Это удивительно, но современные космические аппараты оснащены устаревшими микропроцессорами, которые разработаны еще в 20 веке. В этой статье расскажем, в чем причина такого положения вещей.
Космические корабли — это настоящие чудеса техники, оснащенные всевозможной электроникой. Разумеется, сюда входят и микропроцессоры, благодаря которым оборудование может выполнять очень сложные вычисления. Однако чипы, используемые в разработках NASA и других космических агентств, зачастую могут выглядеть как очень устаревшие устройства, которых давно нет в производстве.
Когда мы говорим о процессоре, на ум, вероятно, сразу же приходят блоки наших настольных компьютеров. Многие чипы оказали огромное влияние на технологическую отрасль. В настоящее время уже разработаны мощные суперкомпьютеры с огромной вычислительной мощностью. Логичным представляется использование подобного оборудования и в такой сложной технологической сфере, как космические исследования. Посадка на Луну или запуск и маневрирование космического зонда на расстоянии миллионов километров от нашей планеты, безусловно, потенциально требуют больших вычислительных мощностей. Оказывается, это не совсем так, и многих из вас наверняка удивит, как мало нужно, чтобы управлять, например, космической станцией. К примеру, новейший марсоход Perseverance, недавно успешно приземлившийся на Красной планете, основан на процессоре RAD750, который является специальной версией PowerPC 750 — сердца компьютеров iMac G3, вышедших более 20 лет назад. А вертолёт Ingenuity, который в настоящее время также работает на Марсе, оснащен процессором Snapdragon 801. Эти космические аппараты, выполняющие сложнейшие вычислительные операции, работают на таких “обычных” или даже устаревших микропроцессорах. Но такое положение вещей вряд ли изменится даже в будущем. Давайте выясним, почему ученные NASA и других космических агентств вынуждены использовать такие слабые SoC.
Читайте также: Терраформирование Марса: может ли Красная планета превратиться в новую Землю?
Космические процессоры на удивление медленные
Начнем с примера, который должен быть всем хорошо известен. Мы говорим о событии, которое произошло 16 июля 1969 года. В этот день в рамках миссии “Аполлон-11” ракета-носитель SA-506 вывела за пределы земной атмосферы космический корабль “Аполлон”. А всего через 4 дня американские астронавты Базз Олдрин и Нил Амстронг впервые в истории человечества ступили на поверхность Луны. Миссия была успешно осуществлена с помощью, в частности, компьютера AGC (Apollo Guidance Computer), разработанного еще в 1966 году. Конструкция была довольно интересной с точки зрения компьютерных технологий, но, глядя на технические характеристики этого устройства, можно только удивляться тому, что миссия вообще удалась. Вы только вдумайтесь, чип на борту работал с тактовой частотой всего 2,048 МГц и имел оперативную память объемом всего 2048 слов. Да, именно слов. То есть, сейчас это кажется просто невероятным, но на то время это был один из самых современных компьютеров.
Стоит отметить, что аналогичную производительность предлагал домашний компьютер Apple II, выпущенный несколькими годами позже. Иными словами, на тот момент космические аппараты имели техническое оснащение, опережавшее свое время.
Однако такое положение вещей продолжалось до определенного момента, очень быстро выяснилось, что более эффективное устройство не обязательно должно быть лучшим решением, а иногда может оказаться и более опасным. Поворотным пунктом в истории космической электроники стало определение точных значений космического излучения и его воздействия на технику. Но как радиация влияет на сам процессор?
Когда в космос был запущен космический аппарат программы “Джемини”, оснащенный простым бортовым компьютером, технологии, использованные для его создания, были, с нынешней точки зрения, чрезвычайно примитивными. Однако в космосе это оказалось большим преимуществом. В настоящее время при создании новых процессоров используются более современные технологические процессы, сейчас мы можем легко купить, практически, микроскопические процессоры, изготовленные по литографии 7 нм. Чем чип меньше, тем меньшее напряжение необходимо для его включения и выключения. В космосе это может вызвать серьезные проблемы. Дело в том, что при воздействии частиц радиации есть вероятность незапланированного переключения состояния, в котором будет находиться транзистор. Это, в свою очередь, может привести к тому, что последний перестанет работать в самый неожиданный момент, или вычисления, выполняемые с использованием такого процессора, будут неточными. А в космосе такое недопустимо и может привести к трагическим последствиям.
