Изненадващо е, но съвременните космически кораби са оборудвани с остарели процесори, разработени още през 20 век. В тази статия ще ви кажем каква е причината за това състояние на нещата.
Космическите кораби са истински чудеса на техниката, оборудвани с всякаква електроника. Разбира се, това включва и процесори, благодарение на които оборудването може да извършва много сложни изчисления. Въпреки това, чиповете, използвани в разработката на НАСА и други космически агенции, често могат да изглеждат като остарели устройства, които отдавна не се произвеждат.
Когато говорим за процесор, вероятно веднага се сещаме за блоковете на нашите настолни компютри. Много чипове са повлияли на технологичната индустрия. В момента вече са разработени мощни суперкомпютри с огромна изчислителна мощност. Би било логично да се използва подобно оборудване в такава сложна технологична област като космическите изследвания. Кацането на Луната или изстрелването и маневрирането на космическа сонда на разстояние милиони километри от нашата планета със сигурност изисква много компютърна мощност. Оказва се, че това не е съвсем така и много от вас вероятно ще се изненадат колко малко е необходимо, за да се контролира, да речем, космическа станция. Между другото, новият марсоход Perseverance, който наскоро успешно кацна на Червената планета, е базиран на процесора RAD750, който е специална версия на PowerPC 750 - сърцето на компютрите iMac G3, появили се преди повече от 20 години . А хеликоптерът Ingenuity, който също в момента работи на Марс, е оборудван с процесор Snapdragon 801. Тези космически кораби, изпълняващи най-сложните изчислителни операции, работят на такива "обикновени" или дори остарели микропроцесори. Но това състояние на нещата едва ли ще се промени дори в бъдеще. Нека разберем защо учените от НАСА и други космически агенции са принудени да използват толкова слаби SoC.
Прочетете също: Тераформиране на Марс: Може ли Червената планета да се превърне в нова Земя?
Космическите процесори са изненадващо бавни
Нека започнем с пример, който трябва да е добре известен на всички. Става дума за събитието, случило се на 16 юли 1969 г. На този ден, като част от мисията Аполо 11, ракетата носител SA-506 изведе космическия кораб Аполо извън земната атмосфера. А 4 дни по-късно американските астронавти Бъз Олдрин и Нийл Армстронг стъпват на повърхността на Луната за първи път в човешката история. Мисията беше успешно осъществена с помощта на AGC (Apollo Guidance Computer), разработен още през 1966 г. Дизайнът беше доста интересен от гледна точка на компютърните технологии, но гледайки техническите характеристики на това устройство, човек може само да се изненада, че мисията изобщо беше успешна. Само си помислете, чипът на борда работеше с тактова честота от само 2,048 MHz и имаше RAM от само 2048 думи. Да, точно думите. Тоест, сега изглежда просто невероятно, но по онова време това беше един от най-модерните компютри.
Струва си да се отбележи, че домашен компютър предлага подобна производителност Apple II, издаден няколко години по-късно. С други думи, по това време космическият кораб разполага с техническо оборудване, което е изпреварило времето си.
Въпреки това, това състояние на нещата продължи до определен момент, бързо стана ясно, че по-ефективното устройство не е непременно най-доброто решение, а понякога може да бъде и по-опасно. Повратната точка в историята на космическата електроника беше определянето на точните стойности на космическата радиация и нейното въздействие върху технологиите. Но как радиацията влияе на самия процесор?
Когато космическият кораб Gemini, оборудван с прост бордов компютър, беше изстрелян в космоса, технологиите, използвани за създаването му, към днешна дата бяха изключително примитивни. В космоса обаче това се оказа голямо предимство.
В днешно време при създаването на нови процесори се използват по-модерни технологични процеси, сега лесно можем да закупим на практика микроскопични процесори, направени чрез 7 nm литография. Колкото по-малък е чипът, толкова по-малко напрежение е необходимо за включването и изключването му. В космоса това може да причини сериозни проблеми. Факт е, че под въздействието на радиационни частици съществува възможност за непланирано превключване на състоянието, в което ще бъде транзисторът. Това от своя страна може да доведе до спиране на работата на последния в най-неочаквания момент или изчисленията, извършени с помощта на такъв процесор, ще бъдат неточни. А в космоса това е недопустимо и може да доведе до трагични последици.
