Se on yllättävää, mutta nykyaikaiset avaruusalukset on varustettu vanhentuneilla prosessoreilla, jotka kehitettiin jo 20-luvulla. Tässä artikkelissa kerromme sinulle, mistä tämä asiaintila johtuu.
Avaruusalukset ovat todellisia tekniikan ihmeitä, jotka on varustettu kaikenlaisella elektroniikalla. Tämä sisältää tietysti myös prosessorit, joiden ansiosta laitteet voivat suorittaa erittäin monimutkaisia laskelmia. NASAn ja muiden avaruusjärjestöjen kehityksessä käytetyt sirut voivat kuitenkin usein näyttää vanhentuneilta laitteilta, jotka ovat olleet pitkään pois tuotannosta.
Kun puhumme prosessorista, pöytätietokoneidemme lohkot tulevat todennäköisesti heti mieleen. Monet sirut ovat vaikuttaneet teknologiateollisuuteen. Tällä hetkellä on jo kehitetty tehokkaita supertietokoneita, joilla on valtava laskentateho. Olisi loogista käyttää samanlaisia laitteita niin monimutkaisella teknologia-alalla kuin avaruustutkimuksessa. Kuuhun laskeutuminen tai avaruusluotaimen laukaiseminen ja ohjaaminen miljoonien kilometrien etäisyydellä planeetastamme vaatii varmasti paljon laskentatehoa. Osoittautuu, että asia ei ole aivan niin, ja monet teistä ovat todennäköisesti yllättyneitä siitä, kuinka vähän tarvitaan esimerkiksi avaruusaseman ohjaamiseen. Muuten, uusi Perseverance-mökki, joka laskeutui äskettäin onnistuneesti Red Planetille, perustuu RAD750-prosessoriin, joka on PowerPC 750:n erikoisversio - yli 3 vuotta sitten ilmestyneiden iMac G20 -tietokoneiden sydän. . Ja tällä hetkellä Marsilla toimiva Ingenuity-helikopteri on varustettu prosessorilla Snapdragon 801. Nämä monimutkaisimmat laskentatoiminnot suorittavat avaruusalukset toimivat niin "tavallisilla" tai jopa vanhentuneilla mikroprosessoreilla. Mutta tämä tilanne ei todennäköisesti muutu edes tulevaisuudessa. Selvitetään, miksi NASAn ja muiden avaruusjärjestöjen tutkijat ovat pakotettuja käyttämään niin heikkoja SoC:ita.
Lue myös: Terraformoiva Mars: Voisiko punainen planeetta muuttua uudeksi maapalloksi?
Avaruusprosessorit ovat yllättävän hitaita
Aloitetaan esimerkillä, jonka pitäisi olla kaikkien tiedossa. Puhumme tapahtumasta, joka tapahtui 16. heinäkuuta 1969. Tänä päivänä osana Apollo 11 -tehtävää SA-506-kantoraketti vei Apollo-avaruusaluksen pois maan ilmakehästä. Ja neljä päivää myöhemmin amerikkalaiset astronautit Buzz Aldrin ja Neil Armstrong astuivat kuun pinnalle ensimmäistä kertaa ihmiskunnan historiassa. Tehtävä suoritettiin onnistuneesti vuonna 4 kehitetyn AGC:n (Apollo Guidance Computer) avulla. Suunnittelu oli varsin mielenkiintoinen tietotekniikan näkökulmasta, mutta tämän laitteen teknisiä ominaisuuksia tarkasteltaessa voi vain hämmästyä, että tehtävä ylipäätään onnistui. Ajatelkaapa, koneessa oleva siru toimi vain 1966 MHz:n kellotaajuudella ja sen RAM-muistissa oli vain 2,048 sanaa. Kyllä, juuri sanat. Eli nyt se näyttää yksinkertaisesti uskomattomalta, mutta tuolloin se oli yksi nykyaikaisimmista tietokoneista.
On syytä huomata, että kotitietokone tarjosi samanlaisen suorituskyvyn Apple II, julkaistu muutamaa vuotta myöhemmin. Toisin sanoen avaruusaluksella oli tuolloin aikaansa edellä oleva tekninen laitteisto.
Tämä tilanne kuitenkin kesti tiettyyn pisteeseen asti, ja nopeasti kävi selväksi, että tehokkaampi laite ei välttämättä ole paras ratkaisu, ja joskus se voi olla vaarallisempaa. Avaruuselektroniikan historian käännekohta oli kosmisen säteilyn tarkkojen arvojen määrittäminen ja sen vaikutus teknologiaan. Mutta miten säteily vaikuttaa itse prosessoriin?
