Nakakagulat, ngunit ang modernong spacecraft ay nilagyan ng mga hindi napapanahong processor na binuo noong ika-20 siglo. Sa artikulong ito, sasabihin namin sa iyo kung ano ang dahilan ng ganitong estado ng mga gawain.
Ang mga sasakyang pangkalawakan ay tunay na kamangha-manghang teknolohiya, na nilagyan ng lahat ng uri ng electronics. Siyempre, kasama rin dito ang mga processor, salamat sa kung saan ang kagamitan ay maaaring magsagawa ng napaka kumplikadong mga kalkulasyon. Gayunpaman, ang mga chip na ginamit sa pagbuo ng NASA at iba pang mga ahensya ng kalawakan ay kadalasang maaaring magmukhang mga hindi na ginagamit na mga aparato na matagal nang wala sa produksyon.
Kapag pinag-uusapan natin ang processor, ang mga bloke ng ating mga desktop computer ay malamang na agad na naiisip. Maraming mga chips ang nakaimpluwensya sa industriya ng teknolohiya. Sa kasalukuyan, ang mga makapangyarihang supercomputer na may napakalaking kapangyarihan sa pag-compute ay nabuo na. Magiging lohikal na gumamit ng mga katulad na kagamitan sa isang kumplikadong larangan ng teknolohiya tulad ng pananaliksik sa kalawakan. Ang paglapag sa buwan o paglulunsad at pagmamaniobra ng space probe sa layo na milyun-milyong kilometro mula sa ating planeta ay tiyak na nangangailangan ng maraming kapangyarihan sa pag-compute. Ito ay lumalabas na hindi ganoon ang kaso, at marami sa inyo ay malamang na mabigla sa kung gaano kakaunti ang kailangan upang makontrol, halimbawa, ang isang istasyon ng espasyo. Sa pamamagitan ng paraan, ang bagong Perseverance rover, na kamakailan ay matagumpay na nakarating sa Red Planet, ay batay sa RAD750 processor, na isang espesyal na bersyon ng PowerPC 750 - ang puso ng mga iMac G3 na computer na lumabas higit sa 20 taon na ang nakakaraan. . At ang Ingenuity helicopter, na kasalukuyang nagpapatakbo sa Mars, ay nilagyan ng processor ng Snapdragon 801. Ang mga spacecraft na ito, na nagsasagawa ng pinaka-kumplikadong mga operasyon sa pag-compute, ay gumagana sa naturang "ordinaryo" o kahit na hindi napapanahong mga microprocessor. Ngunit ang kalagayang ito ay malamang na hindi magbago kahit sa hinaharap. Alamin natin kung bakit ang mga siyentipiko sa NASA at iba pang ahensya ng kalawakan ay napipilitang gumamit ng mga mahihinang SoC.
Basahin din: Terraforming Mars: Maaari bang maging bagong Earth ang Red Planet?
Ang mga processor ng espasyo ay nakakagulat na mabagal
Magsimula tayo sa isang halimbawa na dapat kilalanin ng lahat. Pinag-uusapan natin ang kaganapang nangyari noong Hulyo 16, 1969. Sa araw na ito, bilang bahagi ng Apollo 11 mission, inilabas ng SA-506 launch vehicle ang Apollo spacecraft mula sa kapaligiran ng Earth. At makalipas ang 4 na araw, ang mga Amerikanong astronaut na sina Buzz Aldrin at Neil Armstrong ay nakatapak sa ibabaw ng buwan sa unang pagkakataon sa kasaysayan ng tao. Ang misyon ay matagumpay na naisakatuparan sa tulong ng AGC (Apollo Guidance Computer), na binuo noong 1966. Ang disenyo ay medyo kawili-wili mula sa punto ng view ng teknolohiya ng computer, ngunit sa pagtingin sa mga teknikal na katangian ng aparatong ito, maaari lamang mabigla ang isa na ang misyon ay matagumpay sa lahat. Isipin na lang, ang chip sa board ay gumana sa dalas ng orasan na 2,048 MHz lamang at may RAM na 2048 na salita lamang. Oo, eksakto ang mga salita. Iyon ay, ngayon ay tila hindi kapani-paniwala, ngunit sa oras na iyon ito ay isa sa mga pinaka-modernong computer.
