É surpreendente, mas as naves espaciais modernas estão equipadas com processadores desatualizados que foram desenvolvidos no século 20. Neste artigo, vamos dizer-lhe qual é a razão para este estado de coisas.
As naves espaciais são verdadeiras maravilhas da tecnologia, equipadas com todo tipo de eletrônica. Obviamente, isso também inclui processadores, graças aos quais o equipamento pode realizar cálculos muito complexos. No entanto, os chips usados no desenvolvimento da NASA e de outras agências espaciais muitas vezes podem parecer dispositivos obsoletos que estão fora de produção há muito tempo.
Quando falamos sobre o processador, os blocos de nossos computadores desktop provavelmente vêm imediatamente à mente. Muitos chips influenciaram a indústria de tecnologia. Atualmente, supercomputadores poderosos com enorme poder computacional já foram desenvolvidos. Seria lógico usar equipamentos semelhantes em um campo tecnológico tão complexo como a pesquisa espacial. Aterrissar na lua ou lançar e manobrar uma sonda espacial a uma distância de milhões de quilômetros do nosso planeta certamente requer muito poder computacional. Acontece que não é bem o caso, e muitos de vocês provavelmente ficarão surpresos com o quão pouco é necessário para controlar, digamos, uma estação espacial. A propósito, o novo rover Perseverance, que recentemente pousou com sucesso no Planeta Vermelho, é baseado no processador RAD750, que é uma versão especial do PowerPC 750 - o coração dos computadores iMac G3 lançados há mais de 20 anos . E o helicóptero Ingenuity, que também opera atualmente em Marte, está equipado com um processador Snapdragon 801. Essas espaçonaves, realizando as mais complexas operações de computação, trabalham em microprocessadores tão "comuns" ou até desatualizados. Mas é improvável que esse estado de coisas mude mesmo no futuro. Vamos descobrir por que cientistas da NASA e de outras agências espaciais são forçados a usar SoCs tão fracos.
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Processadores espaciais são surpreendentemente lentos
Vamos começar com um exemplo que deveria ser bem conhecido de todos. Estamos falando do evento ocorrido em 16 de julho de 1969. Neste dia, como parte da missão Apollo 11, o veículo lançador SA-506 retirou a espaçonave Apollo da atmosfera terrestre. E 4 dias depois, os astronautas americanos Buzz Aldrin e Neil Armstrong pisaram na superfície da lua pela primeira vez na história da humanidade. A missão foi realizada com sucesso com a ajuda do AGC (Apollo Guidance Computer), desenvolvido em 1966. O design foi bastante interessante do ponto de vista da tecnologia informática, mas olhando as características técnicas deste dispositivo, só podemos ficar surpresos que a missão tenha sido um sucesso. Imagine só, o chip integrado funcionava com uma frequência de clock de apenas 2,048 MHz e tinha uma RAM de apenas 2048 palavras. Sim, exatamente as palavras. Ou seja, agora parece simplesmente incrível, mas naquela época era um dos computadores mais modernos.
Vale a pena notar que um computador doméstico oferecia desempenho semelhante Apple II, lançado alguns anos depois. Ou seja, naquela época a espaçonave tinha equipamentos técnicos à frente de seu tempo.
No entanto, esse estado de coisas durou até certo ponto, rapidamente ficou claro que um dispositivo mais eficiente não é necessariamente a melhor solução e, às vezes, pode ser mais perigoso. O ponto de virada na história da eletrônica espacial foi a determinação dos valores exatos da radiação cósmica e seu impacto na tecnologia. Mas como a radiação afeta o próprio processador?
Quando a espaçonave Gemini, equipada com um simples computador de bordo, foi lançada ao espaço, as tecnologias usadas para criá-la eram, até hoje, extremamente primitivas. No entanto, no espaço acabou por ser uma grande vantagem.
Hoje em dia, ao criar novos processadores, são utilizados processos tecnológicos mais modernos, agora podemos comprar facilmente, praticamente, processadores microscópicos feitos por litografia de 7 nm. Quanto menor o chip, menos tensão é necessária para ligá-lo e desligá-lo. No espaço, isso pode causar sérios problemas. O fato é que, sob a influência de partículas de radiação, existe a possibilidade de comutação não planejada do estado em que o transistor estará. Isso, por sua vez, pode fazer com que o último pare de funcionar no momento mais inesperado, ou os cálculos realizados usando esse processador serão imprecisos. E no espaço, isso é inaceitável e pode levar a consequências trágicas.