Kun yksinkertaisella ajotietokoneella varustettu Gemini-avaruusalus laukaistiin avaruuteen, sen luomiseen käytetyt tekniikat olivat nykyään erittäin alkeellisia. Avaruudessa se osoittautui kuitenkin suureksi eduksi.
Nykyään uusia prosessoreita luotaessa käytetään nykyaikaisempia teknologisia prosesseja, nyt voimme helposti ostaa käytännössä mikroskooppisia 7nm litografialla valmistettuja prosessoreita. Mitä pienempi siru, sitä vähemmän jännitettä tarvitaan sen käynnistämiseen ja sammuttamiseen. Avaruudessa tämä voi aiheuttaa vakavia ongelmia. Tosiasia on, että säteilyhiukkasten vaikutuksesta on mahdollista, että transistori on suunnittelematon vaihtaminen. Tämä puolestaan voi aiheuttaa sen, että jälkimmäinen lakkaa toimimasta odottamattomimmalla hetkellä tai tällaisella prosessorilla tehdyt laskelmat ovat epätarkkoja. Ja avaruudessa tätä ei voida hyväksyä, ja se voi johtaa traagisiin seurauksiin.
Mielenkiintoinen esimerkki on esimerkiksi Intel 386SX -prosessori (Intel 80386:n alennettu versio), joka ohjasi ns. lasihyttiä. Se toimi noin 20 MHz:n kellotaajuudella, mikä tarkoittaa, että se pystyi suorittamaan tehtäviä 20 000 sykliä sekunnissa. Jo avaruusrakentamisen debyyttinsä aikaan sirulla ei ollut erityisen suurta nopeutta, mutta mikä tärkeämpää, alhaisen kellotaajuuden ansiosta prosessori oli turvallinen.
Säteilylle altistuessaan sen hiukkaset voivat vahingoittaa prosessorin välimuistiin tallennettuja tietoja. Tämä on mahdollista erittäin lyhyessä ikkunassa - alhainen ajoitus vähentää sitä merkittävästi, mikä tarkoittaa, että nopeammat piirit altistuvat enemmän säteilylle. Yksinkertaisesti sanottuna säteily voi lopulta vaikuttaa tietojen tallennustilaan ja vahingoittaa itse prosessoria. Tätä ei voida hyväksyä avaruusaseman, kantoraketin tai luotain toimintaolosuhteissa. Kukaan ei ota riskiä miljoonan dollarin projektista.
Lue myös: Mikä voi estää meitä asettamasta Marsia?
Tuhoisa säteily
Aikoinaan säteilyn vaikutusta kompensoitiin itse tuotantoprosessin muutoksilla, esimerkiksi galliumarsenidin kaltaisia materiaaleja käytettiin. Jokainen muutos oli kuitenkin erittäin kallis. Lisäksi avaruusajoneuvojen järjestelmiä luodaan erikoistuneissa tehtaissa pieninä määrinä. Ainoastaan RHBD-tekniikan käyttö mahdollisti CMOS-standardin käytön säteilyä kestävien mikropiirien valmistuksessa. Käytettiin myös tekniikoita, kuten kolminkertainen redundanssi, joka mahdollistaa kolmen identtisen kopion tallentamisen samasta bitistä aina. Kun niitä tarvitaan, valitaan paras.
Säteilyn tuhoisat vaikutukset avaruusalusjärjestelmiin aiheuttivat kerran venäläisen Phobos-Grunt-operaation epäonnistumisen. Sotilaslentokoneita varten suunniteltu WS512K32V20G24M-siru vaurioitui kosmisten säteiden raskaiden ionien takia. Liiallinen virta vahingoitti tietokonetta ja se siirtyi vikasietotilaan. Viestintäongelmien vuoksi uudelleenkäynnistys ei ollut mahdollista, mikä johti luotain pääsyyn ilmakehään ja sen palamiseen.