Интересен пример е например процесорът Intel 386SX (съкратена версия на Intel 80386), който контролира така наречената стъклена кабина. Той работеше с тактова честота от около 20 MHz, което означава, че може да изпълнява задачи с 20 000 цикъла в секунда. Още по време на дебюта си в космическата конструкция чипът нямаше особено висока скорост, но по-важното е, че благодарение на ниската тактова честота процесорът беше безопасен.
Когато бъдат изложени на радиация, неговите частици могат да повредят данните, съхранявани в кеш паметта на процесора. Това е възможно в много кратък прозорец - ниското време го намалява значително, което означава, че по-бързите вериги са по-изложени на радиация. Просто казано, радиацията може в крайна сметка да повлияе на съхранението на данни и да повреди самия процесор. Това е недопустимо при условията на работа на космическа станция, ракета-носител или сонда. Никой няма да рискува с проект за милиони долари.
Прочетете също: Какво може да ни попречи да колонизираме Марс?
Разрушително излъчване
По едно време въздействието на радиацията беше компенсирано от промени в самия производствен процес, например бяха използвани материали като галиев арсенид. Всяка модификация обаче беше много скъпа. Освен това системи за космически превозни средства се създават в специализирани заводи в малки количества. Само използването на технологията RHBD направи възможно използването на стандартния CMOS процес при производството на устойчиви на радиация микросхеми. Използвани са и техники като тройно резервиране, което позволява три идентични копия на един и същ бит да бъдат съхранявани по всяко време. Когато са необходими, се избира най-добрият.
Разрушителните ефекти на радиацията върху системите на космическите кораби веднъж причиниха провала на руската мисия на Фобос-Грунт. Чипът WS512K32V20G24M, предназначен за военни самолети, беше повреден от тежки йони от космически лъчи. Прекомерният ток повреди компютъра и той премина в безопасен режим. Заради проблеми с комуникацията рестартирането не беше възможно, което доведе до навлизането на сондата в атмосферата и изгарянето ѝ.
Следователно, за проекти с дълъг експлоатационен живот се използват наистина издръжливи блокове. Например, телескопът Хъбъл първоначално е бил оборудван с 8-битов блок Rockwell Autonetics DF-224 с тактова честота 1,25 MHz. Скоро стана ясно, че това е лоша идея и НАСА трябваше да премине през процеса на подмяна на чипа с такъв на Intel. През 1993 г. телескопът беше адаптиран да поддържа Intel 386, а по време на сервизна мисия 3A през 1999 г. двойката чипове DF-224 и Intel 386 бяха заменени с чип Intel 486.
Тук вече дадохме пример с космическата станция. Изглежда, че такава голяма и сложна структура трябва да има много ефективна система на борда. Това обаче не е така. Известно е, че основният компютър на Международната космическа станция (МКС) работи на вече споменатия блок Intel 386. По принцип се използват два комплекта от три компютъра - един руски и един американски. Нека също да разгледаме много по-новия космически кораб New Horizons, който прелетя до Плутон през 2015 г. и се насочи към пояса на Кайпер. Устойчивият на радиация чип Mongoose-V с тактова честота 15 MHz, способен да изпълнява задачи със скорост от 40 000 цикъла в секунда, отговаряше за повечето функции в това устройство. Производителността му е близка до производителността на процесора, на който работи конзолата PlayStation.
Когато погледнем дори много модерни космически кораби, виждаме, че дизайнерите използват решения, които често са на няколко десетилетия. Наскоро целият свят наблюдава кацането на марсохода Curosity на Марс. Малцина биха предположили, че вътре има процесор BAE RAD750 с тактова честота само 200 MHz, подобрена версия на чипа IBM PowerPC 750. Ако някога сте притежавали компютър Apple, може би познавате този процесор от серията iMac. Освен това той използва и по-малко ефективния микропроцесор от конзолата Nintendo Wii. Във връзка с изискванията за работа в условия на повишена радиация, тактовата му честота е намалена повече от три пъти.