Kapansin-pansin na ang isang computer sa bahay ay nag-aalok ng katulad na pagganap Apple II, inilabas makalipas ang ilang taon. Sa madaling salita, sa oras na iyon ang spacecraft ay may mga teknikal na kagamitan na nauna sa panahon nito.
Gayunpaman, ang kalagayang ito ay tumagal hanggang sa isang tiyak na punto, mabilis na naging malinaw na ang isang mas mahusay na aparato ay hindi palaging ang pinakamahusay na solusyon, at kung minsan ay maaari itong maging mas mapanganib. Ang pagbabagong punto sa kasaysayan ng space electronics ay ang pagpapasiya ng eksaktong halaga ng cosmic radiation at ang epekto nito sa teknolohiya. Ngunit paano nakakaapekto ang radiation sa processor mismo?
Nang ang Gemini spacecraft, na nilagyan ng isang simpleng on-board na computer, ay inilunsad sa kalawakan, ang mga teknolohiyang ginamit upang lumikha nito ay, sa ngayon, ay lubhang primitive. Gayunpaman, sa espasyo ito ay naging isang malaking kalamangan.
Sa ngayon, kapag lumilikha ng mga bagong processor, mas modernong teknolohikal na proseso ang ginagamit, ngayon ay madali tayong makabili, halos, mga microscopic na processor na ginawa ng 7 nm lithography. Kung mas maliit ang chip, mas kaunting boltahe ang kailangan para i-on at i-off ito. Sa kalawakan, maaari itong magdulot ng malubhang problema. Ang katotohanan ay sa ilalim ng impluwensya ng mga particle ng radiation, may posibilidad ng hindi planadong paglipat ng estado kung saan ang transistor ay magiging. Ito, sa turn, ay maaaring maging sanhi ng huli na huminto sa pagtatrabaho sa pinaka hindi inaasahang sandali, o ang mga kalkulasyon na ginawa gamit ang naturang processor ay magiging hindi tumpak. At sa kalawakan, ito ay hindi katanggap-tanggap at maaaring humantong sa mga trahedya na kahihinatnan.
Ang isang kagiliw-giliw na halimbawa ay, halimbawa, ang Intel 386SX processor (isang cut-down na bersyon ng Intel 80386), na kinokontrol ang tinatawag na glass cabin. Tumakbo ito sa bilis ng orasan na humigit-kumulang 20 MHz, ibig sabihin ay makakagawa ito ng mga gawain sa 20 cycle bawat segundo. Nasa oras na ng debut nito sa pagtatayo ng espasyo, ang chip ay walang partikular na mataas na bilis, ngunit higit sa lahat, salamat sa mababang dalas ng orasan, ligtas ang processor.
Kapag nalantad sa radiation, ang mga particle nito ay maaaring makapinsala sa data na nakaimbak sa cache memory ng processor. Ito ay posible sa isang napakaikling window - mababawasan ito nang malaki sa mababang timing, ibig sabihin, ang mas mabilis na mga circuit ay mas nakalantad sa radiation. Sa madaling salita, ang radiation ay maaaring makaapekto sa pag-iimbak ng data at makapinsala sa processor mismo. Ito ay hindi katanggap-tanggap sa ilalim ng mga kondisyon ng pagpapatakbo ng isang istasyon ng kalawakan, paglulunsad ng sasakyan o probe. Walang sinuman ang magsasapanganib ng isang milyong dolyar na proyekto.
Basahin din: Ano ang makahahadlang sa atin sa kolonisasyon ng Mars?
