Wat voor chip?

Oleksandr
Oleksandr
2 jaar geleden

"velen van jullie zullen waarschijnlijk verrast zijn hoe weinig er nodig is om bijvoorbeeld een ruimtestation te besturen" - Het is eerder verrassend hoeveel middelen moderne computers verbruiken voor enkele van de eenvoudigste taken. Om bijvoorbeeld een pagina op internet te openen, heb je een krachtigere processor en meer geheugen nodig dan om een ​​ruimtestation te besturen.

Andere artikelen
Schrijf je in voor updates

Recent commentaar

Nu populair
5
0
We houden van uw mening, geef alstublieft commentaar.x