Чому космічні апарати оснащені процесорами 20 століття

Це дивно, але сучасні космічні апарати оснащені застарілими процесорами, які розроблені ще в 20 столітті. У цій статті розповімо, у чому причина такого стану справ.

Космічні кораблі – це справжні дива техніки, оснащені всілякою електронікою. Зрозуміло, сюди входять і процесори, завдяки яким обладнання може виконувати дуже складні обчислення. Однак чипи, що використовуються в розробках NASA та інших космічних агентств, часто можуть виглядати як застарілі пристрої, яких давно немає у виробництві.

Коли ми говоримо про процесор, на думку, ймовірно, відразу ж приходять блоки наших настільних комп’ютерів. Багато чипів вплинули на технологічну галузь. У даний час вже розроблені потужні суперкомп’ютери з величезною обчислювальною потужністю. Логічним було б використання подібного обладнання і в такій складній технологічній сфері, як космічні дослідження. Посадка на Місяць або запуск і маневрування космічного зонду на відстані мільйонів кілометрів від нашої планети, безумовно, вимагають великих обчислювальних потужностей. Виявляється, це не зовсім так, і багатьох з вас, напевно, здивує те, як мало потрібно, щоб керувати, наприклад, космічною станцією. До речі, новий марсохід Perseverance, який нещодавно успішно приземлився на Червоній планеті, заснований на процесорі RAD750, який є спеціальною версією PowerPC 750 – серця комп’ютерів iMac G3, що вийшли понад 20 років тому. А вертоліт Ingenuity, який зараз також працює на Марсі, оснащений процесором Snapdragon 801. Ці космічні апарати, що виконують найскладніші обчислювальні операції, працюють на таких “звичайних” або навіть застарілих мікропроцесорах. Але такий стан речей навряд чи зміниться навіть у майбутньому. Давайте з’ясуємо, чому вчені NASA та інших космічних агентств змушені використовувати такі слабкі SoC.

Читайте також: Тераформування Марса: чи може Червона планета перетворитися на нову Землю?

Космічні процесори на диво повільні

Почнемо з прикладу, який має бути всім добре відомим. Ми говоримо про подію, що сталася 16 липня 1969 року. Цього дня у рамках місії “Аполлон-11” ракета-носій SA-506 вивела за межі земної атмосфери космічний корабель “Аполлон”. А через 4 дні американські астронавти Базз Олдрін і Ніл Амстронг вперше в історії людства ступили на поверхню Місяця. Місія була успішно здійснена за допомогою комп’ютера AGC (Apollo Guidance Computer), розробленого ще в 1966 році. Конструкція була досить цікавою з погляду комп’ютерних технологій, але, дивлячись на технічні характеристики цього пристрою, можна тільки дивуватися з того, що місія взагалі вдалася. Ви тільки вдумайтеся, чип на борту працював з тактовою частотою всього 2,048 МГц і мав оперативну пам’ять обсягом лише 2048 слів. Так, саме слів. Тобто, зараз це здається просто неймовірним, але на той час це був один з найсучасніших комп’ютерів.

Варто зазначити, що аналогічну продуктивність пропонував домашній комп’ютер Apple II, випущений декількома роками пізніше. Іншими словами, на той момент космічні апарати мали технічне оснащення, яке випереджало свій час.

Однак такий стан речей тривав до певного моменту, дуже швидко з’ясувалося, що більш ефективний пристрій не обов’язково має бути найкращим рішенням, а іноді може виявитися і більш небезпечним. Поворотним пунктом в історії космічної електроніки стало визначення точних значень космічного випромінювання та його впливу на техніку. Але як радіація впливає на сам процесор?

Коли в космос був запущений космічний апарат програми “Джеміні”, оснащений простим бортовим комп’ютером, технології, використані для його створення, були, як на сьогодні, надзвичайно примітивними. Однак у космосі це виявилося великою перевагою.