Siksi projekteissa, joilla on pitkä käyttöikä, käytetään todella kestäviä lohkoja. Esimerkiksi Hubble-teleskooppi oli alun perin varustettu 8-bittisellä Rockwell Autonetics DF-224 -yksiköllä, jonka kellotaajuus oli 1,25 MHz. Pian kävi selväksi, että tämä oli huono idea, ja NASA:n täytyi vaihtaa siru Inteliin. Vuonna 1993 teleskooppi mukautettiin tukemaan Intel 386:ta, ja huoltotehtävän 3A aikana vuonna 1999 DF-224- ja Intel 386 -sirujen pari korvattiin Intel 486 -sirulla.
Olemme jo antaneet esimerkin avaruusasemasta täällä. Vaikuttaa siltä, että näin suuressa ja monimutkaisessa rakenteessa pitäisi olla erittäin tehokas järjestelmä. Näin ei kuitenkaan ole. Tiedetään, että kansainvälisen avaruusaseman (ISS) päätietokone toimii jo mainitulla Intel 386 -lohkolla. Periaatteessa käytössä on kaksi kolmen tietokoneen sarjaa - yksi venäläinen ja yksi amerikkalainen. Katsotaanpa myös paljon uudempaa New Horizons -avaruusalusta, joka lensi Pluton ohi vuonna 2015 ja kohdistui Kuiperin vyöhykkeeseen. Säteilynkestävä Mongoose-V-siru kellotaajuudella 15 MHz, joka pystyy suorittamaan tehtäviä nopeudella 40 000 sykliä sekunnissa, vastasi suurimmasta osasta tämän laitteen toiminnoista. Sen suorituskyky on lähellä sen prosessorin suorituskykyä, jolla konsoli toimii PlayStation.
Kun katsomme jopa erittäin nykyaikaisia avaruusaluksia, huomaamme, että suunnittelijat käyttävät ratkaisuja, jotka ovat usein useita vuosikymmeniä vanhoja. Hiljattain koko maailma seurasi Curosity-mönkijän laskeutumista Marsiin. Harva olisi arvannut, että sisällä oli BAE RAD750 -prosessori, jonka kellotaajuus on vain 200 MHz, IBM PowerPC 750 -sirun parannettu versio. Jos olet koskaan omistanut tietokoneen Apple, saatat tuntea tämän prosessorin iMac-sarjasta. Lisäksi se käytti myös Nintendo Wii -konsolin vähemmän tehokasta mikroprosessoria. Lisääntyneen säteilyn olosuhteissa toimimisen vaatimusten yhteydessä sen kellotaajuutta on vähennetty yli kolme kertaa.
Olemme jo maininneet, että Perseverance Rover toimii myös prosessorilla, joka julkaistiin yli 20 vuotta sitten. Toisin sanoen mikään ei ole muuttunut, ja miljoonia dollareita maksavat avaruusalukset käyttävät mikroprosessoreita, jotka julkaistiin viime vuosisadalla. Ei väliä miltä se kuulostaa, mutta se on totta.
Lue myös: Tilaa tietokoneellasi. 5 parasta tähtitieteen sovellusta
Ohjelmistot ja tietokoneet, jotka käyttävät Crew Dragonia, Falconia ja Starlinkiä
Päätimme selvittää tarkemmin, mitä ohjelmistona käytetään, käyttämällä esimerkkiä kuuluisista Crew Dragonista, Falconista ja Starlinkistä.
Kun kuulemme Crew Dragon -avaruusaluksen nimen, monet ihmiset ajattelevat kolmea kosketusnäyttöä ja sinistä ohjausliittymää, jotka näimme lähetysten aikana. On edelleen paljon keskustelua mahdollisuudesta ohjata avaruusalusta kosketusnäytöillä painikkeiden, kytkimien ja ohjaussauvojen sijaan. SpaceX valitsivat tämän vaihtoehdon, koska heidän tavoitteenaan oli suunnitella alus sellaiseksi, että se ei vaadi hallintaa ja samalla miehistöllä oli aina käytettävissään mahdollisimman paljon tietoa. Alus on täysin itsenäinen, ja ainoa asia, jota astronautit joutuvat hallitsemaan, on rajoitettu sisäisiin hyttijärjestelmiin, kuten äänenvoimakkuuden määrään. Aluksen ja sen tärkeimpien järjestelmien lennon hallinta astronautien toimesta tulisi suorittaa vain hätätapauksissa, ja SpaceX yritti astronautien itsensä avulla kehittää parhaan graafisen käyttöliittymän näihin tehtäviin.