Um exemplo interessante é, por exemplo, o processador Intel 386SX (uma versão reduzida do Intel 80386), que controlava a chamada cabine de vidro. Ele rodava a uma velocidade de clock de cerca de 20 MHz, o que significa que poderia executar tarefas a 20 ciclos por segundo. Já na época de sua estreia na construção espacial, o chip não tinha uma velocidade particularmente alta, mas o mais importante, graças à baixa frequência de clock, o processador era seguro.
Quando expostas à radiação, suas partículas podem danificar os dados armazenados na memória cache do processador. Isso é possível em uma janela muito curta - tempo baixo reduz significativamente, o que significa que circuitos mais rápidos estão mais expostos à radiação. Simplificando, a radiação pode eventualmente afetar o armazenamento de dados e danificar o próprio processador. Isso é inaceitável nas condições de operação de uma estação espacial, veículo de lançamento ou sonda. Ninguém vai arriscar um projeto de um milhão de dólares.
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Radiação destrutiva
Ao mesmo tempo, o impacto da radiação foi compensado por mudanças no próprio processo de produção, por exemplo, materiais como arsenieto de gálio foram usados. No entanto, cada modificação era muito cara. Além disso, sistemas para veículos espaciais são criados em fábricas especializadas em pequenas quantidades. Somente o uso da tecnologia RHBD possibilitou o uso do processo CMOS padrão na produção de microcircuitos resistentes à radiação. Também foram utilizadas técnicas como redundância tripla, que permite que três cópias idênticas do mesmo bit sejam armazenadas o tempo todo. Quando eles são necessários, o melhor é selecionado.
Os efeitos destrutivos da radiação em sistemas de naves espaciais causaram uma vez o fracasso da missão russa Phobos-Grunt. O chip WS512K32V20G24M, projetado para aeronaves militares, foi danificado por íons pesados de raios cósmicos. A corrente excessiva danificou o computador e ele entrou no modo de segurança. Devido a problemas de comunicação, o reinício não foi possível, o que levou à entrada da sonda na atmosfera e sua combustão.
Portanto, para projetos com longa vida útil, são usados blocos realmente duráveis. Por exemplo, o telescópio Hubble foi originalmente equipado com uma unidade Rockwell Autonetics DF-8 de 224 bits com uma frequência de clock de 1,25 MHz. Logo ficou claro que isso era uma má ideia, e a NASA teve que passar pelo processo de substituir o chip por um da Intel. Em 1993, o telescópio foi adaptado para suportar Intel 386, e durante a missão de serviço 3A em 1999, o par de chips DF-224 e Intel 386 foi substituído por um chip Intel 486.
Já demos aqui o exemplo da estação espacial. Parece que uma estrutura tão grande e complexa deveria ter um sistema muito eficiente a bordo. No entanto, este não é o caso. Sabe-se que o computador principal da Estação Espacial Internacional (ISS) roda no já citado bloco Intel 386. Basicamente, são utilizados dois conjuntos de três computadores - um russo e um americano. Vamos também dar uma olhada na espaçonave New Horizons, muito mais recente, que passou por Plutão em 2015 e teve como alvo o Cinturão de Kuiper. O chip Mongoose-V resistente à radiação com frequência de clock de 15 MHz, capaz de realizar tarefas a uma velocidade de 40 ciclos por segundo, foi responsável pela maioria das funções deste dispositivo. Seu desempenho está próximo do desempenho do processador no qual o console é executado PlayStation.
Quando olhamos para naves espaciais muito modernas, vemos que os designers estão usando soluções que muitas vezes têm várias décadas. Recentemente, o mundo inteiro assistiu ao pouso do rover Curosity em Marte. Poucos imaginariam que dentro havia um processador BAE RAD750 com clock de apenas 200 MHz, uma versão melhorada do chip IBM PowerPC 750. Se você já teve um computador Apple, você pode conhecer este processador da série iMac. Além disso, também usou o microprocessador menos eficiente do console Nintendo Wii. Em conexão com os requisitos de operação em condições de radiação aumentada, sua frequência de clock foi reduzida em mais de três vezes.
