Изненадувачки е, но модерните вселенски летала се опремени со застарени процесори кои биле развиени уште во 20 век. Во оваа статија ќе ви кажеме која е причината за ваквата состојба.
Вселенските бродови се вистински чуда на технологијата, опремени со секаков вид на електроника. Се разбира, ова вклучува и процесори, благодарение на кои опремата може да врши многу сложени пресметки. Сепак, чиповите што се користат во развојот на НАСА и другите вселенски агенции честопати може да изгледаат како застарени уреди кои одамна се надвор од производство.
Кога зборуваме за процесорот, веројатно веднаш ни паѓаат на ум блоковите на нашите десктоп компјутери. Многу чипови имаа влијание на технолошката индустрија. Во моментов, веќе се развиени моќни суперкомпјутери со огромна компјутерска моќ. Би било логично да се користи слична опрема во толку сложено технолошко поле како што е вселенското истражување. Слетувањето на Месечината или лансирањето и маневрирањето со вселенска сонда на оддалеченост од милиони километри од нашата планета секако бара голема компјутерска моќ. Излегува дека тоа не е баш така, и многумина од вас веројатно ќе бидат изненадени од тоа колку малку е потребно за да се работи, на пример, со вселенска станица. Патем, новиот ровер Perseverance, кој неодамна успешно слета на Црвената планета, се базира на процесорот RAD750, кој е специјална верзија на PowerPC 750 - срцето на компјутерите iMac G3 кои се појавија пред повеќе од 20 години. . А хеликоптерот Ingenuity, кој во моментов работи и на Марс, е опремен со процесор Snapdragon 801. Овие вселенски летала, извршувајќи ги најсложените компјутерски операции, работат на такви „обични“ или дури застарени микропроцесори. Но, оваа состојба веројатно нема да се промени дури и во иднина. Ајде да откриеме зошто научниците од НАСА и другите вселенски агенции се принудени да користат толку слаби SoCs.
Прочитајте исто така: Тераформирање на Марс: Дали Црвената планета може да се претвори во нова Земја?
Вселенските процесори се изненадувачки бавни
Да почнеме со пример кој треба да биде добро познат на сите. Станува збор за настанот што се случи на 16 јули 1969 година. На денешен ден, како дел од мисијата Аполо 11, носачот СА-506 го извади леталото Аполо од атмосферата на Земјата. И 4 дена подоцна, американските астронаути Баз Олдрин и Нил Армстронг стапнаа на површината на Месечината за прв пат во историјата на човештвото. Мисијата беше успешно извршена со помош на AGC (Apollo Guidance Computer), развиен уште во 1966 година. Дизајнот беше доста интересен од гледна точка на компјутерската технологија, но гледајќи ги техничките карактеристики на овој уред, може само да се изненади дека мисијата воопшто била успешна. Само помислете, чипот на одборот работеше со часовна фреквенција од само 2,048 MHz и имаше RAM од само 2048 зборови. Да, токму зборовите. Односно, сега изгледа едноставно неверојатно, но во тоа време беше еден од најмодерните компјутери.
Вреди да се напомене дека домашниот компјутер понуди слични перформанси Apple II, објавен неколку години подоцна. Со други зборови, во тоа време леталото имаше техничка опрема која беше пред своето време.
Сепак, ваквата состојба траеше до одреден момент, брзо стана јасно дека поефикасен уред не е нужно најдобро решение, а понекогаш може да биде и поопасен. Пресвртна точка во историјата на вселенската електроника беше утврдувањето на точните вредности на космичкото зрачење и неговото влијание врз технологијата. Но, како зрачењето влијае на самиот процесор?
Кога вселенското летало Gemini, опремено со едноставен вграден компјутер, беше лансирано во вселената, технологиите користени за неговото создавање беа, од денес, крајно примитивни. Сепак, во вселената тоа се покажа како голема предност.
Во денешно време кога се создаваат нови процесори се користат посовремени технолошки процеси, сега лесно можеме да купиме, практично, микроскопски процесори направени со 7nm литографија. Колку е помал чипот, толку помалку напон е потребен за да се вклучи и исклучи. Во вселената, ова може да предизвика сериозни проблеми. Факт е дека под влијание на честичките од зрачење, постои можност за непланирано префрлување на состојбата во која ќе биде транзисторот. Ова, пак, може да предизвика второто да престане да работи во најнеочекуваниот момент или пресметките извршени со користење на таков процесор ќе бидат неточни. И во вселената, ова е неприфатливо и може да доведе до трагични последици.
