Torsdagen den 28 mars 2024

desktop v4.2.1

Root NationARTIKLARTeknologierVarför rymdfarkoster är utrustade med 20-talsprocessorer

Varför rymdfarkoster är utrustade med 20-talsprocessorer

-

Det är förvånande, men moderna rymdfarkoster är utrustade med föråldrade processorer som utvecklades redan på 20-talet. I den här artikeln kommer vi att berätta vad som är orsaken till detta tillstånd.

Rymdskepp är verkliga underverk av teknik, utrustade med alla typer av elektronik. Detta inkluderar naturligtvis även processorer, tack vare vilka utrustningen kan utföra mycket komplexa beräkningar. Chipsen som används i utvecklingen av NASA och andra rymdorganisationer kan dock ofta se ut som föråldrade enheter som länge varit ur produktion.

rymdskeppsprocessorer

När vi pratar om processorn kommer blocken av våra stationära datorer förmodligen omedelbart att tänka på. Många chips har påverkat teknikindustrin. För närvarande har kraftfulla superdatorer med enorm datorkraft redan utvecklats. Det vore logiskt att använda liknande utrustning inom ett så komplext tekniskt område som rymdforskning. Att landa på månen eller att skjuta upp och manövrera en rymdsond på miljontals kilometers avstånd från vår planet kräver verkligen mycket datorkraft. Det visar sig att så inte är riktigt fallet, och många av er kommer förmodligen att bli förvånade över hur lite som behövs för att kontrollera till exempel en rymdstation. Förresten, den nya Perseverance-rovern, som nyligen landade framgångsrikt på den röda planeten, är baserad på RAD750-processorn, som är en specialversion av PowerPC 750 - hjärtat i iMac G3-datorerna som kom ut för mer än 20 år sedan . Och ingenuity-helikoptern, som också för närvarande är i drift på Mars, är utrustad med en Snapdragon 801. Dessa rymdfarkoster, som utför de mest komplexa beräkningsoperationerna, arbetar på sådana "vanliga" eller till och med föråldrade mikroprocessorer. Men detta tillstånd kommer sannolikt inte att förändras ens i framtiden. Låt oss ta reda på varför forskare vid NASA och andra rymdorganisationer tvingas använda så svaga SoCs.

Läs också: Terraforming Mars: Kan den röda planeten förvandlas till en ny jord?

Rymdprocessorer är förvånansvärt långsamma

Låt oss börja med ett exempel som borde vara välkänt för alla. Vi talar om händelsen som inträffade den 16 juli 1969. Den här dagen, som en del av Apollo 11-uppdraget, tog SA-506-raketen rymdfarkosten Apollo ur jordens atmosfär. Och fyra dagar senare satte de amerikanska astronauterna Buzz Aldrin och Neil Armstrong sin fot på månens yta för första gången i mänsklighetens historia. Uppdraget genomfördes framgångsrikt med hjälp av AGC (Apollo Guidance Computer), som utvecklades redan 4. Designen var ganska intressant ur datorteknikens synvinkel, men om man tittar på de tekniska egenskaperna hos denna enhet kan man bara bli förvånad över att uppdraget överhuvudtaget var framgångsrikt. Tänk bara, chippet ombord fungerade med en klockfrekvens på endast 1966 MHz och hade ett RAM-minne på endast 2,048 ord. Ja, precis orden. Det vill säga, nu verkar det helt enkelt otroligt, men på den tiden var det en av de modernaste datorerna.

Space proffscessor

Det är värt att notera att en hemdator erbjöd liknande prestanda Apple II, släppt några år senare. Med andra ord, på den tiden hade rymdfarkosten teknisk utrustning som var före sin tid.

Men detta tillstånd varade tills en viss punkt, det blev snabbt klart att en effektivare enhet inte nödvändigtvis är den bästa lösningen, och ibland kan det vara farligare. Vändpunkten i rymdelektronikens historia var bestämningen av de exakta värdena för kosmisk strålning och dess inverkan på tekniken. Men hur påverkar strålning själva processorn?

Space proffscessor

- Annons -

När rymdfarkosten Gemini, utrustad med en enkel omborddator, skickades ut i rymden, var tekniken som användes för att skapa den, från och med idag, extremt primitiv. Men i rymden visade det sig vara en stor fördel.

