Je to prekvapujúce, ale moderné vesmírne lode sú vybavené zastaranými procesormi, ktoré boli vyvinuté ešte v 20. storočí. V tomto článku vám povieme, čo je dôvodom tohto stavu.
Kozmické lode sú skutočnými zázrakmi technológie, vybavené všetkými druhmi elektroniky. K tomu samozrejme patria aj procesory, vďaka ktorým môže zariadenie vykonávať veľmi zložité výpočty. Čipy používané pri vývoji NASA a iných vesmírnych agentúr však môžu často vyzerať ako zastarané zariadenia, ktoré sa už dávno nevyrábajú.
Keď hovoríme o procesore, zrejme sa nám hneď vybavia bloky našich stolných počítačov. Mnoho čipov ovplyvnilo technologický priemysel. V súčasnosti sú už vyvinuté výkonné superpočítače s obrovským výpočtovým výkonom. Bolo by logické použiť podobné zariadenia v tak komplexnej technologickej oblasti, akou je vesmírny výskum. Pristátie na Mesiaci či vypustenie a manévrovanie vesmírnej sondy vo vzdialenosti miliónov kilometrov od našej planéty si určite vyžaduje veľa výpočtového výkonu. Ukazuje sa, že to nie je celkom tak a mnohí z vás budú zrejme prekvapení, ako málo stačí na ovládanie povedzme vesmírnej stanice. Mimochodom, nový rover Perseverance, ktorý nedávno úspešne pristál na Červenej planéte, je založený na procesore RAD750, čo je špeciálna verzia PowerPC 750 – srdce počítačov iMac G3, ktoré vyšli pred viac ako 20 rokmi. . A vrtuľník Ingenuity, ktorý momentálne operuje aj na Marse, je vybavený procesorom Snapdragon 801. Tieto kozmické lode, vykonávajúce tie najzložitejšie výpočtové operácie, pracujú na takýchto „obyčajných“ či dokonca zastaraných mikroprocesoroch. Tento stav sa však pravdepodobne nezmení ani v budúcnosti. Poďme zistiť, prečo sú vedci z NASA a iných vesmírnych agentúr nútení používať také slabé SoC.
Prečítajte si tiež: Terraformovanie Marsu: Mohla by sa červená planéta zmeniť na novú Zem?
Vesmírne procesory sú prekvapivo pomalé
Začnime príkladom, ktorý by mal byť každému dobre známy. Hovoríme o udalosti, ktorá sa stala 16. júla 1969. V tento deň v rámci misie Apollo 11 vyniesla nosná raketa SA-506 kozmickú loď Apollo zo zemskej atmosféry. A o 4 dni neskôr americkí astronauti Buzz Aldrin a Neil Armstrong prvýkrát v histórii ľudstva vkročili na povrch Mesiaca. Misia bola úspešne vykonaná s pomocou AGC (Apollo Guidance Computer), vyvinutého v roku 1966. Dizajn bol z pohľadu výpočtovej techniky celkom zaujímavý, no pri pohľade na technické vlastnosti tohto zariadenia sa možno len čudovať, že sa misia vôbec podarila. Len si pomyslite, čip na doske pracoval s taktovacou frekvenciou iba 2,048 MHz a mal RAM len 2048 slov. Áno, presne tie slová. To znamená, že teraz sa to zdá jednoducho neuveriteľné, ale v tom čase to bol jeden z najmodernejších počítačov.
Za zmienku stojí, že podobný výkon ponúkal aj domáci počítač Apple II, vydaný o niekoľko rokov neskôr. Inými slovami, v tom čase mala kozmická loď technické vybavenie, ktoré predbehlo dobu.
Tento stav však trval až do určitého bodu, rýchlo sa ukázalo, že efektívnejšie zariadenie nemusí byť nevyhnutne najlepším riešením a niekedy môže byť aj nebezpečnejšie. Zlomovým bodom v histórii vesmírnej elektroniky bolo určenie presných hodnôt kozmického žiarenia a jeho vplyvu na techniku. Ako však žiarenie ovplyvňuje samotný procesor?
Keď bola vesmírna loď Gemini vybavená jednoduchým palubným počítačom vypustená do vesmíru, technológie použité na jej vytvorenie boli dnes mimoriadne primitívne. Vo vesmíre sa to však ukázalo ako veľká výhoda.
V dnešnej dobe sa pri vytváraní nových procesorov využívajú modernejšie technologické postupy, dnes už bez problémov kúpime prakticky mikroskopické procesory vyrobené 7nm litografiou. Čím menší je čip, tým menšie napätie je potrebné na jeho zapnutie a vypnutie. Vo vesmíre to môže spôsobiť vážne problémy. Faktom je, že pod vplyvom častíc žiarenia existuje možnosť neplánovaného prepínania stavu, v ktorom bude tranzistor. To zase môže spôsobiť, že tento prestane pracovať v najneočakávanejšom okamihu alebo výpočty vykonané pomocou takéhoto procesora budú nepresné. A vo vesmíre je to neprijateľné a môže to viesť k tragickým následkom.
