Dzisiaj przyjrzymy się komputerom zaprojektowanym do pracy w kosmosie – w szczególności tym używanym w misji księżycowej NASA Artemis II – i zbadamy, dlaczego ich wydajność obliczeniowa jest znacznie niższa niż w przypadku typowego laptopa konsumenckiego.
Artemis II powrócił na Ziemię. Czterech astronautów, dziesięć dni w kosmosie i ponad 400 000 kilometrów przebytych na Księżyc i z powrotem. Był to nowy rekord odległości od Ziemi, pierwszy tego typu od ponad 50 lat. Relacje medialne koncentrowały się na emocjonalnych zdjęciach, wywiadach z załogą i efektownych wizualnie materiałach z orbity. Jeśli jednak jesteś bardziej zainteresowany tym, co faktycznie działało na pokładzie, ten artykuł jest dla Ciebie.
Podczas gdy uwaga skierowana była na widoki na zewnątrz statku kosmicznego, wewnątrz kapsuły Orion system komputerowy działał cicho na sprzęcie porównywalnym z procesorami z początku XXI wieku. Tak, zgadza się – z początku XXI wieku. I nie jest to wada, ale celowa decyzja inżynieryjna.
Przeczytaj również: Co dzieje się z mózgami astronautów w kosmosie?
TREŚĆ ARTYKUŁU:
Przestrzeń kosmiczna jest wroga dla twojej elektroniki
Zacznijmy od głównego punktu. Dlaczego nie możemy po prostu wziąć nowoczesnego chipa, umieścić go w statku kosmicznym i wystrzelić w kosmos?
Odpowiedź jest prosta: promieniowanie. Na Ziemi skutecznie żyjemy wewnątrz tarczy ochronnej, nawet o tym nie myśląc. Pole magnetyczne i atmosfera naszej planety pochłaniają większość promieniowania kosmicznego, które nieustannie dociera do nas z kosmosu. Gdy wyjdziesz poza tę warstwę ochronną, warunki stają się niezwykle trudne dla systemów elektronicznych. W takim środowisku wysokoenergetyczne cząstki mogą zakłócać lub uszkadzać elementy półprzewodnikowe.
Przeczytaj również: John Ternus: Inżynier, na którego Apple czekało przez ćwierć wieku
W przestrzeni kosmicznej układy scalone są nieustannie bombardowane przez protony, ciężkie jony, elektrony i neutrony. Cząsteczki te przenikają przez krzem i mogą powodować takie zachowanie tranzystorów, które nie daje spać po nocach żadnemu inżynierowi sprzętu.
Najprostszym efektem jest SEU (Single Event Upset). Pojedynczy jon przechodzi przez mikroukład i zmienia stan bitu pamięci – z 0 na 1 lub z 1 na 0. Tylko jeden bit. Może się to wydawać nieistotne, ale zastanów się, co ten bit może kontrolować: czy aktywowany jest pędnik korekcyjny lub o ile stopni statek kosmiczny dostosowuje swoją orientację. W 1972 roku podobna usterka na satelicie Hughes spowodowała 96-sekundową utratę łączności ze stacją naziemną. Na orbicie księżycowej taka przerwa mogłaby mieć znacznie poważniejsze konsekwencje.
Ale SEU to dopiero początek. Istnieje również SEL – Single-Event Latch-up. Nie jest to już losowe przerzucanie bitów; jest to bliższe pełnemu zwarciu wewnątrz struktury krzemowej. Uderzenie promieniowania może wyzwolić niekontrolowaną ścieżkę przewodzenia, powodując nagły skok prądu, który może trwale zniszczyć mikroukład. Nie ma odzyskiwania, nie ma resetowania – komponent po prostu znika.
Wreszcie, istnieje TID – całkowita dawka jonizująca. Jest to skumulowany efekt promieniowania. Nie niszczy sprzętu natychmiast. Zamiast tego stopniowo pogarsza wydajność tranzystora w czasie. Prądy upływu wzrastają, napięcia progowe dryfują, a chip powoli traci swoje zamierzone zachowanie. W końcu przestaje działać poprawnie. Jest to powolny proces degradacji, porównywalny do utraty słuchu: na początku jest ledwo zauważalny, ale z czasem staje się krytyczny.
Przeczytaj również: XChat od Elona Muska: kompleksowa usługa szyfrowania wiadomości, która rzuca wyzwanie WhatsApp i Telegramowi
Im bardziej zaawansowany chip, tym bardziej staje się podatny na ataki – i to jest ironia losu
Jest to jeden z najbardziej interesujących aspektów i zasługuje na osobną uwagę. Postęp technologiczny sprawił, że nowoczesne procesory stały się niezwykle wydajne. Jednocześnie sprawił, że stały się one znacznie bardziej wrażliwe na promieniowanie.