Интересным примером является, например, процессор Intel 386SX (урезанный вариант Intel 80386), управлявший так называемой стеклянной кабиной. Он работал с тактовой частотой около 20 МГц, а это означает, что он мог выполнять задачи со скоростью 20 000 циклов в секунду. Уже на момент своего дебюта в космическом строительстве чип не обладал особо высокой скоростью, однако, более важным было то, что благодаря низкой тактовой частоте процессор был безопасным.
При воздействии излучения, его частицы могут повредить данные, хранящиеся в кэш-памяти процессора. Это возможно в очень коротком окне – низкий тайминг значительно сокращает его, то есть это означает, что более быстрые схемы сильнее подвержены излучению. Простыми словами, излучение со временем может влиять на сохранение данных и повреждать сам процессор. Это недопустимо в условиях работы космической станции, ракеты-носителя или зонда. Рисковать миллионным проектом не будет никто.
Читайте также: Что может помешать нам колонизировать Марс?
Разрушительное излучение
В свое время воздействие радиации компенсировали изменениями в самом производственном процессе, например, использовали такие материалы, как арсенид галлия. Однако, каждая модификация стоила очень дорого. К тому же, системы для космических аппаратов создаются на специализированных заводах в небольшом количестве. Только внедрение технологии RHBD позволило использовать стандартный процесс CMOS при производстве стойких к радиации микросхем. Также использовались такие методы, как тройная избыточность, которая позволяет постоянно хранить три одинаковые копии одного бита. Когда они нужны, выбирается лучший.
Разрушительное влияние радиации на системы космических аппаратов в свое время привело к неудаче российской миссии Фобос-Грунт. Микросхема WS512K32V20G24M, предназначенная для военных самолетов, была повреждена тяжелыми ионами космических лучей. Чрезмерный ток повредил компьютер, и он перешел в безопасный режим. Из-за проблем со связью перезапуск был невозможен, что в итоге привело к входу зонда в атмосферу и его сгоранию.
Поэтому для проектов с длительным сроком службы используются действительно долговечные блоки. Например, телескоп Хаббл изначально был оснащен 8-битным блоком Rockwell Autonetics DF-224 с тактовой частотой 1,25 МГц. Вскоре выяснилось, что это была плохая идея, и NASA пришлось пройти через процедуру замены чипа на устройство Intel. В 1993 году телескоп был адаптирован для поддержки Intel 386, а во время сервисной миссии 3A в 1999 году пара микросхем DF-224 и Intel 386 была заменена на микросхему Intel 486.
Мы уже приводили здесь пример космической станции. Казалось бы, такая большая и сложная структура должна иметь на борту очень эффективную систему. Однако это не так. Известно, что на Международной космической станции (МКС) основной компьютер работает на уже упомянутом блоке Intel 386. В основном используется два комплекта по три компьютера – один российский и один американский. Давайте также взглянем на гораздо более новый космический корабль New Horizons, который в 2015 году пролетел мимо Плутона и был нацелен на пояс Койпера. За большинство функций в этом аппарате отвечал устойчивый к радиационному излучению чип Mongoose-V с тактовой частотой 15 МГц, способный выполнять задачи со скоростью 40 000 циклов в секунду. Его производительность близка к производительности процессора, на котором работает консоль PlayStation.
Когда мы смотрим даже на очень современные космические аппараты, то видим, что их конструкторы используют решения, которым, зачастую, уже несколько десятков лет. Не так давно весь мир наблюдал за приземлением марсохода Curosity на Марсе. Мало кто догадывался, что внутри находится процессор BAE RAD750 с тактовой частотой всего 200 МГц, являющийся усовершенствованным вариантом чипа IBM PowerPC 750. Если у вас когда-либо был компьютер Apple, вы можете знать этот процессор по серии iMac. Более того, в нем также использовался не самый эффективный микропроцессор от консоли Nintendo Wii. В связи с требованиями эксплуатации в условиях повышенной радиации его тактовая частота снижена более чем в три раза.
