Бұл таңқаларлық, бірақ заманауи ғарыш аппараттары 20 ғасырда жасалған ескірген процессорлармен жабдықталған. Бұл мақалада біз бұл жағдайдың себебі неде екенін айтамыз.
Ғарыш кемелері – электрониканың барлық түрлерімен жабдықталған нағыз технология ғажайыптары. Әрине, бұл процессорларды да қамтиды, олардың арқасында жабдық өте күрделі есептеулерді орындай алады. Дегенмен, NASA және басқа ғарыш агенттіктерін әзірлеуде қолданылған чиптер көбінесе өндірістен шығып кеткен ескірген құрылғыларға ұқсайды.
Процессор туралы айтқанда, біздің үстел компьютерлерінің блоктары бірден еске түседі. Көптеген чиптер технология саласына әсер етті. Қазіргі уақытта орасан зор есептеу қуаты бар қуатты суперкомпьютерлер әзірленді. Ұқсас жабдықты ғарышты зерттеу сияқты күрделі технологиялық салада қолдану қисынды болар еді. Айға қону немесе планетамыздан миллиондаған шақырым қашықтықта ғарыштық зонды ұшыру және маневр жасау, әрине, үлкен есептеу қуатын қажет етеді. Бұл мүлдем олай емес, және сіздердің көпшілігіңіз, мысалы, ғарыш станциясын басқарудың қаншалықты аз екеніне таң қалуыңыз мүмкін. Айтпақшы, жақында Қызыл ғаламшарға сәтті қонған жаңа Perseverance ровері 750 жылдан астам бұрын шыққан iMac G750 компьютерлерінің жүрегі - PowerPC 3 арнайы нұсқасы болып табылатын RAD20 процессорына негізделген. . Ал қазір Марста да жұмыс істеп жатқан Ingenuity тікұшағы Snapdragon 801 процессорымен жабдықталған.Ең күрделі есептеу операцияларын орындайтын бұл ғарыш аппараттары осындай «қарапайым» немесе тіпті ескірген микропроцессорларда жұмыс істейді. Бірақ бұл жағдайдың болашақта да өзгере қоюы екіталай. NASA және басқа ғарыш агенттіктерінің ғалымдары неліктен осындай әлсіз SoC-ті қолдануға мәжбүр болғанын білейік.
Сондай-ақ оқыңыз: Терраформингтік Марс: Қызыл планета жаңа Жерге айналуы мүмкін бе?
Ғарыштық процессорлар таңқаларлықтай баяу
Барлығына жақсы таныс болуы керек мысалдан бастайық. Біз 16 жылы 1969 шілдеде болған оқиға туралы айтып отырмыз. Бұл күні «Аполлон-11» миссиясы аясында SA-506 зымыран-тасығышы «Аполлон» ғарыш кемесін Жер атмосферасынан алып шықты. Ал 4 күннен кейін америкалық астронавттар Базз Олдрин мен Нил Армстронг адамзат тарихында алғаш рет ай бетіне аяқ басты. Миссия 1966 жылы жасалған AGC (Apollo Guidance Computer) көмегімен сәтті орындалды. Дизайн компьютерлік технология тұрғысынан өте қызықты болды, бірақ бұл құрылғының техникалық сипаттамаларына қарап, миссияның сәтті болғанына таң қалуға болады. Ойлап көріңізші, борттағы чип бар болғаны 2,048 МГц тактілік жиілікпен жұмыс істеді және небәрі 2048 сөзден тұратын жедел жады болды. Иә, дәл сөздер. Яғни, қазір бұл жай ғана керемет болып көрінеді, бірақ сол кезде ол ең заманауи компьютерлердің бірі болды.
Айта кету керек, үй компьютері ұқсас өнімділікті ұсынды Apple II, бірнеше жылдан кейін шығарылды. Яғни, ол кезде ғарыш аппаратында өз заманынан озып кеткен техникалық жабдықтар болған.
Дегенмен, бұл жағдай белгілі бір уақытқа дейін созылды, тиімдірек құрылғы міндетті түрде ең жақсы шешім емес екені тез белгілі болды, кейде ол одан да қауіпті болуы мүмкін. Ғарыштық электроника тарихындағы бетбұрыс ғарыштық сәулеленудің нақты мәндерін және оның технологияға әсерін анықтау болды. Бірақ радиация процессордың өзіне қалай әсер етеді?