Powód jest prosty. Współczesne chipy opierają się na niezwykle małych tranzystorach, już w skali około 3 nanometrów i poniżej. Wraz ze zmniejszaniem się wymiarów tranzystorów zmniejsza się również ilość ładunku wymaganego do zmiany ich stanu. A gdy potrzebny jest mniejszy ładunek, pojedynczej cząstce o wysokiej energii łatwiej jest zakłócić ten stan.
Już w połowie lat 90. naukowcy ostrzegali, że jeśli tranzystory będą nadal kurczyć się w tym samym tempie, statki kosmiczne mogą spędzać więcej czasu na usuwaniu usterek spowodowanych promieniowaniem niż na wykonywaniu użytecznych operacji.
Dlatego też komputery pokładowe statku kosmicznego Orion są oparte na IBM PowerPC 750X – architekturze procesora z początku XXI wieku. Jest ona celowo przestarzała, wszechstronnie przetestowana i formalnie certyfikowana. Oferuje niższą wydajność, ale jest niezawodny w warunkach, w których zawiodłyby nowoczesne urządzenia konsumenckie.
Cztery komputery Honeywell zbudowane wokół tego procesora działają równolegle. Nowoczesny smartfon jest miliony razy potężniejszy niż każdy z nich z osobna. Jednak smartfon nie przetrwałby misji na Księżyc i z powrotem w środowisku kosmicznym.
Przeczytaj również: Sieci kwantowe jako alternatywa dla klasycznego Internetu: Czego się spodziewać
Co to jest FPGA i dlaczego jest używany w kosmosie?
Innym ważnym typem mikroukładu wykorzystywanym w systemach kosmicznych jest FPGA. Jest to szczególnie interesująca technologia, o której często się wspomina, ale nie zawsze jest ona dobrze rozumiana.
FPGA to skrót od Field-Programmable Gate Array. Mówiąc prościej, jest to rodzaj układu scalonego, który można rekonfigurować po wyprodukowaniu. Konwencjonalny procesor ma stałą architekturę i wykonuje predefiniowane zestawy instrukcji. Natomiast FPGA można opisać jako konfigurowalną strukturę logiczną – pustą tablicę, na której można zaimplementować obwody cyfrowe.
Jeśli potrzebujesz przetwarzać sygnały radarowe, używasz FPGA. Jeśli musisz skompresować dane z kamer, używasz FPGA. Jeśli sześć miesięcy po starcie musisz całkowicie zmienić logikę przetwarzania systemu bez fizycznego dostępu do statku kosmicznego, również polegasz na FPGA.
W przypadku zastosowań kosmicznych jest to niezwykle cenne. Ken O’Neill, architekt systemów statków kosmicznych w AMD, opisuje to w kategoriach praktycznych: chipy te można przeprogramować po wdrożeniu, umożliwiając operatorom misji dostosowanie algorytmów, optymalizację wydajności i reagowanie na nowe wymagania bezpośrednio z Ziemi.
Jeśli po uruchomieniu okaże się, że instrument generuje dane w nieoczekiwanym formacie, problem można rozwiązać bez interwencji sprzętowej – FPGA jest rekonfigurowany, a system kontynuuje pracę.
Firma AMD od wielu lat opracowuje odporne na promieniowanie układy FPGA dla misji kosmicznych. Ich najnowsza generacja, rodzina Versal – w tym XQRVC1902 i XQRVE2302 – jest zbudowana w procesie technologicznym 7 nm. Urządzenia te łączą programowalną logikę, rdzenie procesorów ARM i silniki akceleracji AI na jednym chipie. Innymi słowy, sztuczna inteligencja na pokładzie systemów kosmicznych nie jest już koncepcją teoretyczną, ale wymogiem operacyjnym.
Przeczytaj również: Claude Mythos: zbyt inteligentny dla swoich użytkowników?
Jak chip otrzymuje „kosmiczny certyfikat”
Jeśli myślisz, że certyfikacja to tylko papierkowa robota i kilka testów laboratoryjnych, to tak nie jest. Jest to jeden z najbardziej wymagających i kosztownych procesów w branży półprzewodników. Proces ten rozpoczyna się od szeroko zakrojonych testów promieniowania, zazwyczaj obejmujących trzy kategorie, z których każda symuluje inne środowisko kosmiczne.
Protony są wykorzystywane do symulacji promieniowania słonecznego i cząstek uwięzionych w ziemskich pasach Van Allena. Ciężkie jony odtwarzają galaktyczne promienie kosmiczne – wysokoenergetyczne cząstki pochodzące spoza Układu Słonecznego. Promieniowanie gamma jest wykorzystywane do oceny efektów dawki skumulowanej i tego, jak długotrwała ekspozycja stopniowo pogarsza wydajność tranzystora.