Zaujímavý je napríklad procesor Intel 386SX (orezaná verzia Intel 80386), ktorý ovládal presklenú kabínu tzv. Bežal na frekvencii približne 20 MHz, čo znamená, že mohol vykonávať úlohy pri 20 000 cykloch za sekundu. Čip už v čase svojho debutu vo vesmírnej konštrukcii neoplýval nijako zvlášť vysokou rýchlosťou, no čo je dôležitejšie, vďaka nízkej taktovacej frekvencii bol procesor v bezpečí.
Pri vystavení žiareniu môžu jeho častice poškodiť dáta uložené vo vyrovnávacej pamäti procesora. To je možné vo veľmi krátkom okne - nízke časovanie ho výrazne znižuje, čo znamená, že rýchlejšie obvody sú viac vystavené žiareniu. Jednoducho povedané, žiarenie môže v konečnom dôsledku ovplyvniť ukladanie dát a poškodiť samotný procesor. To je v prevádzkových podmienkach vesmírnej stanice, nosnej rakety alebo sondy neprijateľné. Nikto nebude riskovať miliónový projekt.
Prečítajte si tiež: Čo nám môže zabrániť v kolonizácii Marsu?
Deštruktívne žiarenie
Kedysi bol vplyv žiarenia kompenzovaný zmenami v samotnom výrobnom procese, používali sa napríklad materiály ako arzenid gália. Každá úprava však bola veľmi drahá. Systémy pre vesmírne dopravné prostriedky sa navyše vytvárajú v špecializovaných továrňach v malých množstvách. Iba použitie technológie RHBD umožnilo použiť štandardný proces CMOS pri výrobe mikroobvodov odolných voči žiareniu. Používali sa aj techniky ako trojitá redundancia, ktorá umožňuje vždy uložiť tri identické kópie toho istého bitu. Keď sú potrebné, vyberie sa ten najlepší.
Deštruktívne účinky žiarenia na systémy kozmických lodí kedysi spôsobili zlyhanie ruskej misie Phobos-Grunt. Čip WS512K32V20G24M, určený pre vojenské lietadlá, bol poškodený ťažkými iónmi z kozmického žiarenia. Nadmerný prúd poškodil počítač a prešiel do núdzového režimu. Pre problémy s komunikáciou nebol možný reštart, čo viedlo k vstupu sondy do atmosféry a jej spáleniu.
Preto sa pri projektoch s dlhou životnosťou používajú skutočne odolné tvárnice. Napríklad Hubblov teleskop bol pôvodne vybavený 8-bitovou jednotkou Rockwell Autonetics DF-224 s hodinovou frekvenciou 1,25 MHz. Čoskoro sa ukázalo, že to bol zlý nápad a NASA musela prejsť procesom výmeny čipu za Intel. V roku 1993 bol teleskop prispôsobený na podporu Intel 386 a počas servisnej misie 3A v roku 1999 bola dvojica čipov DF-224 a Intel 386 nahradená čipom Intel 486.
Príklad vesmírnej stanice sme tu už uviedli. Zdá sa, že takáto veľká a zložitá štruktúra by mala mať na palube veľmi efektívny systém. Nie je to však tak. Je známe, že hlavný počítač na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS) beží na už spomínanom bloku Intel 386. V podstate sa používajú dve zostavy troch počítačov – jeden ruský a jeden americký. Pozrime sa aj na oveľa novšiu sondu New Horizons, ktorá v roku 2015 preletela okolo Pluta a zamerala sa na Kuiperov pás. Čip Mongoose-V odolný voči žiareniu s taktovacou frekvenciou 15 MHz, schopný vykonávať úlohy rýchlosťou 40 000 cyklov za sekundu, bol zodpovedný za väčšinu funkcií v tomto zariadení. Jeho výkon je blízky výkonu procesora, na ktorom konzola beží PlayStation.
Keď sa pozrieme aj na veľmi moderné vesmírne lode, vidíme, že dizajnéri používajú riešenia, ktoré sú často staré niekoľko desaťročí. Nedávno celý svet sledoval pristátie vozítka Curosity na Marse. Málokto by hádal, že vo vnútri je procesor BAE RAD750 taktovaný len na 200 MHz, vylepšená verzia čipu IBM PowerPC 750. Ak ste niekedy vlastnili počítač Apple, tento procesor možno poznáte zo série iMac. Navyše použil aj menej výkonný mikroprocesor z konzoly Nintendo Wii. V súvislosti s požiadavkami na prevádzku v podmienkach zvýšeného vyžarovania sa jeho hodinová frekvencia znížila viac ako trojnásobne.