Mapanirang radiation
Sa isang pagkakataon, ang epekto ng radiation ay nabayaran ng mga pagbabago sa proseso ng produksyon mismo, halimbawa, ang mga materyales tulad ng gallium arsenide ay ginamit. Gayunpaman, ang bawat pagbabago ay napakamahal. Bilang karagdagan, ang mga sistema para sa mga sasakyan sa espasyo ay nilikha sa mga dalubhasang pabrika sa maliit na dami. Tanging ang paggamit ng teknolohiyang RHBD ang naging posible na gamitin ang karaniwang proseso ng CMOS sa paggawa ng mga microcircuits na lumalaban sa radiation. Ginamit din ang mga diskarte tulad ng triple redundancy, na nagbibigay-daan sa tatlong magkakaparehong kopya ng parehong bit na maimbak sa lahat ng oras. Kapag kailangan ang mga ito, pipiliin ang pinakamahusay.
Ang mapanirang epekto ng radiation sa mga sistema ng spacecraft ay minsang naging sanhi ng pagkabigo ng Russian Phobos-Grunt mission. Ang WS512K32V20G24M chip, na idinisenyo para sa sasakyang panghimpapawid ng militar, ay nasira ng mabibigat na ions mula sa cosmic ray. Nasira ng sobrang agos ang computer at napunta ito sa safe mode. Dahil sa mga problema sa komunikasyon, hindi posible ang pag-restart, na humantong sa pagpasok ng probe sa atmospera at pagkasunog nito.
Samakatuwid, para sa mga proyekto na may mahabang buhay ng serbisyo, talagang matibay na mga bloke ang ginagamit. Halimbawa, ang teleskopyo ng Hubble ay orihinal na nilagyan ng 8-bit na unit ng Rockwell Autonetics DF-224 na may dalas ng orasan na 1,25 MHz. Sa lalong madaling panahon naging malinaw na ito ay isang masamang ideya, at ang NASA ay kailangang dumaan sa proseso ng pagpapalit ng chip sa isang Intel. Noong 1993, ang teleskopyo ay iniakma upang suportahan ang Intel 386, at sa panahon ng service mission 3A noong 1999, ang pares ng DF-224 at Intel 386 chips ay pinalitan ng Intel 486 chip.
Naibigay na natin ang halimbawa ng istasyon ng espasyo dito. Tila ang isang malaki at kumplikadong istraktura ay dapat magkaroon ng isang napakahusay na sistema sa board. Gayunpaman, hindi ito ang kaso. Ito ay kilala na ang pangunahing computer sa International Space Station (ISS) ay tumatakbo sa nabanggit na bloke ng Intel 386. Karaniwan, dalawang set ng tatlong mga computer ang ginagamit - isang Russian at isang Amerikano. Tingnan din natin ang mas bagong New Horizons spacecraft, na lumipad sa Pluto noong 2015 at nag-target sa Kuiper Belt. Ang Mongoose-V chip na lumalaban sa radiation na may dalas ng orasan na 15 MHz, na may kakayahang magsagawa ng mga gawain sa bilis na 40 cycle bawat segundo, ay responsable para sa karamihan ng mga pag-andar sa device na ito. Ang pagganap nito ay malapit sa pagganap ng processor kung saan tumatakbo ang console PlayStation.
Kung titingnan natin ang kahit napakamodernong spacecraft, nakikita natin na ang mga designer ay gumagamit ng mga solusyon na kadalasang ilang dekada na ang edad. Kamakailan, pinanood ng buong mundo ang paglapag ng Curosity rover sa Mars. Iilan lang ang makakapag-isip na nasa loob ang isang BAE RAD750 processor na na-clock sa 200 MHz lang, isang pinahusay na bersyon ng IBM PowerPC 750 chip. Kung nagmamay-ari ka na ng computer Apple, maaaring kilala mo ang processor na ito mula sa serye ng iMac. Bukod dito, ginamit din nito ang hindi gaanong mahusay na microprocessor mula sa Nintendo Wii console. Kaugnay ng mga kinakailangan ng operasyon sa mga kondisyon ng tumaas na radiation, ang dalas ng orasan nito ay nabawasan ng higit sa tatlong beses.