A oto kluczowa kwestia, która często jest zaskakująca: testowana jest nie tylko partia próbna, ani co dziesiąta jednostka. Każdy pojedynczy komponent jest testowany indywidualnie. Każdy z nich, w całej partii produkcyjnej.
Testy radiacyjne to jednak dopiero początek. Kolejny etap obejmuje symulację ekstremalnych temperatur. W cieniu statku kosmicznego temperatura może spaść do około -150°C, podczas gdy w bezpośrednim świetle słonecznym może przekroczyć +120°C. Statki kosmiczne wielokrotnie wchodzą i wychodzą z cienia Ziemi na każdej orbicie, tworząc ciągłe cykle termiczne. Te gwałtowne zmiany temperatury są niezwykle obciążające dla materiałów i połączeń lutowanych.
Na koniec przeprowadzane są testy próżniowe. W próżni niektóre materiały mogą ulatniać się lub nawet częściowo wyparowywać. Smary i niektóre tworzywa sztuczne mogą uwalniać związki, które następnie skraplają się na czujnikach i pogarszają ich wydajność. Z tego powodu elektronika klasy kosmicznej jest zwykle zamknięta w szczelnych ceramicznych lub metalowych obudowach, a nie w konwencjonalnych plastikowych opakowaniach.
Do tego dochodzą wibracje mechaniczne. Podczas startu rakieta SLS generuje poziomy wibracji i obciążenia udarowe tak intensywne, że elektronika pokładowa musi przetrwać kilka minut ekstremalnych naprężeń mechanicznych, zanim jeszcze dotrze na orbitę. Wszystko to jest testowane i certyfikowane zgodnie ze standardem MIL-PRF-38535 – rygorystyczną specyfikacją wojskową dla układów scalonych stosowanych w aplikacjach o wysokiej niezawodności i lotnictwie.
Przeczytaj również: Fotografia kosmiczna: Kamery misji Artemis II
Trzy komputery są lepsze niż jeden – a nawet cztery
Zbudowanie układu odpornego na promieniowanie to tylko część problemu. Drugą częścią jest zaprojektowanie architektury systemu wokół niego. Jednym z kluczowych podejść jest TMR (Triple Modular Redundancy). Idea jest prosta: zamiast pojedynczej jednostki przetwarzającej, system wykorzystuje trzy identyczne jednostki działające równolegle i wykonujące te same obliczenia. Jeśli dwie jednostki dają ten sam wynik, podczas gdy trzecia się różni, system automatycznie stosuje głosowanie większościowe i akceptuje spójne dane wyjściowe.
Pojedynczy bit może zostać odwrócony przez promieniowanie. Jednak prawdopodobieństwo, że promieniowanie jednocześnie spowoduje ten sam błąd w dwóch niezależnych jednostkach obliczeniowych jest niezwykle niskie.
Statek kosmiczny Orion idzie o krok dalej. Wykorzystuje on cztery komputery Honeywell. Każdy z nich może skutecznie „odpaść” w dowolnym momencie – co oznacza, że może przestać przesyłać dane, jeśli wykryje niespójności w obliczeniach. System nieustannie sprawdza sam siebie, izoluje błędy i utrzymuje działanie bez interwencji z zewnątrz.
Nie jest to przesadna inżynieria ani paranoja. Jest to podejście projektowe ukształtowane przez dziesięciolecia doświadczeń z prawdziwych misji kosmicznych i ich przypadków awarii.
Przeczytaj również: Poród w kosmosie: Science Fiction czy biologiczna katastrofa?
Sztuczna inteligencja leci na Marsa – i to na poważnie
Teraz dochodzimy do tego, co osobiście jest jednym z najciekawszych aspektów tego tematu. Misja Artemis II trwała około dziesięciu dni. Ale ludzkość przygotowuje się teraz do trwałych operacji w pobliżu Księżyca, a ostatecznie do misji na Marsa. W tym miejscu fundamentalne ograniczenie staje się nieuniknione. Sygnał radiowy między Ziemią a Marsem trwa od 3 do 22 minut w jedną stronę, w zależności od względnego położenia obu planet. To sprawia, że kontrola w czasie rzeczywistym z Ziemi jest w praktyce niemożliwa. Zanim dotrze polecenie, sytuacja na pokładzie może się już wielokrotnie zmienić.
Dlatego właśnie autonomia staje się niezbędna. Statek kosmiczny musi być w stanie analizować dane, podejmować decyzje i reagować na anomalie bez czekania na instrukcje z Ziemi. W tym celu systemy kosmiczne są coraz częściej wyposażane w procesory zdolne do uruchamiania algorytmów uczenia maszynowego bezpośrednio na pokładzie.
