Şaşırtıcı, ancak modern uzay araçları, 20. yüzyılda geliştirilen eski işlemcilerle donatılmıştır. Bu yazımızda sizlere bu durumun sebebinin ne olduğunu anlatacağız.
Uzay gemileri, her türlü elektronikle donatılmış gerçek bir teknoloji harikasıdır. Tabii ki, bu, ekipmanın çok karmaşık hesaplamalar yapabilmesi sayesinde işlemcileri de içerir. Bununla birlikte, NASA ve diğer uzay ajanslarının geliştirilmesinde kullanılan çipler, genellikle uzun süredir üretimden kalkmış eski cihazlar gibi görünebilir.
İşlemci denilince akla hemen masaüstü bilgisayarlarımızın blokları geliyor. Birçok çip, teknoloji endüstrisini etkiledi. Şu anda, muazzam bilgi işlem gücüne sahip güçlü süper bilgisayarlar zaten geliştirilmiştir. Uzay araştırması gibi karmaşık bir teknolojik alanda benzer ekipmanların kullanılması mantıklı olacaktır. Ay'a inmek veya gezegenimizden milyonlarca kilometre uzakta bir uzay sondası fırlatıp manevra yapmak kesinlikle çok fazla bilgi işlem gücü gerektirir. Görünüşe göre durum pek de öyle değil ve birçoğunuz, diyelim ki bir uzay istasyonunu kontrol etmek için ne kadar az şeye ihtiyaç duyulduğuna şaşıracaksınız. Bu arada, yakın zamanda Kızıl Gezegene başarıyla inen yeni Perseverance gezici, 750 yıldan fazla bir süre önce ortaya çıkan iMac G750 bilgisayarların kalbi olan PowerPC 3'nin özel bir versiyonu olan RAD20 işlemciye dayanıyor. . Ve şu anda Mars'ta çalışan Ingenuity helikopteri, Snapdragon 801 işlemci ile donatılmıştır.En karmaşık hesaplama işlemlerini gerçekleştiren bu uzay araçları, bu tür "sıradan" ve hatta eski mikroişlemciler üzerinde çalışır. Ancak bu durumun gelecekte bile değişmesi olası değildir. NASA ve diğer uzay ajanslarındaki bilim adamlarının neden bu kadar zayıf SoC'leri kullanmaya zorlandıklarını öğrenelim.
Ayrıca okuyun: Terraforming Mars: Kızıl Gezegen yeni bir Dünya'ya dönüşebilir mi?
Uzay işlemcileri şaşırtıcı derecede yavaş
Herkesin çok iyi bilmesi gereken bir örnekle başlayalım. 16 Temmuz 1969'da yaşanan olaydan bahsediyoruz. Bu gün, Apollo 11 misyonunun bir parçası olarak SA-506 fırlatma aracı, Apollo uzay aracını Dünya atmosferinin dışına çıkardı. Ve 4 gün sonra Amerikalı astronotlar Buzz Aldrin ve Neil Armstrong, insanlık tarihinde ilk kez ayın yüzeyine ayak bastı. Görev, 1966 yılında geliştirilen AGC'nin (Apollo Rehberlik Bilgisayarı) yardımıyla başarıyla gerçekleştirildi. Tasarım, bilgisayar teknolojisi açısından oldukça ilginçti, ancak bu cihazın teknik özelliklerine bakıldığında, görevin başarılı olmasına şaşırmak mümkün değil. Bir düşünün, gemideki çip yalnızca 2,048 MHz saat frekansıyla çalışıyordu ve yalnızca 2048 kelimelik RAM'e sahipti. Evet, tam olarak kelimeler. Yani, şimdi kesinlikle inanılmaz görünüyor, ancak o zamanlar en modern bilgisayarlardan biriydi.
Bir ev bilgisayarının benzer performans sunduğunu belirtmekte fayda var. Apple II, birkaç yıl sonra yayınlandı. Yani o zamanlar uzay aracı, zamanının ilerisinde teknik donanıma sahipti.
Bununla birlikte, bu durum belirli bir noktaya kadar sürdü, daha verimli bir cihazın mutlaka en iyi çözüm olmadığı ve bazen daha tehlikeli olabileceği kısa sürede anlaşıldı. Uzay elektroniği tarihindeki dönüm noktası, kozmik radyasyonun kesin değerlerinin ve teknoloji üzerindeki etkisinin belirlenmesiydi. Ancak radyasyon işlemcinin kendisini nasıl etkiler?