Nabanggit na namin na ang Perseverance rover ay tumatakbo din sa isang processor na inilabas higit sa 20 taon na ang nakalilipas. Sa madaling salita, walang nagbago, at ang spacecraft na nagkakahalaga ng milyun-milyong dolyar ay gumagamit ng mga microprocessor na inilabas noong nakaraang siglo. Hindi mahalaga kung paano ito tunog, ngunit ito ay totoo.
Basahin din: Space sa iyong computer. 5 Pinakamahusay na Astronomy Apps
Software at mga computer na nagpapatakbo ng Crew Dragon, Falcon at Starlink
Nagpasya kaming alamin nang mas detalyado kung ano ang ginagamit bilang software, gamit ang halimbawa ng sikat na Crew Dragon, Falcon at Starlink.
Kapag narinig namin ang pangalan ng Crew Dragon spacecraft, iniisip ng maraming tao ang tatlong touch screen at blue control interface na nakita namin sa mga broadcast. Marami pa ring debate tungkol sa pagiging posible ng pagkontrol sa spacecraft gamit ang mga touchscreen sa halip na mga button, switch, at joystick. SpaceX pinili ang pagpipiliang ito dahil ang kanilang layunin ay ang disenyo ng barko sa paraang hindi ito nangangailangan ng anumang kontrol at, sa parehong oras, na ang mga tripulante ay palaging may access sa maraming impormasyon hangga't maaari. Ang barko ay ganap na nagsasarili, at ang tanging bagay na dapat kontrolin ng mga astronaut ay limitado sa mga panloob na sistema ng cabin, tulad ng dami ng audio system. Ang kontrol sa paglipad ng barko at ang pinakamahalagang sistema nito ng mga astronaut ay dapat na isagawa lamang sa mga emergency na kaso, at sinubukan ng SpaceX sa tulong ng mga astronaut mismo na bumuo ng pinakamahusay na graphical na interface para sa mga gawaing ito.
Gayunpaman, dapat tandaan na ang mga pangunahing pag-andar ng barko ay maaaring kontrolin gamit ang mga pindutan na matatagpuan sa ibaba ng display. Ang crew ay may kakayahang simulan ang fire extinguishing system, buksan ang mga parachute kapag muling pumasok sa atmospera, matakpan ang flight sa ISS, magsimula ng emergency descent mula sa orbit, i-reset ang on-board na mga computer at magsagawa ng iba pang mga emergency na gawain. Ang isang pingga sa ilalim ng gitnang display ay nagpapahintulot sa mga astronaut na simulan ang sistema ng paglisan. Mayroon din silang mga button na magsisimula at magkansela ng mga command na ipinasok gamit ang mga display. Sa ganoong paraan, kung ang astronaut ay nagsagawa ng isang utos sa display at ito ay nabigo, mayroon pa rin siyang kakayahang kanselahin ang utos sa pamamagitan ng pagpindot sa isang pindutan sa ibaba ng display. Ang kalinawan at kakayahang kontrolin ng mga display ay sinubukan din sa ilalim ng mga kondisyon ng vibration, at ang mga test team at astronaut ay nagsagawa ng maraming pagsubok sa mga guwantes at selyadong mga spacesuit.
Marahil ang pinakamahalagang kinakailangan para sa isang missile at ship control system ay, siyempre, pagiging maaasahan. Sa kaso ng SpaceX rockets, ito ay sinisiguro, una sa lahat, dahil sa system redundancy, iyon ay, dahil sa paggamit ng ilang magkaparehong bahagi na nagtutulungan at maaaring duplicate at umakma sa isa't isa. Sa partikular, ang Falcon 9 ay may kabuuang tatlong magkakahiwalay na on-board na computer. Ang bawat isa sa mga computer na ito ay nagbabasa ng data mula sa mga sensor at system ng rocket, nagsasagawa ng mga kinakailangang kalkulasyon, gumagawa ng mga desisyon tungkol sa karagdagang mga aksyon at bumubuo ng mga utos upang gawin ang mga desisyong iyon. Ang lahat ng tatlong mga computer ay magkakaugnay, at ang mga resulta na nakuha ay inihambing at nasuri.