У даний час при створенні нових процесорів використовуються більш сучасні технологічні процеси, зараз ми можемо легко купити, практично, мікроскопічні процесори, виготовлені по літографії 7 нм. Чим менший чип, тим менша напруга необхідна для його увімкнення та вимкнення. У космосі це може спричинити серйозні проблеми. Справа в тому, що при впливі частинок радіації є ймовірність незапланованого перемикання стану, в якому буде знаходитись транзистор. Це, у свою чергу, може призвести до того, що останній перестане працювати в найнесподіваніший момент, або обчислення, які виконуються з використанням такого процесора, будуть неточними. А в космосі таке є неприпустимим і може призвести до трагічних наслідків.

Цікавим прикладом є, наприклад, процесор Intel 386SX (урізаний варіант Intel 80386), який керував так званою скляною кабіною. Він працював з тактовою частотою близько 20 МГц, а це означає, що він міг виконувати завдання зі швидкістю 20 000 циклів на секунду. Вже на момент свого дебюту в космічному будівництві чип не володів особливо високою швидкістю, проте важливішим було те, що завдяки низькій тактовій частоті процесор був безпечним.

При впливі випромінювання його частинки можуть пошкодити дані, що зберігаються в кеш-пам’яті процесора. Це можливо в дуже короткому вікні – низький таймінг значно скорочує його, тобто це означає, що більш швидкі схеми сильніше піддаються випромінюванню. Простими словами, випромінювання згодом може впливати на збереження даних і пошкоджувати сам процесор. Це неприпустимо за умов роботи космічної станції, ракети-носія чи зонда. Ризикувати мільйонним проектом не буде ніхто.

Читайте також: Що може завадити нам колонізувати Марс?

Руйнівне випромінювання

Свого часу вплив радіації компенсували змінами у самому виробничому процесі, наприклад, використовували такі матеріали, як арсенід галію. Проте, кожна модифікація коштувала дуже дорого. До того ж системи для космічних апаратів створюються на спеціалізованих заводах у невеликій кількості. Тільки використання технології RHBD дозволило використовувати стандартний процес CMOS при виробництві стійких до радіації мікросхем. Також використовувалися такі методи, як потрійна надмірність, що дозволяє постійно зберігати три однакові копії одного біта. Коли вони потрібні, вибирається найкращий.

Руйнівний вплив радіації на системи космічних апаратів свого часу спричинив невдачу російської місії Фобос-Грунт. Мікросхема WS512K32V20G24M, призначена для військових літаків, була пошкоджена важкими іонами космічного проміння. Надмірний струм пошкодив комп’ютер, і він перейшов у безпечний режим. Через проблеми зі зв’язком перезапуск був неможливий, що призвело до входу зонда в атмосферу і його згорянню.

Тому для проектів з тривалим терміном служби використовуються дійсно довговічні блоки. Наприклад, телескоп Хаббл спочатку був оснащений 8-бітним блоком Rockwell Autonetics DF-224 з тактовою частотою 1,25 МГц. Незабаром з’ясувалося, що це була погана ідея, і NASA довелося пройти через процедуру заміни чипа на Intel. У 1993 році телескоп був адаптований для підтримки Intel 386, а під час сервісної місії 3A у 1999 році пара мікросхем DF-224 та Intel 386 були замінені на мікросхему Intel 486.

Ми вже наводили тут приклад космічної станції. Здавалося б, така велика та складна структура повинна мати на борту дуже ефективну систему. Однак, це не так. Відомо, що на Міжнародній космічній станції (МКС) основний комп’ютер працює на вже згаданому блоці Intel 386. В основному використовується два комплекти по три комп’ютери – один російський та один американський. Давайте також поглянемо на набагато більш новий космічний корабель New Horizons, який у 2015 році пролетів повз Плутон і був націлений на пояс Койпера. За більшість функцій у цьому апараті відповідав стійкий до радіаційного випромінювання чип Mongoose-V з тактовою частотою 15 МГц, здатний виконувати завдання зі швидкістю 40 000 циклів на секунду. Його продуктивність близька до продуктивності процесора, на якому працює консоль PlayStation.

Коли ми дивимося навіть на дуже сучасні космічні апарати, то бачимо, що конструктори використовують рішення, яким часто вже кілька десятків років. Нещодавно весь світ спостерігав за приземленням марсоходу Curosity на Марсі. Мало хто здогадувався, що всередині знаходиться процесор BAE RAD750 з тактовою частотою всього 200 МГц, що є вдосконаленим варіантом чипа IBM PowerPC 750. Якщо у вас колись був комп’ютер Apple, ви можете знати цей процесор з серії iMac. Більш того, у ньому також використовувався не найефективніший мікропроцесор від консолі Nintendo Wii. У зв’язку з вимогами експлуатації в умовах підвищеної радіації його тактова частота знижена більш ніж утричі.