Интересен пример е, на пример, процесорот Intel 386SX (намалена верзија на Intel 80386), кој ја контролираше таканаречената стаклена кабина. Работеше со такт од околу 20 MHz, што значи дека може да извршува задачи со 20 циклуси во секунда. Веќе во времето на неговото деби во изградбата на вселената, чипот немаше особено голема брзина, но уште поважно, благодарение на ниската фреквенција на часовникот, процесорот беше безбеден.
Кога се изложени на зрачење, неговите честички можат да ги оштетат податоците складирани во кеш меморијата на процесорот. Ова е можно во многу краток прозорец - нискиот тајминг значително го намалува, што значи дека побрзите кола се повеќе изложени на зрачење. Едноставно кажано, зрачењето на крајот може да влијае на складирањето податоци и да го оштети самиот процесор. Ова е неприфатливо во услови на работа на вселенска станица, носач или сонда. Никој нема да ризикува проект вреден милион долари.
Прочитајте исто така: Што може да не спречи да го колонизираме Марс?
Деструктивно зрачење
Едно време, влијанието на зрачењето беше компензирано со промени во самиот производствен процес, на пример, беа користени материјали како што е галиум арсенид. Сепак, секоја модификација беше многу скапа. Покрај тоа, системи за вселенски возила се создаваат во специјализирани фабрики во мали количини. Само употребата на технологијата RHBD овозможи да се користи стандардниот процес CMOS во производството на микроциркути отпорни на зрачење. Исто така, беа користени техники како што е троен вишок, што овозможува три идентични копии од истиот бит постојано да се складираат. Кога се потребни, се избира најдобриот.
Деструктивните ефекти на радијацијата врз системите на вселенски летала некогаш предизвикаа неуспех на руската мисија Фобос-Грунт. Чипот WS512K32V20G24M, дизајниран за воени авиони, беше оштетен од тешки јони од космичките зраци. Прекумерната струја го оштети компјутерот и тој премина во безбеден режим. Поради проблеми во комуникацијата, рестартирањето не беше можно, што доведе до влегување на сондата во атмосферата и нејзино согорување.
Затоа, за проекти со долг работен век се користат навистина издржливи блокови. На пример, телескопот Хабл првично беше опремен со 8-битна Rockwell Autonetics DF-224 единица со часовна фреквенција од 1,25 MHz. Набрзо стана јасно дека тоа е лоша идеја, а НАСА мораше да помине низ процес на замена на чипот со Intel. Во 1993 година, телескопот беше прилагоден да поддржува Интел 386, а за време на сервисната мисија 3А во 1999 година, парот чипови DF-224 и Intel 386 беа заменети со чип Intel 486.
Овде веќе го дадовме примерот на вселенската станица. Се чини дека толку голема и сложена структура треба да има многу ефикасен систем на одборот. Сепак, тоа не е случај. Познато е дека главниот компјутер на Меѓународната вселенска станица (ISS) работи на веќе споменатиот блок Intel 386. Во основа, се користат два комплети од три компјутери - еден руски и еден американски. Ајде да го погледнеме и многу поновото вселенско летало New Horizons, кое прелета покрај Плутон во 2015 година и го таргетираше Кајперовиот појас. Чипот отпорен на зрачење Mongoose-V со часовна фреквенција од 15 MHz, способен да извршува задачи со брзина од 40 циклуси во секунда, беше одговорен за повеќето функции во овој уред. Неговите перформанси се блиску до перформансите на процесорот на кој работи конзолата PlayStation.
Кога гледаме дури и многу модерни вселенски летала, гледаме дека дизајнерите користат решенија кои често се стари неколку децении. Неодамна цел свет го следеше слетувањето на роверот Curosity на Марс. Малкумина би претпоставиле дека внатре има процесор BAE RAD750 со такт на само 200 MHz, подобрена верзија на чипот IBM PowerPC 750. Ако некогаш сте поседувале компјутер Apple, можеби го знаете овој процесор од серијата iMac. Покрај тоа, го користеше и помалку ефикасниот микропроцесор од конзолата Nintendo Wii. Во врска со барањата за работа во услови на зголемено зрачење, неговата фреквенција на часовникот е намалена за повеќе од три пати.