Ang mga computer ay batay sa dual-core na mga processor ng PowerPC. Muli, ang parehong mga core ay gumaganap ng parehong mga kalkulasyon, ihambing ang mga ito sa isa't isa, at suriin para sa pagkakapare-pareho. Kaya, habang ang hardware redundancy ay tatlong beses, ang software-computational redundancy ay anim na beses. Kasabay nito, maaari mong ibalik ang isang may sira na computer sa isang gumaganang estado, halimbawa, sa pamamagitan ng pag-reboot. Kung nabigo ang pangunahing computer, isa sa natitirang mga computer ang papalit.
Sa kaganapan ng mga problema sa mga computer o iba pang mga sistema, ang kapalaran ng misyon ay nakasalalay sa desisyon ng Autonomous Flight Safety System (AFSS). Ito ay isang ganap na independiyenteng on-board na computer system na gumagana sa isang set ng ilang microcontrollers (maliit na computer), tumatanggap ng parehong data mula sa mga sensor, mga resulta ng pagkalkula at mga utos mula sa mga on-board na computer at kinokontrol ang ligtas na kurso ng flight.
Upang matiyak na ang lahat ng mga computer ay palaging may pinaka maaasahang data na posible, karamihan sa mga sensor ay kalabisan, gayundin ang mga computer na nagbabasa ng data na ito at pagkatapos ay ipinapadala ito sa mga on-board na computer. Sa parehong paraan, ang mga computer na kumokontrol sa mga indibidwal na subsystem ng missile (mga makina, rudder, maneuvering nozzle, atbp.) ay nadoble ng mga on-board na command ng computer. Kaya, ang Falcon 9 ay kinokontrol ng isang buong puno na binubuo ng hindi bababa sa 30 mga computer. Sa tuktok ng puno ay may mga on-board na computer na namamahala sa isang network ng mga subordinate na computer. Ang bawat isa ay may sariling channel ng komunikasyon sa bawat on-board na computer nang hiwalay. Kaya lahat ng mga koponan ay lumapit sa kanya ng tatlong beses.
Ngunit tulad ng nakikita mo, lahat ng on-board na computer ay nakabatay sa mga simpleng microchip, hindi sa mga sopistikadong microcircuits ng mga modernong supercomputer.
Basahin din: Universe: Ang pinaka-hindi pangkaraniwang mga bagay sa kalawakan
Ang kinabukasan ng space chips
Ang paggamit ng medyo lumang mga processor ay hindi nangangahulugan na ang mga bago ay hindi nalilikha. Kaya lang, ang proseso ng paglikha ng mga ito ay napakahirap at tumatagal ng maraming oras. Dapat ding maunawaan na ang bawat istraktura na gagamitin sa espasyo ay dapat matugunan ang mga kinakailangan ng klase ng MIL-STD-883. Nangangahulugan ito na pumasa sa higit sa 100 pagsubok na binuo ng US Department of Defense, kabilang ang thermal, mechanical, electrical at iba pang mga chip test. Karamihan sa mga processor na nakapasa sa pagsubok na ito ay ginawa mula lamang sa gitnang bahagi ng silicon wafer. Ito ay dahil dito ang mga depekto sa gilid ay hindi gaanong malamang na mangyari.