Už sme spomenuli, že rover Perseverance beží aj na procesore, ktorý vyšiel pred viac ako 20 rokmi. Inými slovami, nič sa nezmenilo a kozmické lode, ktoré stoja milióny dolárov, používajú mikroprocesory, ktoré boli vydané v minulom storočí. Bez ohľadu na to, ako to znie, ale je to pravda.
Prečítajte si tiež: Priestor vo vašom počítači. 5 najlepších aplikácií pre astronómiu
Softvér a počítače, ktoré používajú Crew Dragon, Falcon a Starlink
Rozhodli sme sa podrobnejšie zistiť, čo sa používa ako softvér, na príklade slávnych Crew Dragon, Falcon a Starlink.
Keď počujeme názov kozmickej lode Crew Dragon, mnohým ľuďom sa vybavia tri dotykové obrazovky a modré ovládacie rozhranie, ktoré sme videli počas vysielania. Stále existuje veľa diskusií o uskutočniteľnosti ovládania kozmickej lode pomocou dotykových obrazoviek namiesto tlačidiel, prepínačov a joystickov. SpaceX zvolili túto možnosť, pretože ich cieľom bolo navrhnúť loď tak, aby nevyžadovala žiadne ovládanie a zároveň aby posádka mala vždy prístup k čo najväčšiemu množstvu informácií. Loď je úplne autonómna a jediné, čo musia astronauti ovládať, je obmedzené na vnútorné systémy kabíny, ako je napríklad hlasitosť audio systému. Riadenie letu lode a jej najdôležitejších systémov astronautmi by sa malo vykonávať len v núdzových prípadoch a SpaceX sa snažilo s pomocou samotných astronautov vyvinúť najlepšie grafické rozhranie pre tieto úlohy.
Treba si však uvedomiť, že kľúčové funkcie lode je možné ovládať pomocou tlačidiel umiestnených pod displejom. Posádka má možnosť spustiť hasiaci systém, otvoriť padáky pri opätovnom vstupe do atmosféry, prerušiť let k ISS, spustiť núdzový zostup z obežnej dráhy, resetovať palubné počítače a plniť ďalšie núdzové úlohy. Páčka pod stredným displejom umožňuje astronautom spustiť evakuačný systém. Majú tiež tlačidlá, ktoré spúšťajú a rušia príkazy zadané pomocou displejov. Týmto spôsobom, ak astronaut vykoná príkaz na displeji a ten zlyhá, stále má možnosť zrušiť príkaz stlačením tlačidla pod displejom. Jasnosť a ovládateľnosť displejov bola testovaná aj v podmienkach vibrácií a testovacie tímy a astronauti vykonali početné testy v rukaviciach a zapečatených skafandroch.
Pravdepodobne najdôležitejšou požiadavkou na systém riadenia rakiet a lodí je samozrejme spoľahlivosť. V prípade rakiet SpaceX je to v prvom rade zabezpečené redundanciou systému, teda použitím niekoľkých rovnakých komponentov, ktoré spolupracujú a môžu sa duplikovať a dopĺňať. Najmä Falcon 9 má celkovo tri samostatné palubné počítače. Každý z týchto počítačov číta údaje zo senzorov a systémov rakety, vykonáva potrebné výpočty, rozhoduje o ďalších akciách a generuje príkazy na uskutočnenie týchto rozhodnutí. Všetky tri počítače sú prepojené a získané výsledky sa porovnávajú a analyzujú.
Počítače sú založené na dvojjadrových procesoroch PowerPC. Opäť obe jadrá vykonávajú rovnaké výpočty, porovnávajú ich navzájom a kontrolujú konzistenciu. Kým teda hardvérová redundancia je trojnásobná, softvérovo-výpočtová redundancia je šesťnásobná. Zároveň môžete chybný počítač vrátiť do funkčného stavu, napríklad reštartovaním. Ak hlavný počítač zlyhá, prevezme ho jeden zo zostávajúcich počítačov.
V prípade problémov s počítačmi alebo inými systémami závisí osud misie od rozhodnutia Autonómneho letového bezpečnostného systému (AFSS). Ide o úplne nezávislý palubný počítačový systém, ktorý pracuje na súprave niekoľkých mikrokontrolérov (malých počítačov), prijíma rovnaké dáta zo senzorov, výsledky výpočtov a príkazy z palubných počítačov a riadi bezpečný priebeh letu.