Basit bir yerleşik bilgisayarla donatılmış Gemini uzay aracı uzaya fırlatıldığında, onu oluşturmak için kullanılan teknolojiler bugün itibariyle son derece ilkeldi. Ancak, uzayda büyük bir avantaj olduğu ortaya çıktı.
Günümüzde yeni işlemciler oluşturulurken daha modern teknolojik işlemler kullanılırken, artık 7nm litografi ile yapılan mikroskobik işlemcileri pratik olarak kolayca satın alabiliyoruz. Çip ne kadar küçük olursa, onu açıp kapatmak için o kadar az voltaj gerekir. Uzayda, bu ciddi sorunlara neden olabilir. Gerçek şu ki, radyasyon parçacıklarının etkisi altında, transistörün olacağı durumun plansız olarak değiştirilmesi olasılığı vardır. Bu da, ikincisinin en beklenmedik anda çalışmayı durdurmasına neden olabilir veya böyle bir işlemci kullanılarak yapılan hesaplamalar yanlış olacaktır. Ve uzayda bu kabul edilemez ve trajik sonuçlara yol açabilir.
İlginç bir örnek, örneğin, cam kabini kontrol eden Intel 386SX işlemcidir (Intel 80386'nın kısaltılmış versiyonu). Yaklaşık 20 MHz saat hızında çalışıyordu, yani görevleri saniyede 20 devirde gerçekleştirebiliyordu. Zaten uzay yapımında ilk kez piyasaya sürüldüğü sırada, çip özellikle yüksek bir hıza sahip değildi, ancak daha da önemlisi, düşük saat frekansı sayesinde işlemci güvenliydi.
Radyasyona maruz kaldığında, parçacıkları işlemcinin önbelleğinde depolanan verilere zarar verebilir. Bu çok kısa bir pencerede mümkündür - düşük zamanlama bunu önemli ölçüde azaltır, bu da daha hızlı devrelerin radyasyona daha fazla maruz kalması anlamına gelir. Basitçe söylemek gerekirse, radyasyon sonunda veri depolamayı etkileyebilir ve işlemcinin kendisine zarar verebilir. Bu, bir uzay istasyonunun, fırlatma aracının veya sondanın çalışma koşulları altında kabul edilemez. Kimse milyon dolarlık bir projeyi riske atmaz.
Ayrıca okuyun: Mars'ı kolonileştirmemizi ne engelleyebilir?
yıkıcı radyasyon
Bir zamanlar, radyasyonun etkisi, üretim sürecinin kendisindeki değişikliklerle telafi edildi, örneğin galyum arsenit gibi malzemeler kullanıldı. Ancak, her değişiklik çok pahalıydı. Ek olarak, özel fabrikalarda küçük miktarlarda uzay araçları için sistemler oluşturulur. Yalnızca RHBD teknolojisinin kullanılması, radyasyona dayanıklı mikro devrelerin üretiminde standart CMOS işleminin kullanılmasını mümkün kılmıştır. Aynı bitin üç özdeş kopyasının her zaman saklanmasına izin veren üçlü artıklık gibi teknikler de kullanıldı. İhtiyaç duyulduğunda, en iyisi seçilir.
Radyasyonun uzay aracı sistemleri üzerindeki yıkıcı etkileri, bir zamanlar Rus Phobos-Grunt görevinin başarısız olmasına neden oldu. Askeri uçaklar için tasarlanan WS512K32V20G24M çipi, kozmik ışınlardan gelen ağır iyonlardan zarar gördü. Aşırı akım bilgisayara zarar verdi ve güvenli moda geçti. İletişim sorunları nedeniyle yeniden başlatma mümkün olmadı, bu da sondanın atmosfere girmesine ve yanmasına neden oldu.
Bu nedenle hizmet ömrü uzun olan projeler için gerçekten dayanıklı bloklar kullanılmaktadır. Örneğin, Hubble teleskopu başlangıçta 8 MHz saat frekansına sahip 224 bitlik bir Rockwell Autonetics DF-1,25 ünitesi ile donatılmıştı. Kısa süre sonra bunun kötü bir fikir olduğu anlaşıldı ve NASA, çipi bir Intel ile değiştirme sürecinden geçmek zorunda kaldı. 1993'te teleskop Intel 386'yı destekleyecek şekilde uyarlandı ve 3'daki 1999A hizmet görevi sırasında DF-224 ve Intel 386 yongaları çifti bir Intel 486 yongası ile değiştirildi.