Nuförtiden, när man skapar nya processorer, används mer moderna tekniska processer, nu kan vi enkelt köpa, praktiskt taget, mikroskopiska processorer gjorda av 7 nm litografi. Ju mindre chip, desto mindre spänning behövs för att slå på och av den. I rymden kan detta orsaka allvarliga problem. Faktum är att under påverkan av strålningspartiklar finns det en möjlighet till oplanerad omkoppling av det tillstånd där transistorn kommer att vara. Detta kan i sin tur göra att den senare slutar fungera vid det mest oväntade ögonblicket, eller så blir beräkningarna som utförs med en sådan processor felaktiga. Och i rymden är detta oacceptabelt och kan leda till tragiska konsekvenser.

Ett intressant exempel är till exempel Intel 386SX-processorn (en nedskuren version av Intel 80386), som styrde den så kallade glaskabinen. Den körde med en klockhastighet på cirka 20 MHz, vilket betyder att den kunde utföra uppgifter med 20 000 cykler per sekund. Redan vid sin debut inom rymdkonstruktionen hade chippet inte en särskilt hög hastighet, men ännu viktigare, tack vare den låga klockfrekvensen var processorn säker.

Space proffscessor

När de utsätts för strålning kan dess partiklar skada data som lagras i processorns cacheminne. Detta är möjligt i ett mycket kort fönster - låg timing minskar det avsevärt, vilket innebär att snabbare kretsar är mer utsatta för strålning. Enkelt uttryckt kan strålning så småningom påverka datalagring och skada själva processorn. Detta är oacceptabelt under driftsförhållandena för en rymdstation, bärraket eller sond. Ingen kommer att riskera ett miljonprojekt.

Läs också: Vad kan hindra oss från att kolonisera Mars?

Destruktiv strålning

En gång i tiden kompenserades strålningens påverkan av förändringar i själva produktionsprocessen, till exempel användes material som galliumarsenid. Varje modifiering var dock mycket dyr. Dessutom skapas system för rymdfarkoster i specialiserade fabriker i små kvantiteter. Endast användningen av RHBD-teknik gjorde det möjligt att använda standard CMOS-processen vid produktion av strålningsbeständiga mikrokretsar. Dessutom användes tekniker som trippel redundans, vilket gör att tre identiska kopior av samma bit kan lagras hela tiden. När de behövs väljs den bästa ut.

rymdskeppsprocessorerDe destruktiva effekterna av strålning på rymdfarkoster orsakade en gång misslyckandet i det ryska Phobos-Grunt-uppdraget. WS512K32V20G24M-chippet, designat för militära flygplan, skadades av tunga joner från kosmiska strålar. Överdriven ström skadade datorn och den gick in i felsäkert läge. På grund av kommunikationsproblem var omstarten inte möjlig, vilket ledde till att sonden kom in i atmosfären och dess förbränning.

Space proffscessorDärför används riktigt hållbara block för projekt med lång livslängd. Till exempel var Hubble-teleskopet ursprungligen utrustat med en 8-bitars Rockwell Autonetics DF-224-enhet med en klockfrekvens på 1,25 MHz. Det stod snart klart att detta var en dålig idé, och NASA var tvungen att gå igenom processen att ersätta chippet med ett Intel. 1993 anpassades teleskopet för att stödja Intel 386, och under serviceuppdrag 3A 1999 ersattes paret DF-224 och Intel 386-chips med ett Intel 486-chip.

Space proffscessor

Vi har redan gett exemplet med rymdstationen här. Det verkar som att en så stor och komplex struktur borde ha ett mycket effektivt system ombord. Så är dock inte fallet. Det är känt att huvuddatorn på den internationella rymdstationen (ISS) körs på det redan nämnda blocket Intel 386. I grund och botten används två uppsättningar av tre datorer - en rysk och en amerikansk. Låt oss också ta en titt på den mycket nyare rymdfarkosten New Horizons, som flög förbi Pluto 2015 och riktade in sig på Kuiperbältet. Det strålningsbeständiga Mongoose-V-chippet med en klockfrekvens på 15 MHz, som kan utföra uppgifter med en hastighet av 40 000 cykler per sekund, var ansvarig för de flesta av funktionerna i denna enhet. Dess prestanda är nära prestandan hos processorn som konsolen körs på PlayStation.

Space proffscessorNär vi tittar på även mycket moderna rymdfarkoster ser vi att designers använder lösningar som ofta är flera decennier gamla. Nyligen såg hela världen landningen av Curosity-rovern på Mars. Få skulle ha gissat att inuti fanns en BAE RAD750-processor klockad till bara 200 MHz, en förbättrad version av IBM PowerPC 750-chippet. Om du någonsin har ägt en dator Apple, du kanske känner till den här processorn från iMac-serien. Dessutom använde den också den mindre effektiva mikroprocessorn från Nintendo Wii-konsolen. I samband med driftkraven under förhållanden med ökad strålning har dess klockfrekvens reducerats med mer än tre gånger.