Aby sa zabezpečilo, že všetky počítače budú mať vždy čo najspoľahlivejšie údaje, väčšina senzorov je redundantná, rovnako ako počítače, ktoré tieto údaje čítajú a následne ich odosielajú do palubných počítačov. Rovnakým spôsobom sú príkazmi palubného počítača zdvojené počítače, ktoré riadia jednotlivé raketové subsystémy (motory, kormidlá, manévrovacie trysky atď.). Falcon 9 teda ovláda celý strom pozostávajúci z minimálne 30 počítačov. Na vrchole stromu sú palubné počítače, ktoré spravujú sieť podriadených počítačov. Každý má svoj vlastný komunikačný kanál s každým palubným počítačom samostatne. Všetky tímy k nemu teda prídu trikrát.
Ale ako vidíte, všetky palubné počítače sú založené na jednoduchých mikročipoch, nie na sofistikovaných mikroobvodoch moderných superpočítačov.
Prečítajte si tiež: Vesmír: Najneobvyklejšie vesmírne objekty
Budúcnosť vesmírnych čipov
Použitie relatívne starých procesorov neznamená, že nevznikajú nové. Len proces ich vytvárania je veľmi náročný a zaberie veľa času. Malo by sa tiež chápať, že každá konštrukcia, ktorá sa bude používať vo vesmíre, musí spĺňať požiadavky triedy MIL-STD-883. To znamená prejsť viac ako 100 testami vyvinutými Ministerstvom obrany USA, vrátane tepelných, mechanických, elektrických a iných testov čipov. Väčšina procesorov, ktoré prešli týmto testom, sú vyrobené iba zo strednej časti kremíkového plátku. Je to preto, že práve tu je najmenej pravdepodobné, že sa vyskytnú okrajové chyby.
Zoznam projektov pre budúce kozmické lode zahŕňa okrem iného sériu systémov HPSC vyvinutú NASA. Podľa očakávania by procesory mali byť hotové na prelome rokov 2023 a 2024. Ich výkon by mal byť viac ako 100-krát vyšší ako výkon najrýchlejších systémov, ktoré sa v súčasnosti používajú v kozmických lodiach. Američania sa zameriavajú na vývoj čipov, ktoré môžu pomôcť dobyť Mesiac a Mars. Ale zatiaľ ide len o projekty.
Európska vesmírna agentúra, ktorá už dlhší čas vyvíja čipy založené na open-source architektúre SPARK, ide trochu inak. Posledným takýmto produktom je model GR740 z rodiny LEON4FT. Tento štvorjadrový 250 MHz procesor vybavený gigabitovým sieťovým adaptérom a 2 MB L1000 cache by mal byť vhodnou platformou pre bezpilotné vesmírne lode a satelity. Podľa výpočtov vedcov by konštrukcia a vlastnosti procesora mali zaručiť jeho normálnu prevádzku aj po 300 rokoch. Vedci garantujú, že až po 250 rokoch prevádzky čipu môže nastať aspoň jedna chyba. To vzbudzuje dôveru v silu a odolnosť kozmických lodí, pretože let na rovnaký Mars bude trvať asi 300-XNUMX dní, a to je len pohodlná trajektória. Sondy niekedy vo vesmíre blúdia celé roky.
Ako zaujímavosť stojí za zmienku, že v roku 2017 spustili HPE a NASA prvý komerčný vysokovýkonný počítač na palube rakety SpaceX Falcon 9. Dvojsocketový server HPE Apollo 40 s procesormi Intel Broadwell a rýchlym 56 Gbit/ s rozhraním dorazilo na Medzinárodnú vesmírnu stanicu. Ak sa má vedcom veriť, jeho výkon bol iba 1 TFLOPS, no na vesmírne pomery to bolo stále veľa.
Ukazuje, aké ťažké je navrhnúť čipy na použitie mimo našej planéty a koľko práce treba urobiť, aby sme dobehli aspoň bežné procesory pre domáce PC.
Vedci ale vynakladajú veľké úsilie na vývoj najvýkonnejších mikročipov, ktoré budú nielen podporovať prevádzku kozmických lodí, ale budú aj spoľahlivo chránené pred vesmírnym žiarením a radiáciou. Možno kvantové počítače zmenia situáciu, ale to je už iný príbeh.
Prečítajte si tiež:
Optoelektronika/kvantové počítače?
20 MHz je 20000000 20000 20 operácií za sekundu. XNUMX XNUMX je XNUMX kHz.
"Tento štvorjadrový procesor taktovaný na 250 MHz, vybavený gigabitovým čipom a 2 MB vyrovnávacej pamäte LXNUMX."
Aký druh čipu?
Toto je moja nepozornosť. Ďakujem za povšimnutie. Išlo o gigabitový sieťový adaptér. Opravené.
"mnohých z vás asi prekvapí, ako málo stačí na ovládanie napríklad vesmírnej stanice" - Je skôr prekvapujúce, koľko zdrojov spotrebujú moderné počítače na niektoré z najjednoduchších úloh. Ak chcete napríklad otvoriť stránku na internete, potrebujete výkonnejší procesor a viac pamäte ako na ovládanie vesmírnej stanice.