Kasama sa listahan ng mga proyekto para sa spacecraft sa hinaharap, bukod sa iba pa, ang serye ng mga sistema ng HPSC na binuo ng NASA. Tulad ng inaasahan, ang mga processor ay dapat na handa sa pagliko ng 2023 at 2024. Ang kanilang pagganap ay dapat na higit sa 100 beses na mas mataas kaysa sa pinakamabilis na sistema na kasalukuyang ginagamit sa spacecraft. Ang mga Amerikano ay nakatuon sa pagbuo ng mga chips na makakatulong sa pagsakop sa buwan at Mars. Ngunit sa ngayon ito ay mga proyekto lamang.
Ang European Space Agency, na bumubuo ng mga chips batay sa open-source na arkitektura ng SPARK sa loob ng mahabang panahon, ay gumagamit ng bahagyang naiibang diskarte. Ang pinakabagong naturang produkto ay ang modelong GR740 mula sa pamilyang LEON4FT. Ang quad-core na 250 MHz processor na ito, na nilagyan ng gigabit network adapter at 2 MB ng L1000 cache, ay dapat na isang angkop na platform para sa unmanned spacecraft at mga satellite. Ayon sa mga kalkulasyon ng mga siyentipiko, ang disenyo at mga katangian ng processor ay dapat na ginagarantiyahan ang normal na operasyon nito kahit na pagkatapos ng 300 taon. Ginagarantiyahan ng mga siyentipiko na pagkatapos lamang ng 250 taon ng pagpapatakbo ng chip, hindi bababa sa isang error ang maaaring mangyari. Ito ay nagbibigay inspirasyon sa tiwala sa lakas at tibay ng spacecraft, dahil ang paglipad sa parehong Mars ay aabutin ng mga 300-XNUMX araw, at ito ay isang maginhawang tilapon lamang. Ang mga probes kung minsan ay gumagala sa kalawakan nang maraming taon.
Bilang isang kawili-wiling katotohanan, ito ay nagkakahalaga ng pagbanggit na noong 2017, inilunsad ng HPE at NASA ang unang komersyal na high-performance na computer sakay ng SpaceX Falcon 9 rocket. Isang dual-socket na HPE Apollo 40 server na may mga processor ng Intel Broadwell at isang mabilis na 56 Gbit/ s interface ay dumating sa International Space Station. Kung paniniwalaan ang mga siyentipiko, ang pagganap nito ay 1 TFLOPS lamang, ngunit marami pa rin ito para sa mga kondisyon ng espasyo.
Ipinapakita nito kung gaano kahirap magdisenyo ng mga chip para magamit sa labas ng ating planeta, at kung gaano karaming trabaho ang kailangang gawin upang makahabol sa kahit man lang mainstream na mga home PC processor.
Ngunit ang mga siyentipiko ay gumagawa ng mahusay na pagsisikap na bumuo ng pinakamalakas na microchip na hindi lamang susuportahan ang pagpapatakbo ng spacecraft, ngunit mapagkakatiwalaan din na protektado mula sa radiation at radiation ng espasyo. Maaaring baguhin ng mga quantum computer ang sitwasyon, ngunit iyon ay ibang kuwento.
Basahin din:
Optoelectronics/quantum computers?
Ang 20 MHz ay 20000000 na operasyon bawat segundo. Ang 20000 ay 20 KHz.
"Ang quad-core processor na ito ay nag-clock sa 250 MHz, nilagyan ng gigabit chip at 2 MB ng LXNUMX cache."
Anong klaseng chip?
Ito ang hindi ko pansin. Salamat sa pagpansin. Ito ay tungkol sa isang gigabit network adapter. Inayos.
"malamang na marami sa inyo ang magugulat sa kung gaano kakaunti ang kailangan upang makontrol, halimbawa, ang isang istasyon ng espasyo" - Sa halip ay nakakagulat kung gaano karaming mga mapagkukunan ang ginagamit ng mga modernong computer para sa ilan sa mga pinakasimpleng gawain. Upang, halimbawa, magbukas ng isang pahina sa Internet, kailangan mo ng isang mas malakas na processor at mas maraming memorya kaysa sa pagkontrol ng isang istasyon ng espasyo.