Já mencionamos que o rover Perseverance também roda em um processador lançado há mais de 20 anos. Em outras palavras, nada mudou, e naves espaciais que custam milhões de dólares estão usando microprocessadores que foram lançados no século passado. Não importa como isso soe, mas é verdade.
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Software e computadores que executam Crew Dragon, Falcon e Starlink
Decidimos descobrir com mais detalhes o que é usado como software, usando o exemplo dos famosos Crew Dragon, Falcon e Starlink.
Quando ouvimos o nome da espaçonave Crew Dragon, muitas pessoas pensam nas três telas sensíveis ao toque e na interface de controle azul que vimos durante as transmissões. Ainda há muito debate sobre a viabilidade de controlar a espaçonave usando telas sensíveis ao toque em vez de botões, interruptores e joysticks. SpaceX escolheram essa opção porque o objetivo era projetar o navio de forma que não exigisse nenhum controle e, ao mesmo tempo, que a tripulação sempre tivesse acesso ao máximo de informações possível. A nave é completamente autônoma, e a única coisa que os astronautas precisam controlar é limitada aos sistemas internos da cabine, como o volume do sistema de áudio. O controle do voo da nave e seus sistemas mais importantes pelos astronautas deveria ser realizado apenas em casos de emergência, e a SpaceX tentou com a ajuda dos próprios astronautas desenvolver a melhor interface gráfica para essas tarefas.
No entanto, deve-se notar que as principais funções do navio podem ser controladas usando os botões localizados abaixo do visor. A tripulação tem a capacidade de iniciar o sistema de extinção de incêndio, abrir os pára-quedas ao reentrar na atmosfera, interromper o voo para a ISS, iniciar uma descida de emergência da órbita, reiniciar os computadores de bordo e realizar outras tarefas de emergência. Uma alavanca sob a tela do meio permite que os astronautas iniciem o sistema de evacuação. Eles também possuem botões que iniciam e cancelam comandos inseridos usando os displays. Dessa forma, se o astronauta executar um comando na tela e falhar, ele ainda poderá cancelar o comando pressionando um botão abaixo da tela. A clareza e controlabilidade das telas também foram testadas sob condições de vibração, e as equipes de teste e os astronautas realizaram vários testes em luvas e trajes espaciais selados.
Provavelmente, o requisito mais importante para um sistema de controle de mísseis e navios é, obviamente, a confiabilidade. No caso dos foguetes SpaceX, isso é garantido, antes de tudo, pela redundância do sistema, ou seja, pelo uso de vários componentes idênticos que trabalham juntos e podem se duplicar e se complementar. Em particular, o Falcon 9 possui um total de três computadores de bordo separados. Cada um desses computadores lê os dados dos sensores e sistemas do foguete, realiza os cálculos necessários, toma decisões sobre outras ações e gera comandos para tomar essas decisões. Todos os três computadores estão interligados e os resultados obtidos são comparados e analisados.
Os computadores são baseados em processadores PowerPC dual-core. Novamente, ambos os núcleos realizam os mesmos cálculos, comparam-nos entre si e verificam a consistência. Assim, enquanto a redundância de hardware é tripla, a redundância computacional de software é seis. Ao mesmo tempo, você pode retornar um computador com defeito para um estado de funcionamento, por exemplo, reinicializando. Se o computador principal falhar, um dos computadores restantes assume.
Em caso de problemas com computadores ou outros sistemas, o destino da missão depende da decisão do Sistema Autônomo de Segurança de Voo (AFSS). Trata-se de um sistema de computador de bordo totalmente independente que funciona em um conjunto de vários microcontroladores (pequenos computadores), recebe os mesmos dados de sensores, resultados de cálculos e comandos de computadores de bordo e controla o curso seguro do voo.