Қарапайым борттық компьютермен жабдықталған Gemini ғарыш кемесі ғарышқа ұшырылған кезде, оны жасау үшін қолданылған технологиялар бүгінгі күні өте қарапайым болды. Дегенмен, ғарышта бұл үлкен артықшылық болып шықты.
Қазіргі уақытта жаңа процессорларды жасау кезінде заманауи технологиялық процестер қолданылады, енді біз 7 нм литографиямен жасалған микроскопиялық процессорларды оңай сатып аламыз. Чип неғұрлым аз болса, оны қосу және өшіру үшін соғұрлым аз кернеу қажет. Ғарышта бұл күрделі проблемаларды тудыруы мүмкін. Радиациялық бөлшектердің әсерінен транзистор болатын күйді жоспардан тыс ауыстыру мүмкіндігі бар. Бұл, өз кезегінде, соңғысының ең күтпеген сәтте жұмысын тоқтатуына әкелуі мүмкін немесе мұндай процессордың көмегімен орындалған есептеулер дәл емес болады. Ал ғарышта бұл қабылданбайды және қайғылы салдарға әкелуі мүмкін.
Қызықты мысал, мысалы, шыны кабинаны басқаратын Intel 386SX процессоры (Intel 80386 қысқартылған нұсқасы). Ол шамамен 20 МГц тактілік жиілікте жұмыс істеді, яғни секундына 20 000 циклде тапсырмаларды орындай алады. Ғарыштық құрылыстағы дебюті кезінде чип ерекше жоғары жылдамдыққа ие болмады, бірақ одан да маңыздысы, төмен сағат жиілігінің арқасында процессор қауіпсіз болды.
Радиацияға ұшыраған кезде оның бөлшектері процессордың кэш жадында сақталған деректерді зақымдауы мүмкін. Бұл өте қысқа терезеде мүмкін - аз уақыт оны айтарлықтай азайтады, яғни жылдамырақ тізбектер радиацияға көбірек ұшырайды. Қарапайым тілмен айтқанда, радиация ақыр соңында деректерді сақтауға әсер етіп, процессордың өзін зақымдауы мүмкін. Бұл ғарыш станциясының, зымыран тасығыштың немесе зондтың жұмыс жағдайында қабылданбайды. Миллион долларлық жобаға ешкім тәуекел етпейді.
Сондай-ақ оқыңыз: Марсты отарлауымызға не кедергі болады?
Деструктивті радиация
Кезінде радиацияның әсері өндіріс процесінің өзіндегі өзгерістермен өтелді, мысалы, галлий арсениді сияқты материалдар пайдаланылды. Дегенмен, әрбір модификация өте қымбат болды. Сонымен қатар, ғарыш аппараттарына арналған жүйелер аз мөлшерде мамандандырылған зауыттарда жасалады. Тек RHBD технологиясын қолдану радиацияға төзімді микросұлбаларды өндіруде стандартты CMOS процесін пайдалануға мүмкіндік берді. Сондай-ақ, бір биттің үш бірдей көшірмесін барлық уақытта сақтауға мүмкіндік беретін үш еселік резервтеу сияқты әдістер қолданылды. Олар қажет болған кезде ең жақсысы таңдалады.
Ғарыш аппараттарының жүйелеріне радиацияның жойқын әсері бір кездері ресейлік Фобос-Грунт миссиясының сәтсіздігіне себеп болды. Әскери ұшақтарға арналған WS512K32V20G24M чипі ғарыштық сәулелердің ауыр иондарымен зақымдалған. Шамадан тыс ток компьютерді зақымдап, қауіпсіз режимге өтті. Байланыс ақауларына байланысты қайта іске қосу мүмкін болмады, бұл зондтың атмосфераға енуіне және оның жануына әкелді.
Сондықтан ұзақ қызмет ету мерзімі бар жобалар үшін шынымен берік блоктар қолданылады. Мысалы, Хаббл телескопы бастапқыда тактілік жиілігі 8 МГц болатын 224 разрядты Rockwell Autonetics DF-1,25 қондырғысымен жабдықталған. Көп ұзамай бұл жаман идея екені белгілі болды және NASA чипті Intel чипімен ауыстыру процесінен өтуге мәжбүр болды. 1993 жылы телескоп Intel 386-ны қолдауға бейімделді, ал 3 жылы 1999A қызмет көрсету миссиясы кезінде DF-224 және Intel 386 жұп чиптері Intel 486 чипімен ауыстырылды.