Выше мы уже упоминали, что марсоход Perseverance тоже работает на процессоре, который выпущен более 20 лет назад. Иными словами, ничего не изменилось, и космические аппараты, стоящие миллионы долларов, используют микропроцессоры, которые были выпущены еще в прошлом веке. Как бы невероятно это ни звучало, но это правда.
Читайте также: Космос в вашем компьютере. 5 лучших программ по астрономии
Программное обеспечение и компьютеры, на которых работают Crew Dragon, Falcon и Starlink
Мы решили в качестве примера более подробно разобраться, что же используется в качестве программного обеспечения на знаменитых Crew Dragon, Falcon и Starlink.
Когда мы слышим название космического аппарата Crew Dragon, многие вспоминают три сенсорных экрана и синий графический интерфейс управления, которые мы видели во время трансляций. До сих пор ведется много дискуссий о целесообразности управления космическим кораблем с помощью сенсорных экранов вместо кнопок, переключателей и джойстиков. SpaceX выбрала этот вариант, потому что их целью было спроектировать корабль так, чтобы он не требовал какого-либо управления и, в то же время, чтобы экипажу всегда было доступно как можно больше информации. Корабль полностью автономен, и единственное, чем астронавты должны управлять, ограничено внутренними системами кабины, такими, например, как громкость аудиосистемы. Управление полетом корабля и его важнейшими системами астронавтами должно осуществляться только в экстренных случаях, и SpaceX постаралась с помощью самих астронавтов разработать наилучший графический интерфейс для этих задач.
Однако следует отметить, что ключевыми функциями корабля можно управлять с помощью кнопок, расположенных под дисплеем. У экипажа есть возможность запускать систему пожаротушения, раскрывать парашюты при возвращении в атмосферу, прерывать полет к МКС, начинать аварийный спуск с орбиты, выполнять сброс бортовых компьютеров и другие аварийные задачи. Рычаг под средним дисплеем позволяет астронавтам запустить систему эвакуации. У них также есть кнопки, которые запускают и отменяют команды, введенные с помощью дисплеев. Таким образом, если астронавт выполняет команду на дисплее, а она терпит неудачу, у него все еще есть возможность отменить команду, нажав кнопку под дисплеем. Четкость и управляемость дисплеев проверялись также в условиях вибрации, а испытательные группы и астронавты проводили множество тестов в перчатках и в герметичных скафандрах.
Наверное, самое главное требование к системе управления ракетой и кораблём — это, конечно же, надёжность. В случае с ракетами SpaceX это обеспечивается, в первую очередь, за счет резервирования систем, т. е. за счет использования нескольких одинаковых компонентов, которые затем работают вместе и могут дублировать и дополнять друг друга. В частности, Falcon 9 имеет в общей сложности три отдельных бортовых компьютера. Каждый из этих компьютеров считывает данные с датчиков и систем ракеты, производит необходимые расчеты, принимает решения о дальнейших действиях и генерирует команды для принятия этих решений. Все три компьютера связаны между собой, и полученные результаты сравниваются и анализируются.
Компьютеры основаны на двухъядерных процессорах PowerPC. Опять же, оба ядра выполняют одинаковые вычисления, сравнивают их между собой и проверяют на соответствие. Таким образом, хотя аппаратная избыточность является трехкратной, программно-вычислительная избыточность — шестикратной. При этом есть возможность вернуть неисправный компьютер в работоспособное состояние, например, путем перезагрузки. Если главный компьютер выходит из строя, один из оставшихся берет на себя управление.