Вече споменахме, че марсоходът Perseverance също работи на процесор, пуснат преди повече от 20 години. С други думи, нищо не се е променило и космически кораби, струващи милиони долари, използват микропроцесори, пуснати през миналия век. Колкото и да звучи, но е истина.
Прочетете също: Място на вашия компютър. 5 най-добри приложения за астрономия
Софтуер и компютри, които работят с Crew Dragon, Falcon и Starlink
Решихме да разберем по-подробно какво се използва като софтуер, използвайки примера на известните Crew Dragon, Falcon и Starlink.
Когато чуем името на космическия кораб Crew Dragon, много хора се сещат за трите сензорни екрана и синия интерфейс за управление, които видяхме по време на предаванията. Все още има много дебати относно осъществимостта на управлението на космическия кораб с помощта на сензорни екрани вместо бутони, превключватели и джойстици. SpaceX избраха тази опция, защото целта им беше да проектират кораба по такъв начин, че да не изисква никакъв контрол и в същото време екипажът винаги да има достъп до възможно най-много информация. Корабът е напълно автономен и единственото нещо, което астронавтите трябва да контролират, е ограничено до вътрешни системи в кабината, като силата на звука на аудио системата. Контролът на полета на кораба и неговите най-важни системи от астронавтите трябва да се извършва само в спешни случаи и SpaceX се опита с помощта на самите астронавти да разработи най-добрия графичен интерфейс за тези задачи.
Все пак трябва да се отбележи, че ключовите функции на кораба могат да се управляват с помощта на бутоните, разположени под дисплея. Екипажът има възможност да стартира пожарогасителната система, да отвори парашутите при повторно навлизане в атмосферата, да прекъсне полета към МКС, да започне аварийно спускане от орбита, да нулира бордовите компютри и да изпълнява други аварийни задачи. Лост под средния дисплей позволява на астронавтите да стартират системата за евакуация. Те също имат бутони, които стартират и отменят команди, въведени с помощта на дисплеите. По този начин, ако астронавтът изпълни команда на дисплея и тя не успее, той все още има възможността да отмени командата, като натисне бутон под дисплея. Яснотата и контролируемостта на дисплеите също бяха тествани при условия на вибрации, а тестовите екипи и астронавтите извършиха множество тестове в ръкавици и запечатани скафандри.
Вероятно най-важното изискване за система за управление на ракети и кораби е, разбира се, надеждността. В случая на ракетите SpaceX това се осигурява преди всичко поради резервирането на системата, тоест поради използването на няколко идентични компонента, които работят заедно и могат да се дублират и допълват взаимно. По-специално, Falcon 9 има общо три отделни бордови компютъра. Всеки от тези компютри чете данни от сензорите и системите на ракетата, извършва необходимите изчисления, взема решения за по-нататъшни действия и генерира команди за вземане на тези решения. И трите компютъра са свързани помежду си, като получените резултати се сравняват и анализират.
Компютрите са базирани на двуядрени процесори PowerPC. Отново двете ядра извършват едни и същи изчисления, сравняват ги едно с друго и проверяват за последователност. Така, докато хардуерното резервиране е трикратно, софтуерно-изчислителното резервиране е шесткратно. В същото време можете да върнете дефектен компютър в работно състояние, например чрез рестартиране. Ако основният компютър се повреди, един от останалите компютри поема.
В случай на проблеми с компютри или други системи, съдбата на мисията зависи от решението на автономната система за безопасност на полета (AFSS). Това е напълно независима бордова компютърна система, която работи на набор от няколко микроконтролера (малки компютри), получава едни и същи данни от сензори, резултати от изчисления и команди от бордови компютри и контролира безопасното протичане на полета.
За да се гарантира, че всички компютри винаги имат възможно най-надеждните данни, повечето сензори са излишни, както и компютрите, които четат тези данни и след това ги изпращат до бордовите компютри. По същия начин компютрите, които управляват отделните подсистеми на ракетата (двигатели, кормила, маневрени дюзи и т.н.), се дублират от команди на бордовия компютър. Така Falcon 9 се управлява от цяло дърво, състоящо се от поне 30 компютъра. В горната част на дървото има бордови компютри, които управляват мрежа от подчинени компютри. Всеки има свой канал за комуникация с всеки бордови компютър поотделно. Така че всички отбори идват при него три пъти.