Біз мұнда ғарыш станциясын мысалға келтірдік. Мұндай үлкен және күрделі құрылымның бортында өте тиімді жүйе болуы керек сияқты. Алайда, олай емес. Халықаралық ғарыш стансасының (ХҒС) негізгі компьютері жоғарыда аталған Intel 386 блогында жұмыс істейтіні белгілі.Негізінде үш компьютерден тұратын екі жинақ пайдаланылады – бір ресейлік және бір американдық. Сондай-ақ, 2015 жылы Плутон арқылы ұшып, Койпер белдеуін нысанаға алған әлдеқайда жаңа «Жаңа көкжиектер» ғарыш аппаратын қарастырайық. 15 МГц тактілік жиілігі бар радиацияға төзімді Mongoose-V чипі секундына 40 000 цикл жылдамдықпен тапсырмаларды орындауға қабілетті, осы құрылғыдағы функциялардың көпшілігіне жауап берді. Оның өнімділігі консоль жұмыс істейтін процессордың өнімділігіне жақын PlayStation.
Тіпті өте заманауи ғарыш аппараттарын қарастырған кезде, дизайнерлер көбінесе бірнеше онжылдықтар ескірген шешімдерді қолданатынын көреміз. Жақында бүкіл әлем Curosity роверінің Марсқа қонғанын тамашалады. Ішінде небәрі 750 МГц жиілікте жұмыс істейтін BAE RAD200 процессоры, IBM PowerPC 750 чипінің жетілдірілген нұсқасы бар деп санайтындар аз.Егер сізде компьютер болған болса. Apple, бұл процессорды iMac сериясынан білуіңіз мүмкін. Сонымен қатар, ол Nintendo Wii консоліндегі тиімділігі аз микропроцессорды да пайдаланды. Радиацияның жоғарылауы жағдайында жұмыс істеу талаптарына байланысты оның тактілік жиілігі үш еседен астам қысқартылды.
Perseverance ровері 20 жылдан астам бұрын шығарылған процессорда да жұмыс істейтінін жоғарыда айттық. Басқаша айтқанда, ештеңе өзгерген жоқ, миллиондаған доллар тұратын ғарыш аппараттары өткен ғасырда шығарылған микропроцессорларды пайдалануда. Бұл қалай естіледі, бірақ бұл шындық.
Сондай-ақ оқыңыз: Компьютерде бос орын. Астрономияға арналған ең жақсы 5 қолданба
Crew Dragon, Falcon және Starlink басқаратын бағдарламалық қамтамасыз ету және компьютерлер
Біз әйгілі Crew Dragon, Falcon және Starlink мысалдарын қолдана отырып, бағдарламалық жасақтама ретінде не қолданылатынын толығырақ білуді шештік.
Crew Dragon ғарыш кемесі атын естігенде, көптеген адамдар хабарлар кезінде көрген үш сенсорлық экран мен көк басқару интерфейсін ойға алады. Түймелердің, қосқыштардың және джойстиктердің орнына сенсорлық экрандар арқылы ғарыш кемесін басқарудың орындылығы туралы әлі де көп пікірталастар бар. SpaceX бұл опцияны таңдады, өйткені олардың мақсаты кемені басқаруды қажет етпейтіндей етіп жасау және сонымен бірге экипаждың әрқашан мүмкіндігінше көбірек ақпаратқа қол жеткізуі болды. Кеме толығымен автономды және астронавтар басқаруға тиіс жалғыз нәрсе аудио жүйенің дыбыс деңгейі сияқты ішкі кабина жүйелерімен шектеледі. Кеменің ұшуын және оның ең маңызды жүйелерін ғарышкерлер басқаруы тек төтенше жағдайларда ғана жүзеге асырылуы керек, ал SpaceX ғарышкерлердің көмегімен осы тапсырмалар үшін ең жақсы графикалық интерфейсті әзірлеуге тырысты.