Ми вже згадували, що марсохід Perseverance теж працює на процесорі, який випущений більше 20 років тому. Іншими словами, нічого не змінилося, і космічні апарати, що коштують мільйони доларів, використовують мікропроцесори, які були випущені ще у минулому столітті. Хоч би як це не звучало, але це правда.

Читайте також: Космос на вашому комп’ютері. 5 найкращих програм з астрономії

Програмне забезпечення та комп’ютери, на яких працюють Crew Dragon, Falcon та Starlink

Ми вирішили докладніше розібратися, що ж використовується у якості програмного забезпечення, на прикладі знаменитих Crew Dragon, Falcon та Starlink.

Коли ми чуємо назву космічного апарату Crew Dragon, багато хто згадує три сенсорних екрани та синій графічний інтерфейс управління, які ми бачили під час трансляцій. Досі ведеться багато дискусій щодо доцільності керування космічним кораблем за допомогою сенсорних екранів замість кнопок, перемикачів та джойстиків. SpaceX обрала цей варіант, тому що їх метою було спроектувати корабель так, щоб він не вимагав будь-якого управління і, водночас, щоб екіпажу завжди було доступно якомога більше інформації. Корабель повністю автономний, і єдине, чим астронавти повинні керувати, обмежене внутрішніми системами кабіни, такими, наприклад, як гучність аудіосистеми. Управління польотом корабля та його найважливішими системами астронавтами має здійснюватися лише у екстрених випадках, і SpaceX постаралася з допомогою самих астронавтів розробити найкращий графічний інтерфейс для цих задач.

Однак, слід зазначити, що ключовими функціями корабля можна керувати за допомогою кнопок, які розташовані під дисплеєм. Екіпаж має можливість запускати систему пожежогасіння, розкривати парашути при поверненні в атмосферу, переривати політ до МКС, розпочинати аварійний спуск з орбіти, виконувати скидання бортових комп’ютерів та інші аварійні завдання. Важіль під середнім дисплеєм дозволяє астронавтам запустити систему евакуації. У них також є кнопки, які запускають та скасовують команди, введені за допомогою дисплеїв. Таким чином, якщо астронавт виконує команду на дисплеї, а вона зазнає невдачі, він все ще має можливість скасувати команду, натиснувши на кнопку під дисплеєм. Чіткість і керованість дисплеїв перевірялися також в умовах вібрації, а випробувальні групи та астронавти проводили безліч тестів у рукавичках та герметичних скафандрах.

Напевно, найголовніша вимога до системи управління ракетою та кораблем — це, звичайно, надійність. У випадку з ракетами SpaceX це забезпечується, в першу чергу, за рахунок резервування систем, тобто за рахунок використання декількох однакових компонентів, які працюють разом і можуть дублювати і доповнювати один одного. Зокрема, Falcon 9 має загалом три окремих бортових комп’ютери. Кожен з цих комп’ютерів зчитує дані з датчиків та систем ракети, проводить необхідні розрахунки, приймає рішення про подальші дії та генерує команди для прийняття цих рішень. Всі три комп’ютери пов’язані між собою, і отримані результати порівнюються та аналізуються.

Комп’ютери базуються на двоядерних процесорах PowerPC. Знову ж таки, обидва ядра виконують однакові обчислення, порівнюють їх між собою та перевіряють на відповідність. Таким чином, хоча апаратна надмірність є триразовою, програмно-обчислювальна надмірність – шестиразовою. При цьому можна повернути несправний комп’ютер у працездатний стан, наприклад, шляхом перезавантаження. Якщо головний комп’ютер виходить з ладу, один із тих, що залишилися, бере на себе управління.

У разі виникнення проблем з комп’ютерами або іншими системами доля місії залежить від рішення Автономної системи безпеки польотів (AFSS). Це повністю незалежна система бортових комп’ютерів, яка працює на наборі з декількох мікроконтролерів (маленьких комп’ютерів), отримує ті ж самі дані від датчиків, результати обчислень і команди від бортових комп’ютерів і управляє безпечним ходом польоту.