On kuitenkin huomioitava, että aluksen avaintoimintoja voidaan ohjata näytön alapuolella olevilla painikkeilla. Miehistö voi käynnistää sammutusjärjestelmän, avata laskuvarjot palatessaan ilmakehään, keskeyttää lennon ISS:lle, käynnistää hätälasku kiertoradalta, nollata koneen tietokoneet ja suorittaa muita hätätehtäviä. Keskimmäisen näytön alla oleva vipu antaa astronautille mahdollisuuden käynnistää evakuointijärjestelmän. Niissä on myös painikkeita, jotka käynnistävät ja peruuttavat näyttöjen kautta syötetyt komennot. Tällä tavalla, jos astronautti suorittaa komennon näytöllä ja se epäonnistuu, hän voi silti peruuttaa komennon painamalla näytön alla olevaa painiketta. Näyttöjen selkeyttä ja hallittavuutta testattiin myös tärinäolosuhteissa, ja testiryhmät ja astronautit tekivät lukuisia testejä käsineissä ja suljetuissa avaruuspukuissa.
Todennäköisesti tärkein vaatimus ohjus- ja laivanhallintajärjestelmälle on tietysti luotettavuus. SpaceX-rakettien tapauksessa tämä varmistetaan ennen kaikkea järjestelmän redundanssin vuoksi, eli useiden identtisten komponenttien käytöstä, jotka toimivat yhdessä ja voivat kopioida ja täydentää toisiaan. Erityisesti Falcon 9:ssä on yhteensä kolme erillistä ajotietokonetta. Jokainen näistä tietokoneista lukee tietoja raketin antureista ja järjestelmistä, suorittaa tarvittavat laskelmat, tekee päätöksiä jatkotoimista ja luo komentoja näiden päätösten tekemiseksi. Kaikki kolme tietokonetta on kytketty toisiinsa, ja saatuja tuloksia verrataan ja analysoidaan.
Tietokoneet perustuvat kaksiytimiin PowerPC-prosessoreihin. Jälleen molemmat ytimet suorittavat samat laskelmat, vertaavat niitä toisiinsa ja tarkistavat johdonmukaisuuden. Näin ollen, vaikka laitteiston redundanssi on kolminkertainen, ohjelmisto-laskennallinen redundanssi on kuusinkertainen. Samalla voit palauttaa viallisen tietokoneen toimivaan tilaan esimerkiksi käynnistämällä uudelleen. Jos päätietokone epäonnistuu, yksi jäljellä olevista tietokoneista ottaa vallan.
Jos tietokoneissa tai muissa järjestelmissä ilmenee ongelmia, operaation kohtalo riippuu autonomisen lentoturvallisuusjärjestelmän (AFSS) päätöksestä. Tämä on täysin itsenäinen lentokonejärjestelmä, joka toimii useiden mikro-ohjainten (pienten tietokoneiden) kanssa, vastaanottaa samat tiedot antureista, laskentatulokset ja komennot lentotietokoneista ja ohjaa lennon turvallista kulkua.
Sen varmistamiseksi, että kaikilla tietokoneilla on aina mahdollisimman luotettavat tiedot, useimmat anturit ovat redundantteja, samoin kuin tietokoneet, jotka lukevat nämä tiedot ja lähettävät sen sitten ajotietokoneille. Samalla tavalla tietokoneita, jotka ohjaavat yksittäisiä ohjusten alajärjestelmiä (moottorit, peräsimet, ohjaussuuttimet jne.), kopioidaan ajotietokoneen käskyillä. Siten Falcon 9:ää ohjaa koko puu, joka koostuu vähintään 30 tietokoneesta. Puun yläosassa ovat sisätietokoneet, jotka hallitsevat alempien tietokoneiden verkkoa. Jokaisella on oma viestintäkanava kunkin ajotietokoneen kanssa erikseen. Joten kaikki joukkueet tulevat hänen luokseen kolme kertaa.
Mutta kuten näet, kaikki ajotietokoneet perustuvat yksinkertaisiin mikrosiruihin, eivät nykyaikaisten supertietokoneiden kehittyneisiin mikropiireihin.
