Keista, bet šiuolaikiniai erdvėlaiviai aprūpinti pasenusiais procesoriais, kurie buvo sukurti dar XX amžiuje. Šiame straipsnyje mes jums pasakysime, kokia yra šios padėties priežastis.
Erdvėlaiviai – tikri technologijų stebuklai, aprūpinti įvairiausia elektronika. Žinoma, tai apima ir procesorius, kurių dėka įranga gali atlikti labai sudėtingus skaičiavimus. Tačiau NASA ir kitų kosmoso agentūrų kūrime naudojami lustai dažnai gali atrodyti kaip pasenę įrenginiai, kurie jau seniai nebegaminami.
Kai kalbame apie procesorių, tikriausiai iš karto iškyla mūsų stalinių kompiuterių blokai. Daugelis lustų turėjo įtakos technologijų pramonei. Šiuo metu jau sukurti galingi superkompiuteriai, turintys didžiulę skaičiavimo galią. Būtų logiška naudoti panašią įrangą tokioje sudėtingoje technologijų srityje kaip kosmoso tyrimai. Nusileidimas Mėnulyje arba kosminio zondo paleidimas ir manevravimas milijonų kilometrų atstumu nuo mūsų planetos tikrai reikalauja daug skaičiavimo galių. Pasirodo, taip nėra, ir daugelis tikriausiai nustebsite, kiek nedaug reikia, kad būtų galima valdyti, tarkime, kosminę stotį. Beje, naujasis Perseverance rover, kuris neseniai sėkmingai nusileido Raudonojoje planetoje, yra pagrįstas RAD750 procesoriumi, kuris yra speciali PowerPC 750 versija - iMac G3 kompiuterių širdis, pasirodžiusi daugiau nei prieš 20 metų. . O sraigtasparnis „Ingenuity“, kuris šiuo metu taip pat veikia Marse, yra aprūpintas procesoriumi Snapdragon 801. Šie erdvėlaiviai, atliekantys sudėtingiausias skaičiavimo operacijas, dirba su tokiais „įprastais“ ar net pasenusiais mikroprocesoriais. Tačiau tokia padėtis vargu ar pasikeis net ateityje. Išsiaiškinkime, kodėl NASA ir kitų kosmoso agentūrų mokslininkai yra priversti naudoti tokius silpnus SoC.
Taip pat skaitykite: Terraformuojantis Marsas: ar Raudonoji planeta gali virsti nauja Žeme?
Kosminiai procesoriai stebėtinai lėti
Pradėkime nuo pavyzdžio, kuris turėtų būti visiems gerai žinomas. Kalbame apie įvykį, nutikusį 16 metų liepos 1969 dieną. Šią dieną, vykdydama misiją „Apollo 11“, nešėja raketa SA-506 iš Žemės atmosferos iškėlė erdvėlaivį „Apollo“. O po 4 dienų amerikiečių astronautai Buzzas Aldrinas ir Neilas Armstrongas pirmą kartą žmonijos istorijoje įkėlė koją į Mėnulio paviršių. Misija buvo sėkmingai įvykdyta pasitelkus AGC (Apollo Guidance Computer), sukurtą dar 1966 m. Kompiuterinės technikos požiūriu dizainas buvo gana įdomus, tačiau pažvelgus į šio įrenginio technines charakteristikas, belieka tik stebėtis, kad misija apskritai pavyko. Tik pagalvokite, laive esantis lustas veikė tik 2,048 MHz laikrodžio dažniu ir turėjo tik 2048 žodžių RAM. Taip, būtent žodžiai. Tai yra, dabar tai atrodo tiesiog neįtikėtina, tačiau tuo metu tai buvo vienas moderniausių kompiuterių.
Verta paminėti, kad namų kompiuteris pasiūlė panašų našumą Apple II, paleistas po kelerių metų. Kitaip tariant, tuo metu erdvėlaivis turėjo techninę įrangą, kuri pralenkė savo laiką.
Tačiau tokia padėtis tęsėsi iki tam tikro momento, greitai paaiškėjo, kad efektyvesnis įrenginys nebūtinai yra geriausias sprendimas, o kartais gali būti ir pavojingesnis. Kosminės elektronikos istorijos lūžis buvo tikslių kosminės spinduliuotės verčių ir jos įtakos technologijoms nustatymas. Tačiau kaip spinduliuotė veikia patį procesorių?