Веќе споменавме дека роверот Perseverance работи и на процесор кој беше пуштен пред повеќе од 20 години. Со други зборови, ништо не се промени, а вселенските летала чинат милиони долари користат микропроцесори кои беа пуштени во минатиот век. Без разлика како звучи, но тоа е вистина.
Прочитајте исто така: Простор на вашиот компјутер. 5 најдобри апликации за астрономија
Софтвер и компјутери што работат на Crew Dragon, Falcon и Starlink
Решивме подетално да дознаеме што се користи како софтвер, користејќи го примерот на познатите Crew Dragon, Falcon и Starlink.
Кога ќе го слушнеме името на вселенското летало Crew Dragon, многу луѓе помислуваат на трите екрани на допир и синиот контролен интерфејс што ги видовме за време на емитувањето. Сè уште има многу дебати за можноста за контролирање на вселенското летало користејќи екрани на допир наместо копчиња, прекинувачи и џојстици. Спејс Икс ја избрале оваа опција бидејќи нивната цел била да го дизајнираат бродот на таков начин што не бара никаква контрола и, во исто време, екипажот секогаш да има пристап до што е можно повеќе информации. Бродот е целосно автономен, а единственото нешто што треба да го контролираат астронаутите е ограничено на внатрешните системи во кабината, како што е јачината на звукот на аудио системот. Контролата на летот на бродот и неговите најважни системи од страна на астронаутите треба да се врши само во итни случаи, а SpaceX се обиде со помош на самите астронаути да го развие најдобриот графички интерфејс за овие задачи.
Сепак, треба да се забележи дека клучните функции на бродот може да се контролираат со помош на копчињата што се наоѓаат под екранот. Екипажот има можност да го стартува системот за гаснење пожар, да ги отвори падобраните при повторно влегување во атмосферата, да го прекине летот до ISS, да започне итно спуштање од орбитата, да ги ресетира компјутерите во одборот и да врши други итни задачи. Рачката под средниот екран им овозможува на астронаутите да го стартуваат системот за евакуација. Тие исто така имаат копчиња кои започнуваат и ги откажуваат командите внесени со помош на екраните. На тој начин, ако астронаутот изврши команда на екранот и таа не успее, тој сепак има можност да ја откаже командата со притискање на копче под екранот. Јасноста и контролирањето на дисплеите беа тестирани и под услови на вибрации, а тест тимовите и астронаутите извршија бројни тестови во ракавици и запечатени вселенски одела.
Веројатно најважниот услов за системот за контрола на ракети и бродови е, се разбира, доверливоста. Во случајот со ракетите SpaceX, тоа е обезбедено, пред сè, поради вишокот на системот, односно поради употребата на неколку идентични компоненти кои работат заедно и можат да се дуплираат и дополнуваат. Конкретно, Falcon 9 има вкупно три посебни вградени компјутери. Секој од овие компјутери чита податоци од сензорите и системите на ракетата, ги врши потребните пресметки, донесува одлуки за понатамошни активности и генерира команди за донесување на тие одлуки. Сите три компјутери се меѓусебно поврзани, а добиените резултати се споредуваат и анализираат.
Компјутерите се базираат на процесори со двојадрени PowerPC. Повторно, двете јадра вршат исти пресметки, споредуваат едни со други и проверуваат за конзистентност. Така, додека вишокот на хардверот е трикратен, софтверско-пресметковниот вишок е шесткратен. Во исто време, можете да го вратите неисправниот компјутер во работна состојба, на пример, со рестартирање. Ако главниот компјутер не успее, еден од преостанатите компјутери го презема.
Во случај на проблеми со компјутери или други системи, судбината на мисијата зависи од одлуката на Автономниот систем за безбедност на летот (AFSS). Ова е целосно независен компјутерски систем кој работи на сет од неколку микроконтролери (мали компјутери), ги прима истите податоци од сензорите, резултатите од пресметките и командите од компјутерите на одборот и го контролира безбедниот тек на летот.
За да се осигури дека сите компјутери секогаш ги имаат најсигурните можни податоци, повеќето сензори се непотребни, како и компјутерите кои ги читаат овие податоци и потоа ги испраќаат до компјутерите на одборот. На ист начин, компјутерите кои контролираат поединечни ракетни потсистеми (мотори, кормила, млазници за маневрирање итн.) се дуплираат со команди на компјутерот на одборот. Така, Falcon 9 е контролиран од цело дрво кое се состои од најмалку 30 компјутери. На врвот на дрвото се вградени компјутери кои управуваат со мрежа од подредени компјутери. Секој има свој канал за комуникација со секој вграден компјутер посебно. Така сите тимови доаѓаат кај него три пати.