Дегенмен, кеменің негізгі функцияларын дисплейдің астында орналасқан түймелер арқылы басқаруға болатынын атап өткен жөн. Экипажда өрт сөндіру жүйесін іске қосу, атмосфераға қайта кірген кезде парашюттерді ашу, ХҒС-қа ұшуды тоқтату, орбитадан авариялық түсуді бастау, борттық компьютерлерді қалпына келтіру және басқа да авариялық тапсырмаларды орындау мүмкіндігі бар. Ортаңғы дисплейдің астындағы рычаг ғарышкерлерге эвакуация жүйесін бастауға мүмкіндік береді. Сондай-ақ оларда дисплейлер арқылы енгізілген пәрмендерді бастайтын және тоқтататын түймелер бар. Осылайша, егер ғарышкер дисплейде пәрменді орындаса және ол сәтсіз болса, ол әлі де дисплейдің астындағы түймені басу арқылы пәрменді тоқтату мүмкіндігіне ие болады. Дисплейлердің анықтығы мен басқарылуы діріл жағдайында да сыналды, ал сынақ топтары мен ғарышкерлер қолғаптар мен мөрленген скафандрларда көптеген сынақтар жасады.
Зымыран мен кемені басқару жүйесіне қойылатын ең маңызды талап, әрине, сенімділік. SpaceX зымырандары жағдайында бұл, ең алдымен, жүйенің артық болуына байланысты, яғни бірге жұмыс істейтін және бірін-бірі қайталайтын және толықтыра алатын бірнеше бірдей құрамдастарды пайдалану есебінен қамтамасыз етіледі. Атап айтқанда, Falcon 9-да барлығы үш бөлек борттық компьютер бар. Бұл компьютерлердің әрқайсысы зымыранның сенсорлары мен жүйелерінен деректерді оқиды, қажетті есептеулерді жүргізеді, одан әрі әрекеттер туралы шешім қабылдайды және сол шешімдерді қабылдау үшін командаларды жасайды. Үш компьютер де бір-бірімен байланысты, алынған нәтижелер салыстырылады және талданады.
Компьютерлер екі ядролы PowerPC процессорларына негізделген. Тағы да, екі ядро да бірдей есептеулерді орындайды, оларды бір-бірімен салыстырады және сәйкестігін тексереді. Осылайша, аппараттық қамтамасыз етудің артықтығы үш есе болса, бағдарламалық-есептеу артықтығы алты есеге жетеді. Сонымен қатар, ақаулы компьютерді жұмыс күйіне қайтаруға болады, мысалы, қайта жүктеу арқылы. Негізгі компьютер істен шықса, қалған компьютерлердің бірі жұмысты алады.
Компьютерлерде немесе басқа жүйелерде ақаулар туындаған жағдайда, миссияның тағдыры Автономды ұшу қауіпсіздігі жүйесінің (AFSS) шешіміне байланысты. Бұл бірнеше микроконтроллерлердің (шағын компьютерлер) жиынтығында жұмыс істейтін, датчиктерден бірдей деректерді, борттық компьютерлерден есептеу нәтижелерін және командаларды қабылдайтын және ұшудың қауіпсіз бағытын басқаратын толығымен тәуелсіз борттық компьютер жүйесі.
Барлық компьютерлерде әрқашан ең сенімді деректер болуын қамтамасыз ету үшін сенсорлардың көпшілігі, бұл деректерді оқып, содан кейін борттық компьютерлерге жіберетін компьютерлер сияқты артық болады. Дәл осылай жеке зымыран ішкі жүйелерін (қозғалтқыштар, рульдер, маневрлік саптамалар және т.б.) басқаратын компьютерлер борттық компьютердің командалары арқылы қайталанады. Осылайша, Falcon 9 кем дегенде 30 компьютерден тұратын тұтас ағашпен басқарылады. Ағаштың жоғарғы жағында бағынышты компьютерлер желісін басқаратын борттық компьютерлер орналасқан. Олардың әрқайсысында әрбір борттық компьютермен жеке байланыс арнасы бар. Сондықтан барлық командалар оған үш рет келеді.
Бірақ көріп отырғаныңыздай, барлық борттық компьютерлер заманауи суперкомпьютерлердің күрделі микросұлбаларына емес, қарапайым микрочиптерге негізделген.
Сондай-ақ оқыңыз: Ғалам: Ең ерекше ғарыш объектілері
Ғарыштық чиптердің болашағы
Салыстырмалы түрде ескі процессорларды пайдалану жаңалары жасалмайды дегенді білдірмейді. Тек оларды жасау процесі өте қиын және көп уақытты алады. Сондай-ақ ғарышта қолданылатын әрбір құрылым MIL-STD-883 класының талаптарына сай болуы керек екенін түсіну керек. Бұл АҚШ Қорғаныс министрлігі әзірлеген 100-ден астам сынақтардан, соның ішінде термиялық, механикалық, электрлік және басқа чип сынақтарынан өтуді білдіреді. Бұл сынақтан өткен процессорлардың көпшілігі кремний пластинаның орталық бөлігінен ғана жасалған. Өйткені, дәл осы жерде шеткі ақаулардың пайда болу ықтималдығы аз.