Kai į kosmosą buvo paleistas erdvėlaivis „Gemini“, aprūpintas paprastu borto kompiuteriu, jam sukurti naudotos technologijos šiandien buvo itin primityvios. Tačiau erdvėje tai pasirodė didelis privalumas.
Šiais laikais kuriant naujus procesorius naudojami modernesni technologiniai procesai, dabar nesunkiai įsigyjame praktiškai mikroskopinius 7 nm litografijos būdu pagamintus procesorius. Kuo mažesnis lustas, tuo mažesnės įtampos reikia jį įjungti ir išjungti. Kosmose tai gali sukelti rimtų problemų. Faktas yra tas, kad veikiant radiacijos dalelėms, yra galimybė neplanuotai perjungti būseną, kurioje bus tranzistorius. Dėl to pastarasis gali nustoti veikti pačiu netikėčiausiu momentu arba naudojant tokį procesorių atlikti skaičiavimai bus netikslūs. O kosmose tai nepriimtina ir gali sukelti tragiškų pasekmių.
Įdomus pavyzdys yra, pavyzdžiui, „Intel 386SX“ procesorius (sumažinta „Intel 80386“ versija), kuris valdė vadinamąją stiklinę kabiną. Jis veikė maždaug 20 MHz taktiniu dažniu, ty galėjo atlikti užduotis 20 000 ciklų per sekundę greičiu. Jau debiutuodamas kosminėse statybose lustas nepasižymėjo itin dideliu greičiu, bet dar svarbiau, kad dėl žemo taktinio dažnio procesorius buvo saugus.
Veikiamos spinduliuotės, jos dalelės gali sugadinti duomenis, saugomus procesoriaus talpykloje. Tai įmanoma per labai trumpą laikotarpį – mažas laikas jį žymiai sumažina, o tai reiškia, kad greitesnės grandinės yra labiau veikiamos spinduliuotės. Paprasčiau tariant, spinduliuotė ilgainiui gali paveikti duomenų saugojimą ir sugadinti patį procesorių. Tai nepriimtina kosminės stoties, nešančiosios raketos ar zondo veikimo sąlygomis. Niekas nerizikuos milijoniniu projektu.
Taip pat skaitykite: Kas gali sutrukdyti mums kolonizuoti Marsą?
Destruktyvi spinduliuotė
Kadaise radiacijos poveikį kompensavo paties gamybos proceso pokyčiai, pavyzdžiui, buvo naudojamos tokios medžiagos kaip galio arsenidas. Tačiau kiekviena modifikacija buvo labai brangi. Be to, kosminių transporto priemonių sistemos yra kuriamos specializuotose gamyklose nedideliais kiekiais. Tik RHBD technologijos naudojimas leido naudoti standartinį CMOS procesą gaminant spinduliuotei atsparias mikroschemas. Taip pat buvo naudojami tokie metodai kaip trigubas perteklius, leidžiantis visą laiką saugoti tris identiškas to paties bito kopijas. Kai jų reikia, išrenkamas geriausias.
Pražūtingas radiacijos poveikis erdvėlaivių sistemoms kažkada sukėlė Rusijos Phobos-Grunt misijos nesėkmę. WS512K32V20G24M mikroschema, skirta kariniams orlaiviams, buvo pažeista sunkiųjų kosminių spindulių jonų. Per didelė srovė sugadino kompiuterį ir jis persijungė į saugųjį režimą. Dėl ryšio problemų pakartotinis paleidimas nebuvo įmanomas, todėl zondas pateko į atmosferą ir užsidegė.
Todėl ilgai tarnaujantiems projektams naudojami tikrai patvarūs blokeliai. Pavyzdžiui, Hablo teleskopas iš pradžių buvo aprūpintas 8 bitų Rockwell Autonetics DF-224 bloku, kurio laikrodžio dažnis buvo 1,25 MHz. Netrukus paaiškėjo, kad tai buvo bloga idėja, ir NASA turėjo pakeisti lustą Intel. 1993 m. teleskopas buvo pritaikytas palaikyti Intel 386, o 3 m. 1999A aptarnavimo misijos metu DF-224 ir Intel 386 lustų pora buvo pakeista Intel 486 lustu.
