Është e habitshme, por anijet moderne kozmike janë të pajisura me procesorë të vjetëruar që janë zhvilluar në shekullin e 20-të. Në këtë artikull, ne do t'ju tregojmë se cila është arsyeja e kësaj gjendjeje.
Anijet kozmike janë mrekulli të vërteta të teknologjisë, të pajisura me të gjitha llojet e pajisjeve elektronike. Sigurisht, këtu përfshihen edhe procesorët, falë të cilëve pajisja mund të kryejë llogaritje shumë komplekse. Megjithatë, çipat e përdorur në zhvillimin e NASA-s dhe agjencive të tjera hapësinore shpesh mund të duken si pajisje të vjetruara që kanë qenë prej kohësh jashtë prodhimit.
Kur flasim për procesorin, blloqet e kompjuterëve tanë desktop ndoshta vijnë menjëherë në mendje. Shumë çipa kanë ndikuar në industrinë e teknologjisë. Aktualisht, superkompjuterë të fuqishëm me fuqi të madhe kompjuterike janë zhvilluar tashmë. Do të ishte logjike të përdoreshin pajisje të ngjashme në një fushë teknologjike kaq komplekse si kërkimi hapësinor. Ulja në Hënë ose nisja dhe manovrimi i një sonde hapësinore në një distancë prej miliona kilometrash nga planeti ynë sigurisht që kërkon shumë fuqi kompjuterike. Rezulton se nuk është aspak kështu, dhe shumë prej jush ndoshta do të habiten nga sa pak nevojitet për të kontrolluar, të themi, një stacion hapësinor. Nga rruga, roveri i ri Perseverance, i cili kohët e fundit u ul me sukses në Planetin e Kuq, bazohet në procesorin RAD750, i cili është një version i veçantë i PowerPC 750 - zemra e kompjuterëve iMac G3 që doli më shumë se 20 vjet më parë . Dhe helikopteri Ingenuity, i cili aktualisht po operon edhe në Mars, është i pajisur me një procesor Snapdragon 801. Këto anije kozmike, duke kryer operacionet më komplekse llogaritëse, punojnë në mikroprocesorë të tillë "të zakonshëm" apo edhe të vjetëruar. Por kjo gjendje nuk ka gjasa të ndryshojë edhe në të ardhmen. Le të zbulojmë pse shkencëtarët në NASA dhe agjenci të tjera hapësinore janë të detyruar të përdorin SoC kaq të dobëta.
Lexoni gjithashtu: Marsi Terraforming: A mund të kthehet Planeti i Kuq në një Tokë të re?
Procesorët e hapësirës janë çuditërisht të ngadaltë
Le të fillojmë me një shembull që duhet të jetë i njohur për të gjithë. Bëhet fjalë për ngjarjen e ndodhur më 16 korrik 1969. Në këtë ditë, si pjesë e misionit Apollo 11, mjeti lëshues SA-506 e nxori anijen kozmike Apollo nga atmosfera e Tokës. Dhe 4 ditë më vonë, astronautët amerikanë Buzz Aldrin dhe Neil Armstrong shkelën në sipërfaqen e Hënës për herë të parë në historinë njerëzore. Misioni u krye me sukses me ndihmën e AGC (Apollo Guidance Computer), i zhvilluar në vitin 1966. Dizajni ishte mjaft interesant nga pikëpamja e teknologjisë kompjuterike, por duke parë karakteristikat teknike të kësaj pajisjeje, mund të habitemi që misioni ishte fare i suksesshëm. Thjesht mendoni, çipi në bord funksiononte me një frekuencë ore prej vetëm 2,048 MHz dhe kishte një RAM prej vetëm 2048 fjalësh. Po, pikërisht fjalët. Kjo do të thotë, tani duket thjesht e pabesueshme, por në atë kohë ishte një nga kompjuterët më modernë.
Vlen të përmendet se një kompjuter në shtëpi ofronte performancë të ngjashme Apple II, u lirua disa vjet më vonë. Me fjalë të tjera, në atë kohë anija kozmike kishte pajisje teknike që ishin përpara kohës së saj.
Sidoqoftë, kjo gjendje zgjati deri në një pikë të caktuar, shpejt u bë e qartë se një pajisje më efikase nuk është domosdoshmërisht zgjidhja më e mirë, dhe ndonjëherë mund të jetë më e rrezikshme. Pika e kthesës në historinë e elektronikës hapësinore ishte përcaktimi i vlerave të sakta të rrezatimit kozmik dhe ndikimi i tij në teknologji. Por si ndikon rrezatimi në vetë procesorin?
Kur anija kozmike Gemini, e pajisur me një kompjuter të thjeshtë në bord, u lëshua në hapësirë, teknologjitë e përdorura për krijimin e saj ishin, që nga sot, jashtëzakonisht primitive. Sidoqoftë, në hapësirë doli të ishte një avantazh i madh.
Në ditët e sotme, kur krijohen procesorë të rinj, përdoren procese më moderne teknologjike, tani mund të blejmë lehtësisht, praktikisht, procesorë mikroskopikë të prodhuar nga litografia 7 nm. Sa më i vogël të jetë çipi, aq më pak tension nevojitet për ta ndezur dhe fikur. Në hapësirë, kjo mund të shkaktojë probleme serioze. Fakti është se nën ndikimin e grimcave të rrezatimit, ekziston mundësia e ndërrimit të paplanifikuar të gjendjes në të cilën do të jetë transistori. Kjo, nga ana tjetër, mund të bëjë që ky i fundit të ndalojë së punuari në momentin më të papritur, ose llogaritjet e kryera duke përdorur një procesor të tillë do të jenë të pasakta. Dhe në hapësirë, kjo është e papranueshme dhe mund të çojë në pasoja tragjike.
Një shembull interesant është, për shembull, procesori Intel 386SX (një version i shkurtuar i Intel 80386), i cili kontrollonte të ashtuquajturën kabinë xhami. Ai funksiononte me një shpejtësi orësh prej rreth 20 MHz, që do të thotë se mund të kryente detyra me 20 cikle në sekondë. Tashmë në kohën e debutimit të tij në ndërtimin e hapësirës, çipi nuk kishte një shpejtësi veçanërisht të lartë, por më e rëndësishmja, falë frekuencës së ulët të orës, procesori ishte i sigurt.
Kur ekspozohen ndaj rrezatimit, grimcat e tij mund të dëmtojnë të dhënat e ruajtura në memorien e memories së procesorit. Kjo është e mundur në një dritare shumë të shkurtër - koha e ulët e zvogëlon atë ndjeshëm, që do të thotë se qarqet më të shpejta janë më të ekspozuara ndaj rrezatimit. E thënë thjesht, rrezatimi mund të ndikojë përfundimisht në ruajtjen e të dhënave dhe të dëmtojë vetë procesorin. Kjo është e papranueshme në kushtet e funksionimit të një stacioni hapësinor, mjeti lëshues ose sondë. Askush nuk do të rrezikojë një projekt milion dollarësh.
Lexoni gjithashtu: Çfarë mund të na pengojë të kolonizojmë Marsin?
Rrezatimi shkatërrues
Në një kohë, ndikimi i rrezatimit u kompensua nga ndryshimet në vetë procesin e prodhimit, për shembull, u përdorën materiale të tilla si arsenidi i galiumit. Sidoqoftë, çdo modifikim ishte shumë i shtrenjtë. Për më tepër, sistemet për automjetet hapësinore krijohen në fabrika të specializuara në sasi të vogla. Vetëm përdorimi i teknologjisë RHBD bëri të mundur përdorimin e procesit standard CMOS në prodhimin e mikroqarqeve rezistente ndaj rrezatimit. Gjithashtu u përdorën teknika të tilla si teprica e trefishtë, e cila lejon që tre kopje identike të të njëjtit bit të ruhen në çdo kohë. Kur nevojiten, zgjidhet më i miri.
Efektet shkatërruese të rrezatimit në sistemet e anijeve kozmike dikur shkaktuan dështimin e misionit rus Phobos-Grunt. Çipi WS512K32V20G24M, i projektuar për avionë ushtarakë, u dëmtua nga jonet e rënda nga rrezet kozmike. Rryma e tepërt dëmtoi kompjuterin dhe ai kaloi në modalitetin e sigurt. Për shkak të problemeve të komunikimit, rinisja nuk u bë e mundur, gjë që çoi në hyrjen e sondës në atmosferë dhe djegien e saj.
Prandaj, për projektet me një jetë të gjatë shërbimi, përdoren blloqe vërtet të qëndrueshme. Për shembull, teleskopi Hubble fillimisht ishte i pajisur me një njësi 8-bit Rockwell Autonetics DF-224 me një frekuencë ore prej 1,25 MHz. Shumë shpejt u bë e qartë se kjo ishte një ide e keqe dhe NASA-s iu desh të kalonte procesin e zëvendësimit të çipit me një Intel. Në vitin 1993, teleskopi u përshtat për të mbështetur Intel 386, dhe gjatë misionit të shërbimit 3A në 1999, çifti i çipave DF-224 dhe Intel 386 u zëvendësuan me një çip Intel 486.
Ne kemi dhënë tashmë shembullin e stacionit hapësinor këtu. Duket se një strukturë kaq e madhe dhe komplekse duhet të ketë një sistem shumë efikas në bord. Megjithatë, ky nuk është rasti. Dihet se kompjuteri kryesor në Stacionin Ndërkombëtar të Hapësirës (ISS) funksionon në bllokun e përmendur tashmë Intel 386. Në thelb, përdoren dy grupe me tre kompjuterë - një rus dhe një amerikan. Le të hedhim një vështrim edhe në anijen kozmike shumë më të re New Horizons, e cila fluturoi pranë Plutonit në 2015 dhe synonte Brezin Kuiper. Çipi rezistent ndaj rrezatimit Mongoose-V me një frekuencë të orës 15 MHz, i aftë për të kryer detyra me një shpejtësi prej 40 cikle në sekondë, ishte përgjegjës për shumicën e funksioneve në këtë pajisje. Performanca e tij është afër performancës së procesorit në të cilin funksionon tastiera PlayStation.
Kur shikojmë edhe anijet kozmike shumë moderne, shohim se projektuesit po përdorin zgjidhje që shpesh janë disa dekada të vjetra. Së fundmi, e gjithë bota ka parë uljen e roverit Curosity në Mars. Pak do ta kishin marrë me mend se brenda ishte një procesor BAE RAD750 me shpejtësi vetëm 200 MHz, një version i përmirësuar i çipit IBM PowerPC 750. Nëse keni pasur ndonjëherë një kompjuter Apple, ju mund ta njihni këtë procesor nga seria iMac. Për më tepër, ai përdori gjithashtu mikroprocesorin më pak efikas nga tastiera Nintendo Wii. Në lidhje me kërkesat e funksionimit në kushte të rritjes së rrezatimit, frekuenca e orës së saj është zvogëluar për më shumë se tre herë.
Ne kemi përmendur tashmë se roveri Perseverance gjithashtu funksionon në një procesor që u lëshua më shumë se 20 vjet më parë. Me fjalë të tjera, asgjë nuk ka ndryshuar dhe anijet kozmike që kushtojnë miliona dollarë përdorin mikroprocesorë që u lëshuan në shekullin e kaluar. Pavarësisht se si tingëllon, por është e vërtetë.
Lexoni gjithashtu: Hapësirë në kompjuterin tuaj. 5 aplikacionet më të mira të astronomisë
Softuer dhe kompjuterë që drejtojnë Crew Dragon, Falcon dhe Starlink
Ne vendosëm të zbulojmë më në detaje se çfarë përdoret si softuer, duke përdorur shembullin e të famshmëve Crew Dragon, Falcon dhe Starlink.
Kur dëgjojmë emrin e anijes kozmike Crew Dragon, shumë njerëz mendojnë për tre ekranet me prekje dhe ndërfaqen blu të kontrollit që pamë gjatë transmetimeve. Ka ende shumë debate për mundësinë e kontrollit të anijes kozmike duke përdorur ekrane me prekje në vend të butonave, çelsave dhe levës. SpaceX zgjodhën këtë opsion, sepse qëllimi i tyre ishte ta projektonin anijen në atë mënyrë që të mos kërkonte asnjë kontroll dhe, në të njëjtën kohë, që ekuipazhi të kishte gjithmonë akses në sa më shumë informacion që të ishte e mundur. Anija është plotësisht autonome dhe e vetmja gjë që duhet të kontrollojnë astronautët është e kufizuar në sistemet e brendshme të kabinës, siç është vëllimi i sistemit audio. Kontrolli i fluturimit të anijes dhe sistemeve të saj më të rëndësishme nga astronautët duhet të kryhet vetëm në raste urgjente dhe SpaceX u përpoq me ndihmën e vetë astronautëve të zhvillonte ndërfaqen më të mirë grafike për këto detyra.
Sidoqoftë, duhet të theksohet se funksionet kryesore të anijes mund të kontrollohen duke përdorur butonat e vendosur poshtë ekranit. Ekuipazhi ka aftësinë të fillojë sistemin e shuarjes së zjarrit, të hapë parashutat kur rihyhet në atmosferë, të ndërpresë fluturimin për në ISS, të fillojë një zbritje emergjente nga orbita, të rivendosë kompjuterët në bord dhe të kryejë detyra të tjera emergjente. Një levë nën ekranin e mesëm i lejon astronautët të fillojnë sistemin e evakuimit. Ata gjithashtu kanë butona që nisin dhe anulojnë komandat e futura duke përdorur ekranet. Në këtë mënyrë, nëse astronauti ekzekuton një komandë në ekran dhe ai dështon, ai ende ka aftësinë ta anulojë komandën duke shtypur një buton poshtë ekranit. Qartësia dhe kontrollueshmëria e ekraneve u testuan gjithashtu në kushte vibrimi, dhe ekipet e testimit dhe astronautët kryen teste të shumta në doreza dhe kostume hapësinore të mbyllura.
Ndoshta kërkesa më e rëndësishme për një sistem kontrolli raketash dhe anijesh është, sigurisht, besueshmëria. Në rastin e raketave SpaceX, kjo sigurohet, para së gjithash, për shkak të tepricës së sistemit, domethënë për shkak të përdorimit të disa komponentëve identikë që punojnë së bashku dhe mund të dublikohen dhe plotësojnë njëri-tjetrin. Në veçanti, Falcon 9 ka gjithsej tre kompjuterë të veçantë në bord. Secili nga këta kompjuterë lexon të dhëna nga sensorët dhe sistemet e raketës, kryen llogaritjet e nevojshme, merr vendime për veprime të mëtejshme dhe gjeneron komanda për të marrë ato vendime. Të tre kompjuterët janë të ndërlidhur, dhe rezultatet e fituara krahasohen dhe analizohen.
Kompjuterët bazohen në procesorë PowerPC me dy bërthama. Përsëri, të dy bërthamat kryejnë të njëjtat llogaritje, i krahasojnë ato me njëra-tjetrën dhe kontrollojnë për qëndrueshmëri. Kështu, ndërsa teprica e harduerit është e trefishtë, teprica kompjuterike-llogaritëse është gjashtëfish. Në të njëjtën kohë, ju mund ta ktheni një kompjuter me defekt në një gjendje pune, për shembull, duke rindezur. Nëse kompjuteri kryesor dështon, një nga kompjuterët e mbetur merr përsipër.
Në rast të problemeve me kompjuterë ose sisteme të tjera, fati i misionit varet nga vendimi i Sistemit Autonom të Sigurisë së Fluturimit (AFSS). Ky është një sistem kompjuterik plotësisht i pavarur në bord që funksionon në një grup të disa mikrokontrolluesve (kompjuterë të vegjël), merr të njëjtat të dhëna nga sensorët, rezultatet e llogaritjes dhe komandat nga kompjuterët në bord dhe kontrollon rrjedhën e sigurt të fluturimit.
Për të siguruar që të gjithë kompjuterët të kenë gjithmonë të dhënat më të besueshme të mundshme, shumica e sensorëve janë të tepërt, siç janë kompjuterët që lexojnë këto të dhëna dhe më pas i dërgojnë ato te kompjuterët në bord. Në të njëjtën mënyrë, kompjuterët që kontrollojnë nënsistemet individuale të raketave (motorët, timonët, hundët e manovrimit, etj.) dublikohen nga komandat e kompjuterit në bord. Kështu, Falcon 9 kontrollohet nga një pemë e tërë e përbërë nga të paktën 30 kompjuterë. Në krye të pemës janë kompjuterët në bord që menaxhojnë një rrjet kompjuterash vartës. Secili ka kanalin e vet të komunikimit me secilin kompjuter në bord veç e veç. Kështu që të gjitha skuadrat vijnë tek ai tre herë.
Por siç mund ta shihni, të gjithë kompjuterët në bord bazohen në mikroçipa të thjeshtë, jo në mikroqarqe të sofistikuara të superkompjuterëve modernë.