Space proffscessor

Vi har redan nämnt att Perseverance-rovern också körs på en processor som släpptes för mer än 20 år sedan. Med andra ord, ingenting har förändrats, och rymdfarkoster som kostar miljontals dollar använder mikroprocessorer som släpptes under förra seklet. Hur det än låter, men det är sant.

Läs också: Utrymme på din dator. 5 bästa astronomiapparna

- Annons -

Programvara och datorer som kör Crew Dragon, Falcon och Starlink

Vi bestämde oss för att ta reda på mer i detalj vad som används som programvara, med exemplet med den berömda Crew Dragon, Falcon och Starlink.

När vi hör namnet på rymdfarkosten Crew Dragon tänker många på de tre pekskärmarna och det blåa kontrollgränssnittet som vi såg under sändningarna. Det finns fortfarande mycket debatt om möjligheten att styra rymdfarkosten med pekskärmar istället för knappar, strömbrytare och joysticks. SpaceX valde detta alternativ eftersom deras mål var att designa fartyget på ett sådant sätt att det inte krävde någon kontroll och samtidigt att besättningen alltid hade tillgång till så mycket information som möjligt. Fartyget är helt autonomt, och det enda som astronauterna har att kontrollera är begränsat till interna kabinsystem, som till exempel ljudsystemets volym. Kontroll av fartygets flygning och dess viktigaste system av astronauter bör endast utföras i nödfall, och SpaceX försökte med hjälp av astronauterna själva utveckla det bästa grafiska gränssnittet för dessa uppgifter.

Space proffscessor

Det bör dock noteras att fartygets nyckelfunktioner kan styras med knapparna under displayen. Besättningen har förmågan att starta brandsläckningssystemet, öppna fallskärmarna när de går in i atmosfären igen, avbryta flygningen till ISS, starta en nödsänkning från omloppsbana, återställa omborddatorerna och utföra andra nöduppgifter. En spak under mittdisplayen gör att astronauterna kan starta evakueringssystemet. De har också knappar som startar och avbryter kommandon som matas in med hjälp av displayerna. På så sätt, om astronauten utför ett kommando på skärmen och det misslyckas, har han fortfarande möjligheten att avbryta kommandot genom att trycka på en knapp under skärmen. Displayernas tydlighet och kontrollerbarhet testades också under vibrationsförhållanden, och testteamen och astronauterna utförde många tester i handskar och förseglade rymddräkter.

Det förmodligen viktigaste kravet på ett missil- och fartygskontrollsystem är naturligtvis tillförlitlighet. När det gäller SpaceX-raketer säkerställs detta först och främst på grund av systemredundans, det vill säga på grund av användningen av flera identiska komponenter som fungerar tillsammans och kan duplicera och komplettera varandra. Framför allt har Falcon 9 totalt tre separata omborddatorer. Var och en av dessa datorer läser data från raketens sensorer och system, utför nödvändiga beräkningar, fattar beslut om ytterligare åtgärder och genererar kommandon för att fatta dessa beslut. Alla tre datorerna är sammankopplade och de erhållna resultaten jämförs och analyseras.

Space proffscessor

Datorer är baserade på dual-core PowerPC-processorer. Återigen, båda kärnorna utför samma beräkningar, jämför dem med varandra och kontrollerar konsistens. Sålunda, medan hårdvararedundansen är trefaldig, är mjukvaruberäkningsredundansen sexfaldig. Samtidigt kan du återställa en felaktig dator till ett fungerande tillstånd, till exempel genom att starta om. Om huvuddatorn misslyckas tar en av de återstående datorerna över.

I händelse av problem med datorer eller andra system beror uppdragets öde på beslutet av det autonoma flygsäkerhetssystemet (AFSS). Detta är ett helt oberoende omborddatorsystem som fungerar på en uppsättning av flera mikrokontroller (små datorer), tar emot samma data från sensorer, beräkningsresultat och kommandon från omborddatorer och styr flygets säkra förlopp.

Space proffscessor

För att säkerställa att alla datorer alltid har så tillförlitliga data som möjligt är de flesta sensorer redundanta, liksom de datorer som läser denna data och sedan skickar den till omborddatorerna. På samma sätt dupliceras datorer som styr enskilda missilundersystem (motorer, roder, manövreringsmunstycken, etc.) av omborddatorkommandon. Således styrs Falcon 9 av ett helt träd bestående av minst 30 datorer. Överst i trädet finns omborddatorer som hanterar ett nätverk av underordnade datorer. Var och en har sin egen kommunikationskanal med varje omborddator separat. Så alla lag kommer till honom tre gånger.