Čia jau pateikėme kosminės stoties pavyzdį. Atrodytų, kad tokia didelė ir sudėtinga struktūra turėtų turėti labai efektyvią sistemą. Tačiau taip nėra. Žinoma, kad pagrindinis Tarptautinės kosminės stoties (TKS) kompiuteris dirba jau minėtu Intel 386 bloku. Iš esmės naudojami du komplektai po tris kompiuterius – po vieną rusišką ir amerikietišką. Taip pat pažvelkime į daug naujesnį erdvėlaivį „New Horizons“, kuris 2015 m. skrido Plutonu ir nusitaikė į Kuiperio juostą. Spinduliui atsparus Mongoose-V lustas, kurio taktinis dažnis yra 15 MHz, galintis atlikti užduotis 40 000 ciklų per sekundę greičiu, buvo atsakingas už daugumą šio įrenginio funkcijų. Jo našumas yra artimas procesoriaus, kuriame veikia konsolė, našumui PlayStation.
Žvelgdami net į labai modernius erdvėlaivius matome, kad dizaineriai naudoja sprendimus, kurie dažnai yra kelių dešimtmečių senumo. Neseniai visas pasaulis stebėjo marsaeigio Curosity nusileidimą Marse. Mažai kas būtų atspėjęs, kad viduje buvo BAE RAD750 procesorius, kurio taktinis dažnis yra vos 200 MHz – patobulinta IBM PowerPC 750 lusto versija. Jei kada nors turėjote kompiuterį Apple, galbūt žinote šį procesorių iš „iMac“ serijos. Be to, jis taip pat naudojo mažiau efektyvų „Nintendo Wii“ konsolės mikroprocesorių. Atsižvelgiant į eksploatavimo reikalavimus padidintos spinduliuotės sąlygomis, jo laikrodžio dažnis buvo sumažintas daugiau nei tris kartus.
Jau minėjome, kad „Perseverance rover“ taip pat veikia su procesoriumi, kuris buvo išleistas daugiau nei prieš 20 metų. Kitaip tariant, niekas nepasikeitė, o milijonus dolerių kainuojantys erdvėlaiviai naudoja praėjusiame amžiuje išleistus mikroprocesorius. Nesvarbu, kaip tai skamba, bet tai tiesa.
Taip pat skaitykite: Vieta jūsų kompiuteryje. 5 geriausios astronomijos programos
Programinė įranga ir kompiuteriai, kuriuose veikia Crew Dragon, Falcon ir Starlink
Mes nusprendėme išsamiau išsiaiškinti, kas naudojama kaip programinė įranga, naudodamiesi garsiųjų „Crew Dragon“, „Falcon“ ir „Starlink“ pavyzdžiu.
Kai išgirstame erdvėlaivio „Crew Dragon“ pavadinimą, daugelis galvoja apie tris jutiklinius ekranus ir mėlyną valdymo sąsają, kurią matėme per transliacijas. Vis dar daug diskutuojama apie galimybę valdyti erdvėlaivį naudojant jutiklinius ekranus, o ne mygtukus, jungiklius ir vairasvirtes. SpaceX pasirinko šį variantą, nes jų tikslas buvo suprojektuoti laivą taip, kad jam nereikėtų jokios kontrolės, o tuo pačiu, kad įgula visada turėtų prieigą prie kuo daugiau informacijos. Laivas yra visiškai autonomiškas, o vienintelis dalykas, kurį astronautai turi valdyti, yra tik vidinės salono sistemos, pavyzdžiui, garso sistemos garsumas. Laivo ir svarbiausių jo sistemų skrydžio kontrolę astronautai turėtų atlikti tik avariniais atvejais, o „SpaceX“ su pačių astronautų pagalba bandė sukurti geriausią grafinę sąsają šioms užduotims atlikti.
Tačiau reikia pažymėti, kad pagrindines laivo funkcijas galima valdyti po ekranu esančiais mygtukais. Įgula turi galimybę paleisti gaisro gesinimo sistemą, atidaryti parašiutus, kai vėl patenka į atmosferą, nutraukti skrydį į TKS, pradėti avarinį nusileidimą iš orbitos, iš naujo nustatyti borto kompiuterius ir atlikti kitas avarines užduotis. Svirtis po viduriniu ekranu leidžia astronautams paleisti evakuacijos sistemą. Jie taip pat turi mygtukus, kurie paleidžia ir atšaukia komandas, įvestas naudojant ekranus. Tokiu būdu, jei astronautas įvykdo komandą ekrane ir ji nepavyksta, jis vis tiek turi galimybę atšaukti komandą paspausdamas mygtuką po ekranu. Ekranų aiškumas ir valdomumas taip pat buvo išbandytas vibracijos sąlygomis, o bandymų komandos ir astronautai atliko daugybę bandymų su pirštinėmis ir sandariais skafandrais.
Ko gero, svarbiausias reikalavimas raketų ir laivų valdymo sistemai, be abejo, yra patikimumas. SpaceX raketų atveju tai visų pirma užtikrinama dėl sistemos pertekliaus, tai yra dėl kelių identiškų komponentų, kurie veikia kartu ir gali dubliuoti bei papildyti vienas kitą, panaudojimo. Visų pirma, „Falcon 9“ iš viso turi tris atskirus borto kompiuterius. Kiekvienas iš šių kompiuterių nuskaito duomenis iš raketos jutiklių ir sistemų, atlieka reikiamus skaičiavimus, priima sprendimus dėl tolesnių veiksmų ir generuoja komandas tiems sprendimams priimti. Visi trys kompiuteriai yra tarpusavyje sujungti, o gauti rezultatai lyginami ir analizuojami.
Kompiuteriai yra pagrįsti dviejų branduolių PowerPC procesoriais. Vėlgi, abu branduoliai atlieka tuos pačius skaičiavimus, lygina juos vienas su kitu ir patikrina nuoseklumą. Taigi, nors aparatinės įrangos dubliavimas yra tris kartus, programinės įrangos skaičiavimo dubliavimas yra šešis kartus. Tuo pačiu metu sugedusį kompiuterį galite grąžinti į veikiančią būseną, pavyzdžiui, paleisdami iš naujo. Jei sugenda pagrindinis kompiuteris, vienas iš likusių kompiuterių perima valdymą.
Iškilus problemų dėl kompiuterių ar kitų sistemų, misijos likimas priklauso nuo autonominės skrydžių saugos sistemos (AFSS) sprendimo. Tai visiškai nepriklausoma borto kompiuterinė sistema, kuri veikia kelių mikrovaldiklių (mažų kompiuterių) rinkinyje, gauna tuos pačius duomenis iš jutiklių, skaičiavimo rezultatus ir komandas iš borto kompiuterių bei kontroliuoja saugią skrydžio eigą.
Siekiant užtikrinti, kad visi kompiuteriai visada turėtų kuo patikimesnius duomenis, dauguma jutiklių yra pertekliniai, kaip ir kompiuteriai, kurie nuskaito šiuos duomenis ir siunčia juos į borto kompiuterius. Lygiai taip pat kompiuteriai, valdantys atskirus raketų posistemius (variklius, vairus, manevravimo purkštukus ir kt.), yra dubliuojami borto kompiuterio komandomis. Taigi „Falcon 9“ valdo visas medis, susidedantis iš mažiausiai 30 kompiuterių. Medžio viršuje yra borto kompiuteriai, valdantys pavaldžių kompiuterių tinklą. Kiekvienas turi savo ryšio kanalą su kiekvienu borto kompiuteriu atskirai. Taigi visos komandos pas jį ateina tris kartus.
Tačiau, kaip matote, visi borto kompiuteriai yra pagrįsti paprastomis mikroschemomis, o ne sudėtingomis šiuolaikinių superkompiuterių mikroschemomis.
