Infinix Null 30
Root Nation ARTIKLER Teknologier Hvorfor romfartøyer er utstyrt med prosessorer fra det 20. århundre

Hvorfor romfartøyer er utstyrt med prosessorer fra det 20. århundre

Space processor

Det er overraskende, men moderne romfartøy er utstyrt med utdaterte prosessorer som ble utviklet tilbake på 20-tallet. I denne artikkelen vil vi fortelle deg hva som er årsaken til denne tilstanden.

Romskip er virkelige vidundere av teknologi, utstyrt med all slags elektronikk. Dette inkluderer selvfølgelig også prosessorer, takket være hvilke utstyret kan utføre svært komplekse beregninger. Imidlertid kan brikkene som brukes i utviklingen av NASA og andre romorganisasjoner ofte se ut som utdaterte enheter som lenge har vært ute av produksjon.

romfartøysprosessorer

Når vi snakker om prosessoren, kommer sannsynligvis blokkene til våre stasjonære datamaskiner umiddelbart til tankene. Mange brikker har påvirket teknologiindustrien. For tiden er det allerede utviklet kraftige superdatamaskiner med enorm datakraft. Det vil være logisk å bruke lignende utstyr i et så komplekst teknologisk felt som romforskning. Å lande på månen eller å skyte opp og manøvrere en romsonde i en avstand på millioner av kilometer fra planeten vår krever absolutt mye datakraft. Det viser seg at det ikke er helt tilfelle, og mange av dere vil sannsynligvis bli overrasket over hvor lite som trengs for å kontrollere for eksempel en romstasjon. Forresten, den nye Perseverance-roveren, som nylig landet med suksess på den røde planeten, er basert på RAD750-prosessoren, som er en spesialversjon av PowerPC 750 - hjertet av iMac G3-datamaskinene som kom ut for mer enn 20 år siden . Og Ingenuity-helikopteret, som også for tiden opererer på Mars, er utstyrt med en Snapdragon 801-prosessor. Disse romfartøyene, som utfører de mest komplekse dataoperasjonene, jobber på slike "vanlige" eller til og med utdaterte mikroprosessorer. Men denne tilstanden vil neppe endre seg selv i fremtiden. La oss finne ut hvorfor forskere ved NASA og andre romfartsorganisasjoner blir tvunget til å bruke så svake SoCs.

Les også: Terraforming Mars: Kan den røde planeten bli til en ny jord?

Space-prosessorer er overraskende trege

La oss starte med et eksempel som burde være godt kjent for alle. Vi snakker om hendelsen som skjedde 16. juli 1969. På denne dagen, som en del av Apollo 11-oppdraget, tok SA-506 bæreraketten Apollo-romfartøyet ut av jordens atmosfære. Og 4 dager senere satte de amerikanske astronautene Buzz Aldrin og Neil Armstrong sin fot på månens overflate for første gang i menneskets historie. Oppdraget ble vellykket utført ved hjelp av AGC (Apollo Guidance Computer), utviklet tilbake i 1966. Designet var ganske interessant fra datateknologiens synspunkt, men ser på de tekniske egenskapene til denne enheten, kan man bare bli overrasket over at oppdraget i det hele tatt var vellykket. Tenk bare, brikken om bord fungerte med en klokkefrekvens på bare 2,048 MHz og hadde en RAM på bare 2048 ord. Ja, akkurat ordene. Det vil si, nå virker det rett og slett utrolig, men på den tiden var det en av de mest moderne datamaskinene.

Space processor

Det er verdt å merke seg at en hjemmedatamaskin ga lignende ytelse Apple II, utgitt noen år senere. Med andre ord, på den tiden hadde romfartøyet teknisk utstyr som var forut for sin tid.

Imidlertid varte denne tilstanden til et visst punkt, det ble raskt klart at en mer effektiv enhet ikke nødvendigvis er den beste løsningen, og noen ganger kan det være farligere. Vendepunktet i romelektronikkens historie var bestemmelsen av de eksakte verdiene av kosmisk stråling og dens innvirkning på teknologien. Men hvordan påvirker stråling selve prosessoren?

Space processor

Da Gemini-romfartøyet, utstyrt med en enkel datamaskin ombord, ble skutt opp i verdensrommet, var teknologiene som ble brukt for å lage det, per i dag ekstremt primitive. Men i verdensrommet viste det seg å være en stor fordel.

I dag, når du lager nye prosessorer, brukes mer moderne teknologiske prosesser, nå kan vi enkelt kjøpe, praktisk talt, mikroskopiske prosessorer laget av 7nm litografi. Jo mindre brikken er, jo mindre spenning trengs for å slå den av og på. I verdensrommet kan dette forårsake alvorlige problemer. Faktum er at under påvirkning av strålingspartikler er det en mulighet for uplanlagt bytte av tilstanden der transistoren vil være. Dette kan igjen føre til at sistnevnte slutter å fungere på det mest uventede øyeblikket, eller beregningene som utføres ved hjelp av en slik prosessor vil være unøyaktige. Og i verdensrommet er dette uakseptabelt og kan føre til tragiske konsekvenser.

Et interessant eksempel er for eksempel Intel 386SX-prosessoren (en nedskåret versjon av Intel 80386), som styrte den såkalte glasskabinen. Den kjørte med en klokkehastighet på rundt 20 MHz, noe som betyr at den kunne utføre oppgaver med 20 000 sykluser per sekund. Allerede på tidspunktet for debuten innen romkonstruksjon hadde ikke brikken spesielt høy hastighet, men enda viktigere, takket være den lave klokkefrekvensen, var prosessoren trygg.

Space processor

Når de utsettes for stråling, kan partiklene skade data som er lagret i prosessorens bufferminne. Dette er mulig i et veldig kort vindu - lav timing reduserer det betraktelig, noe som betyr at raskere kretsløp er mer utsatt for stråling. Enkelt sagt kan stråling til slutt påvirke datalagring og skade selve prosessoren. Dette er uakseptabelt under driftsforholdene til en romstasjon, bærerakett eller sonde. Ingen vil risikere et millionprosjekt.

Les også: Hva kan hindre oss i å kolonisere Mars?

Destruktiv stråling

På et tidspunkt ble effekten av stråling kompensert av endringer i selve produksjonsprosessen, for eksempel ble materialer som galliumarsenid brukt. Hver modifikasjon var imidlertid veldig kostbar. I tillegg lages systemer for romfartøy i spesialiserte fabrikker i små mengder. Kun bruken av RHBD-teknologi gjorde det mulig å bruke standard CMOS-prosessen i produksjonen av strålingsbestandige mikrokretser. Også brukt ble teknikker som trippel redundans, som gjør at tre identiske kopier av samme bit kan lagres til enhver tid. Når de trengs, velges den beste.

romfartøysprosessorerDe destruktive effektene av stråling på romfartøysystemer forårsaket en gang feilen i det russiske Phobos-Grunt-oppdraget. WS512K32V20G24M-brikken, designet for militære fly, ble skadet av tunge ioner fra kosmiske stråler. For høy strøm skadet datamaskinen og den gikk i sikker modus. På grunn av kommunikasjonsproblemer var omstart ikke mulig, noe som førte til at sonden kom inn i atmosfæren og dens forbrenning.

Space processorDerfor, for prosjekter med lang levetid, brukes virkelig slitesterke blokker. For eksempel var Hubble-teleskopet opprinnelig utstyrt med en 8-bits Rockwell Autonetics DF-224-enhet med en klokkefrekvens på 1,25 MHz. Det ble raskt klart at dette var en dårlig idé, og NASA måtte gå gjennom prosessen med å bytte ut brikken med en Intel. I 1993 ble teleskopet tilpasset for å støtte Intel 386, og under serviceoppdrag 3A i 1999 ble paret DF-224 og Intel 386-brikker erstattet med en Intel 486-brikke.

Space processor

Vi har allerede gitt eksemplet med romstasjonen her. Det ser ut til at en så stor og kompleks struktur burde ha et svært effektivt system om bord. Dette er imidlertid ikke tilfelle. Det er kjent at hoveddatamaskinen på den internasjonale romstasjonen (ISS) kjører på den allerede nevnte Intel 386-blokken. I utgangspunktet brukes to sett med tre datamaskiner – en russisk og en amerikansk. La oss også ta en titt på det mye nyere romfartøyet New Horizons, som fløy av Pluto i 2015 og målrettet mot Kuiperbeltet. Den strålingsbestandige Mongoose-V-brikken med en klokkefrekvens på 15 MHz, i stand til å utføre oppgaver med en hastighet på 40 000 sykluser per sekund, var ansvarlig for de fleste funksjonene i denne enheten. Ytelsen er nær ytelsen til prosessoren som konsollen kjører på PlayStation.

Space processorNår vi ser på selv veldig moderne romfartøy, ser vi at designere bruker løsninger som ofte er flere tiår gamle. Nylig så hele verden på landingen av Curosity-roveren på Mars. Få ville ha gjettet at det inne var en BAE RAD750-prosessor klokket til bare 200 MHz, en forbedret versjon av IBM PowerPC 750-brikken. Hvis du noen gang har eid en datamaskin Apple, du kjenner kanskje denne prosessoren fra iMac-serien. Dessuten brukte den også den mindre effektive mikroprosessoren fra Nintendo Wii-konsollen. I forbindelse med kravene til drift under forhold med økt stråling, er klokkefrekvensen redusert med mer enn tre ganger.