Болашақ ғарыш аппараттарына арналған жобалар тізіміне басқалармен қатар NASA әзірлеген HPSC жүйелер сериясы кіреді. Күтілгендей, процессорлар 2023 және 2024 жылдардың тоғысында дайын болуы керек. Олардың өнімділігі қазіргі уақытта ғарыш аппараттарында қолданылатын ең жылдам жүйелерден 100 есе жоғары болуы керек. Америкалықтар Ай мен Марсты бағындыруға көмектесетін чиптерді әзірлеуге ден қойған. Бірақ әзірге бұл тек жобалар ғана.
Ұзақ уақыт бойы ашық бастапқы SPARK архитектурасына негізделген чиптерді жасап келе жатқан Еуропалық ғарыш агенттігі сәл басқаша көзқарасты ұстанады. Мұндай соңғы өнім LEON740FT отбасынан шыққан GR4 үлгісі болып табылады. Бұл гигабиттік желі адаптерімен және 250 МБ L2 кэшпен жабдықталған төрт ядролы 1000 МГц процессоры ұшқышсыз ғарыш аппараттары мен жерсеріктерге қолайлы платформа болуы керек. Ғалымдардың есептеулері бойынша процессордың дизайны мен сипаттамалары оның 300 жылдан кейін де қалыпты жұмыс істеуіне кепілдік беруі керек. Ғалымдар чип 250 жыл жұмыс істегеннен кейін ғана кем дегенде бір қате пайда болуы мүмкін екеніне кепілдік береді. Бұл ғарыш аппараттарының беріктігі мен беріктігіне сенім ұялатады, өйткені сол Марсқа ұшу шамамен 300-XNUMX күнге созылады және бұл тек ыңғайлы траектория. Зондтар кейде жылдар бойы ғарышта кезіп жүреді.
Қызықты факт ретінде, 2017 жылы HPE және NASA SpaceX Falcon 9 зымыранының бортында бірінші коммерциялық жоғары өнімді компьютерді іске қосқанын айта кеткен жөн.Intel Broadwell процессорлары мен жылдам 40 Гбит/с жылдамдықты қос розеткалы HPE Apollo 56 сервері. интерфейсі Халықаралық ғарыш станциясына келді. Ғалымдар сенетін болса, оның өнімділігі тек 1 TFLOPS болды, бірақ ғарыш жағдайлары үшін бұл әлі де көп болды.
Бұл біздің планетамыздан тыс жерде пайдалану үшін чиптерді жобалау қаншалықты қиын екенін және кем дегенде үйдегі негізгі компьютер процессорларына жету үшін қанша жұмыс істеу керектігін көрсетеді.
Бірақ ғалымдар ғарыш аппараттарының жұмысын қолдап қана қоймай, сонымен қатар ғарыштық радиация мен радиациядан сенімді қорғалатын ең қуатты микрочиптерді әзірлеуге көп күш салуда. Мүмкін кванттық компьютерлер жағдайды өзгертетін шығар, бірақ бұл басқа әңгіме.
Сондай-ақ оқыңыз:
Оптоэлектроника/кванттық компьютерлер?
20 МГц – секундына 20000000 операция.20000 – 20 КГц.
«Бұл төрт ядролы процессор 250 МГц жиілігінде, гигабиттік чиппен және 2 МБ LXNUMX кэшпен жабдықталған».
Қандай чип?
Бұл менің назарсыздығым. Назар аударғаныңызға рахмет. Бұл гигабиттік желі адаптері туралы болды. Түзетті.
«Сіздердің көпшілігіңіз, мысалы, ғарыш станциясын басқарудың қаншалықты аз екеніне таң қалуыңыз мүмкін» - Қазіргі компьютерлердің кейбір қарапайым тапсырмаларды орындау үшін қанша ресурстар жұмсайтыны таң қалдырады. Мысалы, Интернетте бет ашу үшін ғарыш станциясын басқарудан гөрі қуатты процессор және көбірек жад қажет.