Taip pat skaitykite: Visata: patys neįprastiausi kosminiai objektai
Kosminių lustų ateitis
Palyginti senų procesorių naudojimas nereiškia, kad nekuriami nauji. Tiesiog jų kūrimo procesas yra labai sunkus ir užima daug laiko. Taip pat reikia suprasti, kad kiekviena konstrukcija, kuri bus naudojama erdvėje, turi atitikti MIL-STD-883 klasės reikalavimus. Tai reiškia, kad reikia išlaikyti daugiau nei 100 JAV gynybos departamento sukurtų testų, įskaitant terminius, mechaninius, elektrinius ir kitus lustų testus. Dauguma šį testą išlaikiusių procesorių yra pagaminti tik iš centrinės silicio plokštelės dalies. Taip yra todėl, kad čia mažiausia tikimybė atsirasti briaunų defektams.
Ateities erdvėlaivių projektų sąraše, be kita ko, yra NASA sukurta HPSC sistemų serija. Kaip ir tikėtasi, procesoriai turėtų būti paruošti 2023 ir 2024 metų sandūroje. Jų našumas turėtų būti daugiau nei 100 kartų didesnis nei šiuo metu erdvėlaiviuose naudojamų greičiausių sistemų. Amerikiečiai orientuojasi į lustų, galinčių padėti užkariauti Mėnulį ir Marsą, kūrimą. Tačiau kol kas tai tik projektai.
Europos kosmoso agentūra, ilgą laiką kurianti lustus pagal atvirojo kodo SPARK architektūrą, laikosi kiek kitokio požiūrio. Naujausias toks produktas yra LEON740FT šeimos modelis GR4. Šis keturių branduolių 250 MHz procesorius, aprūpintas gigabito tinklo adapteriu ir 2 MB L1000 talpyklos, turėtų būti tinkama platforma nepilotuojamiems erdvėlaiviams ir palydovams. Mokslininkų skaičiavimais, procesoriaus konstrukcija ir charakteristikos turėtų garantuoti normalų jo veikimą net po 300 metų. Mokslininkai garantuoja, kad tik po 250 lusto veikimo metų gali įvykti bent viena klaida. Tai įkvepia pasitikėjimo erdvėlaivių tvirtumu ir patvarumu, nes skrydis į tą patį Marsą užtruks apie 300-XNUMX dienų, ir tai tik patogi trajektorija. Zondai kartais klajoja kosmose metų metus.
Kaip įdomų faktą verta paminėti, kad 2017 metais HPE ir NASA paleido pirmąjį komercinį didelio našumo kompiuterį raketoje SpaceX Falcon 9. Dviejų lizdų HPE Apollo 40 serveris su Intel Broadwell procesoriais ir greitu 56 Gbit/ s sąsaja atvyko į Tarptautinę kosminę stotį. Jei reikia tikėti mokslininkais, jo našumas buvo tik 1 TFLOPS, tačiau kosmoso sąlygomis tai vis tiek buvo daug.
Tai parodo, kaip sunku sukurti lustus, skirtus naudoti už mūsų planetos ribų, ir kiek reikia nuveikti, kad būtų galima pasivyti bent jau pagrindinius namų kompiuterių procesorius.
Tačiau mokslininkai deda dideles pastangas, kad sukurtų galingiausias mikroschemas, kurios ne tik palaikytų erdvėlaivių darbą, bet ir būtų patikimai apsaugotos nuo kosminės spinduliuotės ir radiacijos. Galbūt kvantiniai kompiuteriai pakeis situaciją, bet tai jau kita istorija.
Taip pat skaitykite:
Optoelektronika/kvantiniai kompiuteriai?
20 MHz yra 20000000 operacijų per sekundę. 20000 yra 20KHz.
"Šis keturių branduolių procesorius veikia 250 MHz dažniu, turi gigabito lustą ir 2 MB LXNUMX talpyklos."
Koks čipas?
Tai mano neatidumas. Ačiū, kad pastebėjote. Tai buvo apie gigabito tinklo adapterį. Ištaisė.
„Daugelis tikriausiai nustebs, kiek mažai reikia, kad valdytume, pavyzdžiui, kosminę stotį“ – Gana stebėtina, kiek resursų šiuolaikiniai kompiuteriai sunaudoja kai kurioms paprasčiausioms užduotims atlikti. Pavyzdžiui, norint atidaryti puslapį internete, reikia galingesnio procesoriaus ir daugiau atminties nei valdyti kosminę stotį.