Lexoni gjithashtu: Universi: Objektet hapësinore më të pazakonta
E ardhmja e çipave hapësinorë
Përdorimi i procesorëve relativisht të vjetër nuk do të thotë se nuk po krijohen të rinj. Thjesht procesi i krijimit të tyre është shumë i vështirë dhe kërkon shumë kohë. Gjithashtu duhet kuptuar se çdo strukturë që do të përdoret në hapësirë duhet të plotësojë kërkesat e klasës MIL-STD-883. Kjo nënkupton kalimin e më shumë se 100 testeve të zhvilluara nga Departamenti i Mbrojtjes i SHBA-së, duke përfshirë teste termike, mekanike, elektrike dhe teste të tjera të çipave. Shumica e përpunuesve që kaluan këtë provë janë bërë vetëm nga pjesa qendrore e vaferës së silikonit. Kjo është për shkak se është këtu që defektet e skajeve kanë më pak gjasa të ndodhin.
Lista e projekteve për anijen e ardhshme kozmike përfshin, ndër të tjera, serinë e sistemeve HPSC të zhvilluara nga NASA. Siç pritej, përpunuesit duhet të jenë gati në fund të 2023 dhe 2024. Performanca e tyre duhet të jetë më shumë se 100 herë më e lartë se ajo e sistemeve më të shpejta të përdorura aktualisht në anijen kozmike. Amerikanët janë të fokusuar në zhvillimin e çipave që mund të ndihmojnë në pushtimin e Hënës dhe Marsit. Por deri tani këto janë vetëm projekte.
Agjencia Evropiane e Hapësirës, e cila ka zhvilluar çipe të bazuara në arkitekturën SPARK me burim të hapur për një kohë të gjatë, ka një qasje paksa të ndryshme. Produkti më i fundit i tillë është modeli GR740 nga familja LEON4FT. Ky procesor me katër bërthama 250 MHz, i pajisur me një përshtatës rrjeti gigabit dhe 2 MB cache L1000, duhet të jetë një platformë e përshtatshme për anijet kozmike pa pilot dhe satelitët. Sipas llogaritjeve të shkencëtarëve, dizajni dhe karakteristikat e procesorit duhet të garantojnë funksionimin normal të tij edhe pas 300 vjetësh. Shkencëtarët garantojnë se vetëm pas 250 vjetësh të funksionimit të çipit, mund të ndodhë të paktën një gabim. Kjo frymëzon besim në forcën dhe qëndrueshmërinë e anijes kozmike, sepse fluturimi në të njëjtin Mars do të zgjasë rreth 300-XNUMX ditë, dhe kjo është vetëm një trajektore e përshtatshme. Sondat ndonjëherë enden në hapësirë për vite me rradhë.
Si një fakt interesant, vlen të përmendet se në vitin 2017, HPE dhe NASA lëshuan kompjuterin e parë komercial me performancë të lartë në bordin e raketës SpaceX Falcon 9. Një server HPE Apollo 40 me dy fole me procesorë Intel Broadwell dhe një 56 Gbit/ të shpejtë Ndërfaqja s mbërriti në Stacionin Ndërkombëtar të Hapësirës. Nëse do t'u besohet shkencëtarëve, performanca e tij ishte vetëm 1 TFLOPS, por ishte ende shumë për kushtet hapësinore.
Tregon se sa e vështirë është të dizenjosh çipa për përdorim jashtë planetit tonë dhe sa punë duhet bërë për të kapur të paktën procesorët e zakonshëm të kompjuterëve në shtëpi.
Por shkencëtarët po bëjnë përpjekje të mëdha për të zhvilluar mikroçipet më të fuqishme që jo vetëm që do të mbështesin funksionimin e anijes kozmike, por gjithashtu do të mbrohen me siguri nga rrezatimi dhe rrezatimi hapësinor. Ndoshta kompjuterët kuantikë do ta ndryshojnë situatën, por kjo është një histori tjetër.
Lexoni gjithashtu:
Optoelektronikë/kompjuterë kuantikë?
20 MHz është 20000000 operacione në sekondë. 20000 është 20 KHz.
"Ky procesor me katër bërthama me frekuencë 250 MHz, i pajisur me një çip gigabit dhe 2 MB cache LXNUMX."
Çfarë lloj çipi?
Kjo është pavëmendja ime. Faleminderit për vërejtjen. Bëhej fjalë për një përshtatës rrjeti gigabit. E rregulloi.
"Shumë prej jush ndoshta do të befasohen nga sa pak nevojitet për të kontrolluar, për shembull, një stacion hapësinor" - Është mjaft e habitshme se sa burime konsumojnë kompjuterët modernë për disa nga detyrat më të thjeshta. Për shembull, për të hapur një faqe në internet, ju nevojitet një procesor më i fuqishëm dhe më shumë memorie sesa të kontrolloni një stacion hapësinor.