Но, како што можете да видите, сите вградени компјутери се засноваат на едноставни микрочипови, а не на софистицирани микроциркути на современите суперкомпјутери.
Прочитајте исто така: Универзум: Најнеобичните вселенски објекти
Иднината на вселенските чипови
Употребата на релативно стари процесори не значи дека не се создаваат нови. Само што процесот на нивното создавање е многу тежок и одзема многу време. Исто така, треба да се разбере дека секоја структура што ќе се користи во вселената мора да ги исполнува барањата од класата MIL-STD-883. Ова значи полагање на повеќе од 100 тестови развиени од Министерството за одбрана на САД, вклучувајќи термички, механички, електрични и други чип тестови. Повеќето процесори кои го поминаа овој тест се направени само од централниот дел на силиконската обланда. Тоа е затоа што тука е најмалку веројатно да се појават дефекти на рабовите.
Списокот на проекти за идните вселенски летала ја вклучува, меѓу другото, серијата системи HPSC развиени од НАСА. Очекувано, процесорите треба да бидат готови на крајот од 2023 и 2024 година. Нивните перформанси би требало да бидат повеќе од 100 пати повисоки од оние на најбрзите системи кои моментално се користат во вселенските летала. Американците се фокусирани на развој на чипови кои можат да помогнат во освојувањето на Месечината и Марс. Но, засега тоа се само проекти.
Европската вселенска агенција, која долго време развива чипови базирани на архитектурата со отворен код SPARK, има малку поинаков пристап. Најновиот таков производ е моделот GR740 од семејството LEON4FT. Овој четиријадрен процесор од 250 MHz, опремен со гигабитен мрежен адаптер и 2 MB L1000 кеш, треба да биде соодветна платформа за беспилотни вселенски летала и сателити. Според пресметките на научниците, дизајнот и карактеристиките на процесорот треба да гарантираат негово нормално функционирање и по 300 години. Научниците гарантираат дека само по 250 години работа на чипот може да се случи барем една грешка. Ова инспирира доверба во силата и издржливоста на вселенските летала, бидејќи летот до истиот Марс ќе трае околу 300-XNUMX дена, а ова е само погодна траекторија. Сондите понекогаш талкаат во вселената со години.
Како интересен факт, вреди да се спомене дека во 2017 година, HPE и NASA го лансираа првиот комерцијален компјутер со високи перформанси на ракетата SpaceX Falcon 9. Сервер со два приклучоци HPE Apollo 40 со Intel Broadwell процесори и брз 56 Gbit/ интерфејсот пристигна на Меѓународната вселенска станица. Ако им се верува на научниците, неговите перформанси беа само 1 TFLOPS, но сепак беше многу за вселенските услови.
Покажува колку е тешко да се дизајнираат чипови за употреба надвор од нашата планета, и колку работа треба да се направи за да се стигне барем до главните домашни компјутерски процесори.
Но, научниците вложуваат големи напори да ги развијат најмоќните микрочипови кои не само што ќе ја поддржат работата на вселенските летала, туку и ќе бидат сигурно заштитени од вселенско зрачење и зрачење. Можеби квантните компјутери ќе ја променат ситуацијата, но тоа е друга приказна.
Прочитајте исто така:
Оптоелектроника/квантни компјутери?
20 MHz е 20000000 операции во секунда. 20000 е 20 KHz.
„Овој четиријадрен процесор со такт од 250 MHz, опремен со гигабитен чип и 2 MB LXNUMX кеш.
Каков вид на чип?
Ова е мое невнимание. Ви благодариме што забележавте. Стануваше збор за гигабитен мрежен адаптер. Поправи го.
„Многумина од вас веројатно ќе бидат изненадени од тоа колку малку е потребно за да се контролира, на пример, вселенска станица“ - Напротив, изненадувачки е колку ресурси трошат современите компјутери за некои од наједноставните задачи. За, на пример, да отворите страница на Интернет, потребен ви е помоќен процесор и повеќе меморија отколку да контролирате вселенска станица.