Burada uzay istasyonu örneğini zaten vermiştik. Bu kadar büyük ve karmaşık bir yapının gemide çok verimli bir sisteme sahip olması gerektiği anlaşılıyor. Ancak durum böyle değil. Uluslararası Uzay İstasyonundaki (ISS) ana bilgisayarın daha önce bahsedilen Intel 386 bloğu üzerinde çalıştığı biliniyor.Temel olarak, biri Rus ve biri Amerikalı olmak üzere üç bilgisayardan oluşan iki set kullanılıyor. Ayrıca 2015 yılında Plüton'un yanından geçen ve Kuiper Kuşağı'nı hedef alan çok daha yeni New Horizons uzay aracına da bir göz atalım. Bu cihazdaki işlevlerin çoğundan, saniyede 15 devir hızında görevleri yerine getirebilen, 40 MHz saat frekansına sahip radyasyona dayanıklı Mongoose-V yongası sorumluydu. Performansı konsolun çalıştığı işlemcinin performansına yakın PlayStation.
Çok modern uzay araçlarına bile baktığımızda, tasarımcıların genellikle birkaç on yıllık çözümler kullandığını görüyoruz. Son zamanlarda, tüm dünya Curosity gezicisinin Mars'a inişini izledi. İçinde sadece 750 MHz saat hızına sahip bir BAE RAD200 işlemci, yani IBM PowerPC 750 yongasının geliştirilmiş bir versiyonu olduğunu çok az kişi tahmin edebilirdi. Apple, bu işlemciyi iMac serisinden tanıyor olabilirsiniz. Ayrıca, Nintendo Wii konsolundaki daha az verimli mikroişlemciyi de kullandı. Artan radyasyon koşullarında çalışma gereklilikleri ile bağlantılı olarak, saat frekansı üç kattan fazla azaltılmıştır.
Azim gezicisinin 20 yılı aşkın bir süre önce piyasaya sürülen bir işlemci üzerinde de çalıştığından daha önce bahsetmiştik. Yani hiçbir şey değişmedi ve milyonlarca dolara mal olan uzay araçları, geçtiğimiz yüzyılda piyasaya sürülen mikroişlemcileri kullanıyor. Kulağa nasıl gelirse gelsin, ama bu doğru.
Ayrıca okuyun: Bilgisayarınızda yer açın. En İyi 5 Astronomi Uygulaması
Crew Dragon, Falcon ve Starlink'i çalıştıran yazılımlar ve bilgisayarlar
Ünlü Crew Dragon, Falcon ve Starlink örneğini kullanarak yazılım olarak ne kullanıldığını daha ayrıntılı olarak bulmaya karar verdik.
Crew Dragon uzay aracının adını duyduğumuzda birçok kişinin aklına yayınlar sırasında gördüğümüz üç dokunmatik ekran ve mavi kontrol arayüzü geliyor. Düğmeler, anahtarlar ve joystickler yerine dokunmatik ekranlar kullanarak uzay aracını kontrol etmenin fizibilitesi hakkında hala çok fazla tartışma var. SpaceX bu seçeneği seçtiler çünkü amaçları gemiyi herhangi bir kontrol gerektirmeyecek ve aynı zamanda mürettebatın her zaman mümkün olduğunca fazla bilgiye erişebilecek şekilde tasarlamaktı. Gemi tamamen otonom ve astronotların kontrol etmesi gereken tek şey, ses sisteminin ses seviyesi gibi iç kabin sistemleriyle sınırlı. Geminin uçuşunun ve en önemli sistemlerinin astronotlar tarafından kontrolü yalnızca acil durumlarda yapılmalıdır ve SpaceX, bu görevler için en iyi grafik arayüzü geliştirmeye astronotların yardımıyla çalıştı.