Но както можете да видите, всички бордови компютри са базирани на прости микрочипове, а не на сложни микросхеми на съвременните суперкомпютри.
Прочетете също: Вселена: Най-необичайните космически обекти
Бъдещето на космическите чипове
Използването на относително стари процесори не означава, че не се създават нови. Просто процесът на тяхното създаване е много труден и отнема много време. Трябва също така да се разбере, че всяка конструкция, която ще се използва в космоса, трябва да отговаря на изискванията на клас MIL-STD-883. Това означава преминаване на повече от 100 теста, разработени от Министерството на отбраната на САЩ, включително термични, механични, електрически и други тестове на чипове. Повечето от процесорите, преминали този тест, са направени само от централната част на силиконовата пластина. Това е така, защото тук е най-малко вероятно да се появят дефекти по ръбовете.
Списъкът с проекти за бъдещи космически кораби включва, наред с други, серията системи HPSC, разработена от НАСА. Както се очаква, процесорите трябва да бъдат готови в края на 2023 и 2024 г. Тяхната производителност трябва да бъде повече от 100 пъти по-висока от тази на най-бързите системи, използвани в момента в космическите кораби. Американците са фокусирани върху разработването на чипове, които могат да помогнат за завладяването на Луната и Марс. Но засега това са само проекти.
Европейската космическа агенция, която от дълго време разработва чипове, базирани на архитектурата с отворен код SPARK, има малко по-различен подход. Последният такъв продукт е моделът GR740 от семейството LEON4FT. Този четириядрен 250 MHz процесор, оборудван с гигабитов мрежов адаптер и 2 MB L1000 кеш, трябва да бъде подходяща платформа за безпилотни космически кораби и сателити. Според изчисленията на учените дизайнът и характеристиките на процесора трябва да гарантират нормалната му работа дори след 300 години. Учените гарантират, че само след 250 години работа на чипа може да възникне поне една грешка. Това вдъхва увереност в здравината и издръжливостта на космическите кораби, защото полетът до същия Марс ще отнеме около 300-XNUMX дни и това е само удобна траектория. Сондите понякога се скитат в космоса с години.
Като интересен факт си струва да споменем, че през 2017 г. HPE и НАСА пуснаха в експлоатация първия комерсиален високопроизводителен компютър на борда на ракетата SpaceX Falcon 9. Двусокетов сървър HPE Apollo 40 с процесори Intel Broadwell и бърз 56 Gbit/ s интерфейс пристигна на Международната космическа станция. Ако се вярва на учените, производителността му беше само 1 TFLOPS, но все пак беше много за космически условия.
Това показва колко трудно е да се проектират чипове за използване извън нашата планета и колко много работа трябва да се свърши, за да се настигне поне масовият процесор за домашни компютри.
Но учените полагат големи усилия за разработването на най-мощните микрочипове, които не само ще поддържат работата на космическите кораби, но и ще бъдат надеждно защитени от космическа радиация и радиация. Може би квантовите компютри ще променят ситуацията, но това е друга история.
Прочетете също:
Оптоелектроника/квантови компютри?
20 MHz е 20000000 20000 20 операции в секунда XNUMX XNUMX е XNUMX KHz.
„Този четириядрен процесор с тактова честота 250 MHz, оборудван с гигабитов чип и 2 MB LXNUMX кеш.“
Какъв вид чип?
Това е моето невнимание. Благодаря, че забеляза. Ставаше въпрос за гигабитов мрежов адаптер. Поправих го.
„много от вас вероятно ще се изненадат колко малко е необходимо за управление, например, на космическа станция“ - Доста е изненадващо колко ресурси консумират съвременните компютри за някои от най-простите задачи. За да отворите например страница в интернет, ви трябват по-мощен процесор и повече памет, отколкото за управление на космическа станция.