Щоб усі комп’ютери завжди мали максимально надійні дані, більшість датчиків є надмірними, як і комп’ютери, які зчитують ці дані і потім відправляють їх на бортові комп’ютери. Так само ЕОМ, що управляють окремими підсистемами ракети (двигунами, рулями направлення, маневровими соплами, тощо), дублюються командами бортових ЕОМ. Таким чином, Falcon 9 управляється цілим деревом, що складається щонайменше з 30 комп’ютерів. У верхній частині дерева знаходяться бортові комп’ютери, що управляють мережею підлеглих комп’ютерів. Кожен має свій канал зв’язку з кожним бортовим комп’ютером окремо. Тож усі команди приходять до нього тричі.

Але як бачимо, в основі всіх бортових комп’ютерів лежать прості мікрочипи, а не наворочені мікросхеми сучасних суперкомп’ютерів.

Читайте також: Всесвіт: Найнезвичайніші космічні об’єкти

Майбутнє космічних чипів

Використання відносно старих процесорів не означає, що нові не створюються. Просто процес їх створення дуже непростий і займає багато часу. Також треба розуміти, що кожна структура, яка використовуватиметься у космосі, має відповідати вимогам класу MIL-STD-883. Це означає проходження більше ніж 100 тестів, розроблених Міністерством оборони США, включаючи теплові, механічні, електричні та інші тести чипа. Більшість процесорів, що пройшли цей тест, виготовляються лише з центральної частини кремнієвої пластини. Це тому, що саме тут є найменш ймовірним виникнення крайових дефектів.

Список проектів для майбутніх космічних кораблів включає, серед іншого, системи серії HPSC, розроблені NASA. Як очікується, процесори мають бути готові на рубежі 2023 та 2024 років. Їхня продуктивність має бути більш ніж у 100 разів вищою, ніж у найшвидших систем, що використовуються в даний час у космічних апаратах. Американці зосереджені на розробці чипів, які можуть допомогти у підкоренні Місяця та Марсу. Але поки що це лише проекти.

Європейське космічне агентство, яке вже тривалий час займається розробкою чипів на основі архітектури з відкритим вихідним кодом SPARK, підходить трохи інакше. Останнім таким продуктом є модель GR740 з сімейства LEON4FT. Цей чотириядерний процесор з тактовою частотою 250 МГц, оснащений гігабітним мережевим адаптером і 2 МБ кеш-пам’яті другого рівня, повинен стати підходящою платформою для безпілотних космічних апаратів і супутників. За розрахунками вчених, конструкція та характеристики процесора повинні гарантувати його нормальну роботу навіть через 1000 років. Вчені гарантують, що тільки після 300 років роботи чипа може статися хоч одна помилка. Це вселяє впевненість у міцності та довговічності космічних апаратів, адже політ на той самий Марс займе близько 250-300 днів, і це лише зручною траєкторією. Зонди іноді роками блукають у космічному просторі.

Як цікавий факт, варто згадати, що в 2017 році HPE і NASA запустили перший комерційний високопродуктивний комп’ютер на борту ракети SpaceX Falcon 9. На Міжнародну космічну станцію прибув двосокетний сервер HPE Apollo 40 з процесорами Intel Broadwell і швидким інтерфейсом 56 Гбіт/с. Якщо вірити вченим, його продуктивність становила лише 1 TFLOPS, але для космічних умов це все одно було багато.

Це показує, наскільки складно проектувати чипи для використання за межами нашої планети, і яку велику роботу потрібно зробити, щоб наздогнати принаймні звичайні процесори домашніх ПК.

Але вчені докладають величезних зусиль, щоб розробляти максимально потужні мікрочипи, які не тільки підтримуватимуть роботу космічних апаратів, але й будуть надійно захищені від космічного випромінювання та радіації. Можливо, ситуацію змінять квантові комп’ютери, але це вже інша історія.

Читайте також:

• Темна матерія може складатися з прадавніх чорних дір? Що думають астрофізики
• На зв’язку Марс! Про складнощі космічних комунікацій
• Про квантові комп’ютери простими словами