Ancak, geminin temel fonksiyonlarının ekranın altında yer alan butonlar kullanılarak kontrol edilebileceğine dikkat edilmelidir. Mürettebat, yangın söndürme sistemini başlatma, atmosfere yeniden girerken paraşütleri açma, ISS'ye uçuşu durdurma, yörüngeden acil iniş başlatma, yerleşik bilgisayarları sıfırlama ve diğer acil durum görevlerini yerine getirme yeteneğine sahiptir. Orta ekranın altındaki bir kol, astronotların tahliye sistemini başlatmasına izin veriyor. Ayrıca, ekranlar kullanılarak girilen komutları başlatan ve iptal eden düğmeleri de vardır. Bu şekilde, astronot ekranda bir komut yürütür ve başarısız olursa, yine de ekranın altındaki bir düğmeye basarak komutu iptal etme yeteneğine sahip olur. Ekranların netliği ve kontrol edilebilirliği de titreşim koşulları altında test edildi ve test ekipleri ve astronotlar eldivenler ve sızdırmaz uzay giysileri içinde çok sayıda test gerçekleştirdi.
Bir füze ve gemi kontrol sistemi için muhtemelen en önemli gereksinim elbette güvenilirliktir. SpaceX roketleri söz konusu olduğunda, bu, her şeyden önce, sistem fazlalığı nedeniyle, yani birlikte çalışan ve birbirini kopyalayabilen ve tamamlayabilen birkaç özdeş bileşenin kullanılması nedeniyle sağlanır. Özellikle Falcon 9'da toplam üç ayrı yerleşik bilgisayar bulunur. Bu bilgisayarların her biri roketin sensörlerinden ve sistemlerinden gelen verileri okur, gerekli hesaplamaları yapar, sonraki eylemler hakkında kararlar verir ve bu kararları vermek için komutlar üretir. Her üç bilgisayar da birbirine bağlıdır ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılır ve analiz edilir.
Bilgisayarlar, çift çekirdekli PowerPC işlemcilere dayanmaktadır. Yine, her iki çekirdek de aynı hesaplamaları yapar, birbirleriyle karşılaştırır ve tutarlılığı kontrol eder. Böylece, donanım yedekliliği üç katlı iken, yazılım-hesaplamasal yedekliliği altı katlıdır. Aynı zamanda, örneğin yeniden başlatarak arızalı bir bilgisayarı çalışma durumuna döndürebilirsiniz. Ana bilgisayar arızalanırsa, kalan bilgisayarlardan biri devralır.
Bilgisayarlarda veya diğer sistemlerde sorun olması durumunda, görevin akıbeti Otonom Uçuş Emniyet Sisteminin (AFSS) kararına bağlıdır. Bu, bir dizi mikrodenetleyici (küçük bilgisayarlar) üzerinde çalışan, sensörlerden aynı verileri, hesaplama sonuçlarını ve araç bilgisayarlarından komutları alan ve uçuşun güvenli seyrini kontrol eden tamamen bağımsız bir araç bilgisayarı sistemidir.
Tüm bilgisayarların her zaman mümkün olan en güvenilir verilere sahip olmasını sağlamak için, bu verileri okuyan ve ardından yerleşik bilgisayarlara gönderen bilgisayarlar gibi çoğu sensör de yedeklidir. Aynı şekilde, bireysel füze alt sistemlerini (motorlar, dümenler, manevra nozülleri vb.) kontrol eden bilgisayarlar, yerleşik bilgisayar komutlarıyla çoğaltılır. Böylece Falcon 9, en az 30 bilgisayardan oluşan bütün bir ağaç tarafından kontrol ediliyor. Ağacın tepesinde, alt bilgisayarlardan oluşan bir ağı yöneten yerleşik bilgisayarlar bulunur. Her birinin, her bir yerleşik bilgisayarla ayrı ayrı kendi iletişim kanalı vardır. Yani tüm ekipler ona üç kez geliyor.
Ancak görebileceğiniz gibi, tüm yerleşik bilgisayarlar, modern süper bilgisayarların karmaşık mikro devrelerine değil, basit mikroçiplere dayanmaktadır.
Ayrıca okuyun: Evren: En sıradışı uzay nesneleri
Uzay çiplerinin geleceği
Nispeten eski işlemcilerin kullanılması, yenilerinin oluşturulmadığı anlamına gelmez. Sadece onları yaratma süreci çok zor ve çok zaman alıyor. Uzayda kullanılacak her yapının MIL-STD-883 sınıfının gereksinimlerini karşılaması gerektiği de anlaşılmalıdır. Bu, ABD Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilen, termal, mekanik, elektrik ve diğer çip testleri dahil olmak üzere 100'den fazla testi geçmek anlamına gelir. Bu testi geçen işlemcilerin çoğu, silikon gofretin yalnızca orta kısmından yapılmıştır. Bunun nedeni, kenar kusurlarının meydana gelme olasılığının en az olduğu yer burasıdır.
Geleceğin uzay araçlarına yönelik projelerin listesi, diğerlerinin yanı sıra NASA tarafından geliştirilen HPSC serisi sistemleri içerir. Beklendiği gibi, işlemciler 2023 ve 2024'ün başında hazır olacak. Performansları, şu anda uzay gemilerinde kullanılan en hızlı sistemlerden 100 kat daha yüksek olmalıdır. Amerikalılar, ayı ve Mars'ı fethetmeye yardımcı olabilecek çiplerin geliştirilmesine odaklandı. Ama şimdilik bunlar sadece proje.
Uzun süredir açık kaynaklı SPARK mimarisine dayalı çipler geliştiren Avrupa Uzay Ajansı, biraz farklı bir yaklaşım benimsiyor. Bu tür en son ürün, LEON740FT ailesinden GR4 modelidir. Gigabit ağ adaptörü ve 250 MB L2 önbellek ile donatılmış bu dört çekirdekli 1000 MHz işlemci, insansız uzay araçları ve uydular için uygun bir platform olmalıdır. Bilim adamlarının hesaplamalarına göre, işlemcinin tasarımı ve özellikleri 300 yıl sonra bile normal çalışmasını garanti etmelidir. Bilim adamları, çipin yalnızca 250 yıllık çalışmasından sonra en az bir hatanın oluşabileceğini garanti ediyor. Bu, uzay aracının gücüne ve dayanıklılığına güven veriyor, çünkü aynı Mars'a uçuş yaklaşık 300-XNUMX gün sürecek ve bu sadece uygun bir yörünge. Sondalar bazen yıllarca uzayda dolaşırlar.
İlginç bir gerçek olarak, HPE ve NASA'nın 2017 yılında SpaceX Falcon 9 roketinde ilk ticari yüksek performanslı bilgisayarı piyasaya sürdüğünü belirtmekte fayda var: Intel Broadwell işlemcilere ve hızlı 40 Gbit/ arayüzü Uluslararası Uzay İstasyonuna ulaştı. Bilim adamlarına inanılacak olursa, performansı yalnızca 56 TFLOPS'du, ancak uzay koşulları için yine de çok fazlaydı.
Gezegenimizin dışında kullanılmak üzere çip tasarlamanın ne kadar zor olduğunu ve en azından ana akım ev bilgisayar işlemcilerine yetişmek için ne kadar çalışma yapılması gerektiğini gösteriyor.
Ancak bilim adamları, yalnızca uzay aracının çalışmasını desteklemekle kalmayacak, aynı zamanda uzay radyasyonu ve radyasyondan güvenilir bir şekilde korunacak en güçlü mikroçipleri geliştirmek için büyük çaba sarf ediyorlar. Belki kuantum bilgisayarlar durumu değiştirir, ama bu başka bir hikaye.
Ayrıca okuyun:
Optoelektronik/kuantum bilgisayarlar?
20 MHz, saniyede 20000000 işlemdir. 20000, 20 KHz'dir.
"250 MHz hızında çalışan bu dört çekirdekli işlemci, bir gigabit çip ve 2 MB LXNUMX önbellek ile donatılmıştır."
Ne tür bir çip?
Bu benim dikkatsizliğim. fark ettiğiniz için teşekkürler. Bir gigabit ağ bağdaştırıcısıyla ilgiliydi. Onu düzeltti.
"Birçoğunuz, örneğin bir uzay istasyonunu kontrol etmek için ne kadar az şeye ihtiyaç duyulduğuna muhtemelen şaşıracaksınız" - Modern bilgisayarların en basit görevlerden bazıları için bu kadar çok kaynak tüketmesi oldukça şaşırtıcıdır. Örneğin, İnternette bir sayfa açmak için, bir uzay istasyonunu kontrol etmekten daha güçlü bir işlemciye ve daha fazla belleğe ihtiyacınız vardır.