Para garantir que todos os computadores tenham sempre os dados mais confiáveis possíveis, a maioria dos sensores é redundante, assim como os computadores que leem esses dados e os enviam para os computadores de bordo. Da mesma forma, computadores que controlam subsistemas de mísseis individuais (motores, lemes, bocais de manobra, etc.) são duplicados por comandos de computador de bordo. Assim, o Falcon 9 é controlado por uma árvore inteira composta por pelo menos 30 computadores. No topo da árvore estão os computadores de bordo que gerenciam uma rede de computadores subordinados. Cada um tem seu próprio canal de comunicação com cada computador de bordo separadamente. Então todas as equipes vêm até ele três vezes.
Mas como você pode ver, todos os computadores de bordo são baseados em microchips simples, não microcircuitos sofisticados de supercomputadores modernos.
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O futuro dos chips espaciais
O uso de processadores relativamente antigos não significa que novos não estejam sendo criados. É só que o processo de criá-los é muito difícil e leva muito tempo. Também deve ser entendido que toda estrutura que será utilizada no espaço deve atender aos requisitos da classe MIL-STD-883. Isso significa passar em mais de 100 testes desenvolvidos pelo Departamento de Defesa dos EUA, incluindo testes térmicos, mecânicos, elétricos e outros testes de chip. A maioria dos processadores que passaram neste teste são feitos apenas da parte central do wafer de silício. Isso ocorre porque é aqui que os defeitos de borda são menos prováveis de ocorrer.
A lista de projetos para futuras espaçonaves inclui, entre outros, a série de sistemas HPSC desenvolvidos pela NASA. Como esperado, os processadores devem estar prontos na virada de 2023 e 2024. Seu desempenho deve ser mais de 100 vezes superior ao dos sistemas mais rápidos atualmente usados em espaçonaves. Os americanos estão focados no desenvolvimento de chips que podem ajudar a conquistar a Lua e Marte. Mas até agora são apenas projetos.
A Agência Espacial Européia, que há muito tempo desenvolve chips baseados na arquitetura SPARK de código aberto, adota uma abordagem um pouco diferente. O mais recente produto desse tipo é o modelo GR740 da família LEON4FT. Este processador quad-core de 250 MHz, equipado com um adaptador de rede gigabit e 2 MB de cache L1000, deve ser uma plataforma adequada para naves espaciais não tripuladas e satélites. Segundo cálculos dos cientistas, o design e as características do processador devem garantir seu funcionamento normal mesmo após 300 anos. Os cientistas garantem que somente após 250 anos de operação do chip, pelo menos um erro pode ocorrer. Isso inspira confiança na força e durabilidade da espaçonave, porque o voo para o mesmo Marte levará cerca de 300 a XNUMX dias, e essa é apenas uma trajetória conveniente. As sondas às vezes vagam no espaço por anos.
Como fato interessante, vale ressaltar que em 2017, a HPE e a NASA lançaram o primeiro computador comercial de alto desempenho a bordo do foguete SpaceX Falcon 9. Um servidor HPE Apollo 40 de soquete duplo com processadores Intel Broadwell e um rápido servidor de 56 Gbit/ A interface chegou à Estação Espacial Internacional. A acreditar nos cientistas, seu desempenho foi de apenas 1 TFLOPS, mas ainda era muito para as condições espaciais.
Ele mostra como é difícil projetar chips para uso fora do nosso planeta e quanto trabalho precisa ser feito para alcançar pelo menos os processadores de PC domésticos convencionais.
Mas os cientistas estão fazendo grandes esforços para desenvolver os microchips mais poderosos que não apenas apoiarão a operação da espaçonave, mas também serão protegidos de maneira confiável contra a radiação e a radiação espacial. Talvez os computadores quânticos mudem a situação, mas isso é outra história.
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Optoeletrônica/computadores quânticos?
20 MHz é 20000000 operações por segundo. 20000 é 20 KHz.
"Este processador quad-core com clock de 250 MHz, equipado com um chip gigabit e 2 MB de cache LXNUMX."
Que tipo de ficha?
Esta é a minha desatenção. Obrigado por notar. Era sobre um adaptador de rede gigabit. Consertado.
"muitos de vocês provavelmente ficarão surpresos com o quão pouco é necessário para controlar, por exemplo, uma estação espacial" - É bastante surpreendente quantos recursos os computadores modernos consomem para algumas das tarefas mais simples. Para, por exemplo, abrir uma página na Internet, você precisa de um processador mais potente e de mais memória do que para controlar uma estação espacial.