Lue myös: Universumi: Epätavallisimmat avaruusobjektit
Avaruussirujen tulevaisuus
Suhteellisen vanhojen prosessorien käyttö ei tarkoita, ettei uusia syntyisi. Niiden luominen on vain erittäin vaikeaa ja vie paljon aikaa. On myös ymmärrettävä, että jokaisen avaruudessa käytettävän rakenteen on täytettävä MIL-STD-883-luokan vaatimukset. Tämä tarkoittaa yli 100 Yhdysvaltain puolustusministeriön kehittämän testin läpäisemistä, mukaan lukien lämpö-, mekaaniset, sähköiset ja muut sirutestit. Suurin osa tämän testin läpäisseistä prosessoreista on valmistettu vain piikiekon keskiosasta. Tämä johtuu siitä, että juuri täällä reunavirheiden esiintyminen on vähiten todennäköistä.
Tulevien avaruusalusten projektilistalla on muun muassa NASAn kehittämä HPSC-järjestelmäsarja. Prosessorien pitäisi odotetusti olla valmiina vuosien 2023 ja 2024 vaihteessa. Niiden suorituskyvyn pitäisi olla yli 100 kertaa suurempi kuin avaruusaluksissa tällä hetkellä käytettävien nopeimpien järjestelmien. Amerikkalaiset ovat keskittyneet kehittämään siruja, jotka voivat auttaa valloittamaan kuun ja Marsin. Mutta toistaiseksi nämä ovat vain projekteja.
Euroopan avaruusjärjestö, joka on pitkään kehittänyt avoimen lähdekoodin SPARK-arkkitehtuuriin perustuvia siruja, suhtautuu hieman eri tavalla. Viimeisin tällainen tuote on LEON740FT-perheen GR4-malli. Tämän neliytimisen 250 MHz:n prosessorin, joka on varustettu gigabitin verkkosovittimella ja 2 Mt L1000-välimuistilla, pitäisi olla sopiva alusta miehittämättömille avaruusaluksille ja satelliiteille. Tutkijoiden laskelmien mukaan prosessorin suunnittelun ja ominaisuuksien pitäisi taata sen normaali toiminta jopa 300 vuoden kuluttua. Tutkijat takaavat, että vain 250 vuoden sirun käytön jälkeen voi tapahtua vähintään yksi virhe. Tämä herättää luottamusta avaruusalusten lujuuteen ja kestävyyteen, koska lento samaan Marsiin kestää noin 300-XNUMX päivää, ja tämä on vain kätevä lentorata. Joskus luotain vaeltaa avaruudessa vuosia.
Mielenkiintoisena tosiasiana on syytä mainita, että vuonna 2017 HPE ja NASA lanseerasivat ensimmäisen kaupallisen korkean suorituskyvyn tietokoneen SpaceX Falcon 9 -raketissa. Kaksikantainen HPE Apollo 40 -palvelin Intel Broadwell -prosessoreilla ja nopealla 56 Gbit/ käyttöliittymä saapui kansainväliselle avaruusasemalle. Jos tiedemiehiä on uskoa, sen suorituskyky oli vain 1 TFLOPS, mutta se oli silti paljon avaruusolosuhteissa.
Se osoittaa, kuinka vaikeaa on suunnitella siruja käytettäviksi planeettamme ulkopuolella, ja kuinka paljon työtä on tehtävä ainakin tavanomaisten kotitietokoneiden prosessorien saavuttamiseksi.
Mutta tutkijat tekevät suuria ponnisteluja kehittääkseen tehokkaimpia mikrosiruja, jotka eivät vain tue avaruusalusten toimintaa, vaan ovat myös luotettavasti suojattuja avaruussäteilyltä ja säteilyltä. Ehkä kvanttitietokoneet muuttavat tilannetta, mutta se on toinen tarina.
Lue myös:
Optoelektroniikka/kvanttitietokoneet?
20 MHz on 20000000 operaatiota sekunnissa. 20000 on 20kHz.
"Tämä neliytiminen prosessori, jonka kellotaajuus on 250 MHz, varustettu gigabitin sirulla ja 2 Mt LXNUMX-välimuistilla."
Millainen siru?
Tämä on välinpitämättömyyteni. Kiitos huomiosta. Kyse oli gigabitin verkkosovittimesta. Korjasi sen.
"Monet teistä ovat varmaan yllättyneitä siitä, kuinka vähän tarvitaan esimerkiksi avaruusaseman ohjaamiseen" - Pikemminkin on yllättävää, kuinka paljon resursseja nykyaikaiset tietokoneet kuluttavat joihinkin yksinkertaisimpiin tehtäviin. Esimerkiksi Internet-sivun avaamiseen tarvitaan tehokkaampi prosessori ja enemmän muistia kuin avaruusaseman ohjaamiseen.