Space processor

Vi har allerede nevnt at Perseverance-roveren også kjører på en prosessor som ble utgitt for mer enn 20 år siden. Med andre ord, ingenting har endret seg, og romfartøyer som koster millioner av dollar bruker mikroprosessorer som ble utgitt i forrige århundre. Uansett hvordan det høres ut, men det er sant.

Les også: Plass på datamaskinen. 5 beste astronomi-apper

Programvare og datamaskiner som kjører Crew Dragon, Falcon og Starlink

Vi bestemte oss for å finne ut mer detaljert hva som brukes som programvare, ved å bruke eksemplet med den berømte Crew Dragon, Falcon og Starlink.

Når vi hører navnet på romfartøyet Crew Dragon, tenker mange på de tre berøringsskjermene og det blå kontrollgrensesnittet som vi så under sendingene. Det er fortsatt mye debatt om muligheten for å kontrollere romfartøyet ved hjelp av berøringsskjermer i stedet for knapper, brytere og styrespaker. SpaceX valgte dette alternativet fordi deres mål var å designe skipet på en slik måte at det ikke krevde noen kontroll og samtidig at mannskapet alltid hadde tilgang til så mye informasjon som mulig. Skipet er helt autonomt, og det eneste astronautene må kontrollere er begrenset til interne kabinsystemer, som for eksempel volumet på lydanlegget. Kontroll av flyvningen til skipet og dets viktigste systemer av astronauter bør kun utføres i nødstilfeller, og SpaceX forsøkte ved hjelp av astronautene selv å utvikle det beste grafiske grensesnittet for disse oppgavene.

Space processor

Det skal imidlertid bemerkes at nøkkelfunksjonene til skipet kan kontrolleres ved hjelp av knappene under skjermen. Mannskapet har muligheten til å starte brannslokkingssystemet, åpne fallskjermene når de kommer inn i atmosfæren igjen, avbryte flyturen til ISS, starte en nødnedstigning fra bane, tilbakestille datamaskinene om bord og utføre andre nødoppgaver. En spak under midtdisplayet lar astronautene starte evakueringssystemet. De har også knapper som starter og avbryter kommandoer som legges inn ved hjelp av displayene. På den måten, hvis astronauten utfører en kommando på skjermen og den mislykkes, har han fortsatt muligheten til å avbryte kommandoen ved å trykke på en knapp under skjermen. Klarheten og kontrollerbarheten til skjermene ble også testet under vibrasjonsforhold, og testteamene og astronautene utførte en rekke tester i hansker og forseglede romdrakter.

Det trolig viktigste kravet til et missil- og skipskontrollsystem er selvfølgelig pålitelighet. Når det gjelder SpaceX-raketter, er dette først og fremst sikret på grunn av systemredundans, det vil si på grunn av bruk av flere identiske komponenter som fungerer sammen og kan duplisere og utfylle hverandre. Spesielt har Falcon 9 totalt tre separate datamaskiner ombord. Hver av disse datamaskinene leser data fra rakettens sensorer og systemer, utfører de nødvendige beregningene, tar beslutninger om ytterligere handlinger og genererer kommandoer for å ta disse avgjørelsene. Alle tre datamaskinene er sammenkoblet, og resultatene som er oppnådd sammenlignes og analyseres.

Space processor

Datamaskiner er basert på dual-core PowerPC-prosessorer. Igjen utfører begge kjernene de samme beregningene, sammenligner dem med hverandre og kontrollerer konsistens. Således, mens maskinvareredundansen er tredoblet, er programvare-beregningsredundansen seksdoblet. Samtidig kan du sette en defekt datamaskin tilbake til en fungerende tilstand, for eksempel ved å starte på nytt. Hvis hoveddatamaskinen svikter, tar en av de gjenværende datamaskinene over.

I tilfelle problemer med datamaskiner eller andre systemer, avhenger skjebnen til oppdraget av avgjørelsen fra det autonome flysikkerhetssystemet (AFSS). Dette er et helt uavhengig datasystem om bord som fungerer på et sett med flere mikrokontrollere (små datamaskiner), mottar samme data fra sensorer, beregningsresultater og kommandoer fra datamaskiner om bord og kontrollerer den sikre forløpet av flyturen.