Na przykład AMD Versal AI Edge Gen 2 jest już wykorzystywany przez Blue Origin w komputerach pokładowych pojazdu testowego zaprojektowanego do obsługi planowanej misji lądowania na Księżycu w 2028 roku.
Misja NISAR – wspólny projekt NASA i Indyjskiej Organizacji Badań Kosmicznych – generuje tak duże ilości danych z radaru z syntetyczną aperturą, że przesyłanie wszystkiego na Ziemię nie jest fizycznie wykonalne. Rozwiązaniem jest przetwarzanie na pokładzie. Chip filtruje, kompresuje i analizuje dane w przestrzeni kosmicznej, a tylko najbardziej istotne informacje są przesyłane z powrotem na Ziemię.
Sztuczna inteligencja w kosmosie nie jest już koncepcją przyszłości. Jest używana już dziś.
Przeczytaj również: Trump kontra Claude AI: jak przebiega debata na temat sztucznej inteligencji w USA?
Kolejny problem, o którym rzadko się mówi
Istnieje aspekt, który często nie pojawia się w publicznych dyskusjach, a który ma kluczowe znaczenie: czas. Od wstępnej koncepcji do uruchomienia, misja kosmiczna trwa zazwyczaj 10-15 lat. Po uruchomieniu sama misja może trwać przez dziesięciolecia. Porównaj to teraz z cyklem życia komercyjnego półprzewodnika. Na rynkach konsumenckich generacja chipów trwa zwykle tylko kilka lat. Po tym czasie producenci przechodzą na nową architekturę, produkcja jest przerywana, a długoterminowe dostawy identycznych komponentów nie są już gwarantowane.
W rezultacie systemy kosmiczne muszą często polegać na technologiach, które są już dojrzałe i stabilne w momencie projektowania, a nie na najnowszym dostępnym sprzęcie.
Oznacza to, że producenci chipów klasy kosmicznej są zobowiązani do wspierania swoich produktów przez znacznie dłuższe okresy niż jest to typowe dla komercyjnego przemysłu półprzewodników. AMD, na przykład, formalnie zobowiązuje się do długoterminowego wsparcia dla swoich linii produktów z kwalifikacją kosmiczną. W inżynierii kosmicznej niespodziewane „przepraszamy, ten model został wycofany” nie jest akceptowalnym rezultatem.
Przeczytaj również: Algorytm bez strachu i wątpliwości: Dlaczego sztucznej inteligencji nie można ufać w kwestii wojny
Jaki jest więc wniosek?
Twój smartfon to niezwykłe dzieło inżynierii: 3-nanometrowe procesy, miliardy tranzystorów, częstotliwości na poziomie gigaherców. Ale poza ziemską magnetosferą prawdopodobnie zawiódłby w ciągu kilku godzin. Pierwsze napotkane ciężkie jony zaczęłyby systematycznie uszkadzać jego mikroskopijne tranzystory.
Chipy używane w Orionie są natomiast „przestarzałe”, drogie i znacznie wolniejsze niż nowoczesne procesory konsumenckie. Przeszły one jednak setki godzin testów napromieniowania protonami, ciężkimi jonami i promieniowaniem gamma. Każda jednostka jest testowana indywidualnie. Są one zamknięte w hermetycznych obudowach ceramicznych, replikowane w potrójnych i poczwórnych konfiguracjach redundantnych, certyfikowane zgodnie z normami wojskowymi i wspierane przez producentów przez długi okres eksploatacji. W systemach kosmicznych wydajność nie jest głównym celem. Jest nim niezawodność w ekstremalnych i nieprzewidywalnych warunkach.
Artemis II powrócił. Załoga jest bezpieczna. Elektronika działała bez zarzutu.
Moim zdaniem jest to najbardziej znacząca miara każdego systemu: nie gigaherce czy nanometry, ale po prostu to, czy wykonał swoje zadanie i bezpiecznie sprowadził ludzi do domu.
W miarę jak zmierzamy w kierunku długotrwałych operacji księżycowych i ostatecznie misji marsjańskich, te pozornie przestarzałe, certyfikowane chipy pozostaną rdzeniem każdego statku kosmicznego. Ciche, niezawodne i bez nieoczekiwanych zachowań – dokładnie tak, jak jest to wymagane.
Przeczytaj również:
- Balkonowy system solarny, część 1: EcoFlow Stream Pro (Ultra) – mieszkaniowe rozwiązanie zapewniające niezależność energetyczną
- Balkonowy system solarny, część 2: Konfiguracja EcoFlow Stream, podstawowa konfiguracja, zasilanie rezerwowe i skalowalność
- Recenzja Mijia Smart Audio Glasses: Stylowy dodatek czy zamiennik zestawu słuchawkowego?