Space proffscessor

Men som du kan se är alla omborddatorer baserade på enkla mikrochips, inte sofistikerade mikrokretsar av moderna superdatorer.

Läs också: Universum: De mest ovanliga rymdobjekten

Framtiden för rymdchips

Användningen av relativt gamla processorer betyder inte att nya inte skapas. Det är bara det att processen att skapa dem är väldigt svår och tar mycket tid. Det bör också förstås att varje struktur som kommer att användas i rymden måste uppfylla kraven för MIL-STD-883-klassen. Detta innebär att man klarar mer än 100 tester utvecklade av det amerikanska försvarsdepartementet, inklusive termiska, mekaniska, elektriska och andra chiptester. De flesta av processorerna som klarade detta test är gjorda av endast den centrala delen av kiselskivan. Detta beror på att det är här som det är minst sannolikt att kantdefekter uppstår.

Space proffscessorListan över projekt för framtida rymdfarkoster inkluderar bland annat HPSC-serien av system som utvecklats av NASA. Som väntat ska processorerna vara klara vid årsskiftet 2023 och 2024. Deras prestanda bör vara mer än 100 gånger högre än för de snabbaste systemen som för närvarande används i rymdfarkoster. Amerikanerna är fokuserade på utvecklingen av chips som kan hjälpa till att erövra månen och Mars. Men än så länge är det bara projekt.

European Space Agency, som under lång tid har utvecklat chips baserade på SPARK-arkitekturen med öppen källkod, tar ett lite annorlunda tillvägagångssätt. Den senaste produkten är GR740-modellen från LEON4FT-familjen. Denna fyrkärniga 250 MHz-processor, utrustad med en gigabit nätverksadapter och 2 MB L1000-cache, borde vara en lämplig plattform för obemannade rymdfarkoster och satelliter. Enligt forskarnas beräkningar bör designen och egenskaperna hos processorn garantera dess normala drift även efter 300 år. Forskare garanterar att minst ett fel kan inträffa först efter 250 års drift av chipet. Detta inspirerar till förtroende för styrkan och hållbarheten hos rymdfarkoster, eftersom flygningen till samma Mars kommer att ta cirka 300-XNUMX dagar, och detta är bara en bekväm bana. Sonder vandrar ibland i rymden i åratal.

Space proffscessor

Som ett intressant faktum är det värt att nämna att HPE och NASA under 2017 lanserade den första kommersiella högpresterande datorn ombord på raketen SpaceX Falcon 9. En HPE Apollo 40-server med dubbla sockel med Intel Broadwell-processorer och en snabb 56 Gbit/ s gränssnitt anlände till den internationella rymdstationen. Om man ska tro forskare var dess prestanda bara 1 TFLOPS, men det var fortfarande mycket för rymdförhållandena.

Space proffscessor

Det visar hur svårt det är att designa chips för användning utanför vår planet, och hur mycket arbete som måste göras för att komma ikapp med åtminstone vanliga hem-PC-processorer.

Men forskare gör stora ansträngningar för att utveckla de mest kraftfulla mikrochipsen som inte bara kommer att stödja driften av rymdfarkoster, utan också på ett tillförlitligt sätt skyddas från rymdstrålning och strålning. Kanske kommer kvantdatorer att förändra situationen, men det är en annan historia.

Läs också:

Yuri Svitlyk
Yuri Svitlyk
Son till Karpaterna, okänt geni inom matematiken, "advokat"Microsoft, praktisk altruist, vänster-höger
Mer från författaren
- Annons -
Bli Medlem
Meddela om
gäst

5 Kommentarer
Nyare
De äldre Den mest populära
Inbäddade recensioner
Visa alla kommentarer
Orgor
Orgor
8 månader sedan

Optoelektronik/kvantdatorer?

Andriy
Andriy
1 år sedan

20 MHz är 20000000 operationer per sekund, 20000 är 20 KHz.

ivan
ivan
2 år sedan

"Denna fyrkärniga processor klockade till 250 MHz, utrustad med ett gigabit-chip och 2 MB LXNUMX-cache."
Vilken typ av chip?

Олександр
Олександр
2 år sedan

"många av er kommer förmodligen att bli förvånade över hur lite som behövs för att styra till exempel en rymdstation" - Snarare är det förvånande hur många resurser som konsumeras av moderna datorer för några av de enklaste uppgifterna. För att till exempel öppna en sida på Internet behöver du en kraftfullare processor och mer minne än att styra en rymdstation.

Andra artiklar
Prenumerera för uppdateringar

Senaste kommentarerna

Populärt nu
5
0
Vi älskar dina tankar, kommentera gärna.x
()
x