Space processor

For å sikre at alle datamaskiner alltid har mest mulig pålitelige data, er de fleste sensorer overflødige, det samme er datamaskinene som leser disse dataene og deretter sender dem til datamaskinene ombord. På samme måte dupliseres datamaskiner som styrer individuelle missilundersystemer (motorer, ror, manøvreringsdyser osv.) av datamaskinkommandoer om bord. Dermed styres Falcon 9 av et helt tre bestående av minst 30 datamaskiner. Øverst i treet er datamaskiner om bord som administrerer et nettverk av underordnede datamaskiner. Hver har sin egen kommunikasjonskanal med hver datamaskin ombord separat. Så alle lagene kommer til ham tre ganger.

Space processor

Men som du kan se, er alle datamaskiner om bord basert på enkle mikrobrikker, ikke sofistikerte mikrokretser av moderne superdatamaskiner.

Les også: Univers: De mest uvanlige romobjektene

Fremtiden for rombrikker

Bruk av relativt gamle prosessorer betyr ikke at nye ikke blir opprettet. Det er bare det at prosessen med å lage dem er veldig vanskelig og tar mye tid. Det skal også forstås at hver struktur som skal brukes i rommet må oppfylle kravene til MIL-STD-883-klassen. Dette betyr å bestå mer enn 100 tester utviklet av det amerikanske forsvarsdepartementet, inkludert termiske, mekaniske, elektriske og andre chiptester. De fleste prosessorene som besto denne testen er laget av kun den sentrale delen av silisiumplaten. Dette er fordi det er her det er minst sannsynlighet for kantfeil.

Space processorListen over prosjekter for fremtidige romfartøy inkluderer blant annet HPSC-serien med systemer utviklet av NASA. Som forventet skal prosessorene være klare ved årsskiftet 2023 og 2024. Ytelsen deres skal være mer enn 100 ganger høyere enn for de raskeste systemene som for tiden brukes i romfartøy. Amerikanerne er fokusert på utviklingen av sjetonger som kan bidra til å erobre månen og Mars. Men foreløpig er dette kun prosjekter.

European Space Agency, som har utviklet brikker basert på SPARK-arkitekturen med åpen kildekode i lang tid, tar en litt annen tilnærming. Det siste slike produktet er GR740-modellen fra LEON4FT-familien. Denne firekjerners 250 MHz-prosessoren, utstyrt med en gigabit nettverksadapter og 2 MB L1000-cache, skal være en passende plattform for ubemannede romfartøyer og satellitter. Ifølge forskernes beregninger skal utformingen og egenskapene til prosessoren garantere normal drift selv etter 300 år. Forskere garanterer at minst én feil kan oppstå først etter 250 års drift av brikken. Dette inspirerer til tillit til styrken og holdbarheten til romfartøy, fordi flyturen til samme Mars vil ta omtrent 300-XNUMX dager, og dette er bare en praktisk bane. Sonder vandrer noen ganger i verdensrommet i årevis.

Space processor

Som et interessant faktum er det verdt å nevne at HPE og NASA i 2017 lanserte den første kommersielle høyytelsesdatamaskinen om bord på SpaceX Falcon 9. En HPE Apollo 40-server med to kontakter med Intel Broadwell-prosessorer og en rask 56 Gbit/ s grensesnitt ankom den internasjonale romstasjonen. Hvis man skal tro forskere, var ytelsen bare 1 TFLOPS, men det var fortsatt mye for romforholdene.

Space processor

Den viser hvor vanskelig det er å designe brikker for bruk utenfor planeten vår, og hvor mye arbeid som må gjøres for å nå opp til i det minste vanlige hjemme-PC-prosessorer.

Men forskere gjør store anstrengelser for å utvikle de kraftigste mikrobrikkene som ikke bare vil støtte driften av romfartøy, men også være pålitelig beskyttet mot romstråling og stråling. Kanskje kvantedatamaskiner vil endre situasjonen, men det er en annen historie.

Les også:

Melde deg på
Gi beskjed om
gjest

5 Kommentar
Nyere
De eldre Den mest populære
Innebygde anmeldelser
Se alle kommentarer
Іgor
Іgor
8 måneder siden

Optoelektronikk/kvantedatamaskiner?

Andriy
Andriy
1 år siden

20 MHz er 20000000 operasjoner per sekund. 20000 er 20 KHz.

Ivan
Ivan
2 år siden

"Denne firekjerners prosessoren klokket til 250 MHz, utstyrt med en gigabit-brikke og 2 MB LXNUMX-cache."
Hva slags chip?

Oleksandr
Oleksandr
2 år siden

«mange av dere vil nok bli overrasket over hvor lite som trengs for å kontrollere for eksempel en romstasjon» – Det er ganske overraskende hvor mange ressurser moderne datamaskiner bruker for noen av de enkleste oppgavene. For å for eksempel åpne en side på Internett trenger du en kraftigere prosessor og mer minne enn å kontrollere en romstasjon.

5
0
Vi elsker tankene dine, kommenter gjerne.x
()
x