В случае возникновения проблем с компьютерами или другими системами, судьба миссии зависит от решения Автономной системы безопасности полетов (AFSS). Это полностью независимая система бортовых компьютеров, которая работает на наборе из нескольких микроконтроллеров (маленьких компьютеров), получает одни и те же данные от датчиков, результаты вычислений и команды от бортовых компьютеров и управляет безопасным ходом полета.
Чтобы все компьютеры всегда имели максимально надежные данные, большинство датчиков также являются избыточными, как и компьютеры, которые считывают эти данные и затем отправляют их на бортовые компьютеры. Точно так же ЭВМ, управляющие отдельными подсистемами ракеты (двигателями, рулями направления, маневровыми соплами и т. д.), дублируются командами бортовых ЭВМ. Таким образом, Falcon 9 управляется целым деревом, состоящим, как минимум, из 30 компьютеров. В верхней части дерева находятся бортовые компьютеры, управляющие сетью подчиненных компьютеров. Каждый из них имеет свой канал связи с каждым бортовым компьютером в отдельности. Так что все команды приходят к нему трижды.
Но как видим, в основе всех бортовых компьютеров лежат простые микрочипы, а не навороченные микросхемы современных суперкомпьютеров.
Читайте также: Вселенная: Самые необычные космические объекты
Будущее космических чипов
Использование относительно старых процессоров не означает, что новые не создаются. Просто процесс их создания весьма непрост и занимает много времени. Также нужно понимать, что каждая структура, которая будет использоваться в космосе, должна соответствовать требованиям класса MIL-STD-883. Это означает прохождение более 100 тестов, разработанных Министерством обороны США, включая тепловые, механические, электрические и другие тесты чипа. Большинство процессоров, прошедших этот тест, производятся только из центральной части кремниевой пластины. Это объясняется тем, что именно здесь наименее вероятно возникновение краевых дефектов.
Список проектов для будущих космических кораблей включает, среди прочего, системы серии HPSC, разработанные NASA. Как ожидается, процессоры должны быть готовы на рубеже 2023 и 2024 годов. Их производительность должна быть более чем в 100 раз выше, чем у самых быстрых систем, используемых в настоящее время в космических аппаратах. Американцы сосредоточены на разработке чипов, которые могут помочь в покорении Луны и Марса. Но пока что это всего лишь проекты.
Европейское космическое агентство, которое уже длительное время занимается разработкой чипов на основе архитектуры с открытым исходным кодом SPARK, подходит к этому несколько иначе. Последним таким продуктом является модель GR740 из семейства LEON4FT. Этот четырехъядерный процессор с тактовой частотой 250 МГц, оснащенный гигабитным сетевым адаптером и 2 МБ кэш-памяти второго уровня, должен стать подходящей платформой для беспилотных космических аппаратов и спутников. По расчетам учёных, конструкция и характеристики процессора должны гарантировать его нормальную работу даже через 1000 лет. Учёные гарантируют, что только после 300 лет работы чипа может произойти хотя бы одна ошибка. Это вселяет уверенность в прочности и долговечности космических аппаратов, ведь полет на тот же Марс займет порядка 250-300 дней и это только по удобной траектории. Зонды иногда годами блуждают в космическом пространстве.
В качестве любопытного факта стоит упомянуть, что в 2017 году HPE и NASA запустили первый коммерческий высокопроизводительный компьютер на борту ракеты SpaceX Falcon 9. На Международную космическую станцию прибыл двухсокетный сервер HPE Apollo 40 с процессорами Intel Broadwell и быстрым интерфейсом 56 Гбит/с. Если верить учёным, его производительность составляла всего 1 TFLOPS, но для космических условий это все равно было много.
Это показывает, насколько сложно проектировать чипы для использования за пределами нашей планеты, и какую большую работу нужно проделать, чтобы догнать, по крайней мере, обычные процессоры домашних ПК.
Но учёные прикладывают огромные усилия, чтобы разрабатывать максимально мощные микрочипы, которые не только будут поддерживать работу космических аппаратов, но и будут надежно защищены от космического излучения и радиации. Возможно, ситуацию изменят квантовые компьютеры, но это уже другая история.
Читайте также: