Təəccüblüdür, lakin müasir kosmik gəmilər 20-ci əsrdə hazırlanmış köhnəlmiş prosessorlarla təchiz edilmişdir. Bu yazıda bu vəziyyətin səbəbinin nə olduğunu sizə xəbər verəcəyik.
Kosmik gəmilər hər cür elektronika ilə təchiz edilmiş texnologiyanın əsl möcüzələridir. Təbii ki, bura prosessorlar da daxildir, onların sayəsində avadanlıq çox mürəkkəb hesablamalar apara bilir. Bununla belə, NASA və digər kosmik agentliklərin inkişafında istifadə edilən çiplər çox vaxt istehsaldan çıxmış köhnəlmiş cihazlara bənzəyir.
Prosessor dedikdə, yəqin ki, dərhal ağlımıza masaüstü kompüterlərimizin blokları gəlir. Bir çox çip texnologiya sənayesinə təsir etdi. Hazırda nəhəng hesablama gücünə malik güclü superkompüterlər artıq hazırlanmışdır. Oxşar avadanlıqdan kosmik tədqiqatlar kimi mürəkkəb texnoloji sahədə istifadə etmək məntiqli olardı. Aya eniş və ya planetimizdən milyonlarla kilometr məsafədə kosmik zondun buraxılması və manevr edilməsi, şübhəsiz ki, çoxlu hesablama gücü tələb edir. Məlum oldu ki, bu, elə də belə deyil və yəqin ki, bir çoxunuz, məsələn, kosmik stansiyanı idarə etmək üçün nə qədər az şeyə ehtiyac olduğuna təəccüblənəcəksiniz. Yeri gəlmişkən, bu yaxınlarda Qırmızı Planetə uğurla enən yeni Perseverance roveri 750 ildən çox əvvəl çıxan iMac G750 kompüterlərinin ürəyi olan PowerPC 3-nin xüsusi versiyası olan RAD20 prosessoruna əsaslanır. . Və hazırda Marsda da fəaliyyət göstərən “Ingenuity” helikopteri “Snapdragon 801” prosessoru ilə təchiz edilib.Ən mürəkkəb hesablama əməliyyatlarını yerinə yetirən bu kosmik gəmilər belə “adi” və hətta köhnəlmiş mikroprosessorlar üzərində işləyirlər. Lakin bu vəziyyətin hətta gələcəkdə də dəyişməsi ehtimalı yoxdur. NASA və digər kosmik agentliklərin alimlərinin niyə belə zəif SoC-lərdən istifadə etməyə məcbur olduqlarını öyrənək.
Həmçinin oxuyun: Terraforming Mars: Qırmızı Planet yeni Yerə çevrilə bilərmi?
Kosmik prosessorlar təəccüblü dərəcədə yavaşdır
Hər kəsə yaxşı məlum olan bir nümunə ilə başlayaq. Söhbət 16-cu il iyulun 1969-da baş vermiş hadisədən gedir. Bu gün Apollon 11 missiyası çərçivəsində SA-506 daşıyıcı aparatı Apollon kosmik gəmisini Yer atmosferindən çıxarıb. Və 4 gün sonra Amerika astronavtları Buzz Oldrin və Nil Armstronq bəşər tarixində ilk dəfə olaraq Ayın səthinə ayaq basdılar. Missiya 1966-cı ildə hazırlanmış AGC (Apollo Guidance Computer) köməyi ilə uğurla həyata keçirildi. Dizayn kompüter texnologiyası nöqteyi-nəzərindən olduqca maraqlı idi, lakin bu cihazın texniki xüsusiyyətlərinə nəzər saldıqda, missiyanın ümumiyyətlə uğurlu olmasına təəccüblənmək olar. Fikir verin, bortdakı çip cəmi 2,048 MHz takt tezliyi ilə işləyirdi və cəmi 2048 sözdən ibarət operativ yaddaşa malik idi. Bəli, dəqiq sözlər. Yəni, indi sadəcə inanılmaz görünür, lakin o vaxt ən müasir kompüterlərdən biri idi.
Qeyd etmək lazımdır ki, bir ev kompüteri oxşar performans təklif etdi Apple II, bir neçə il sonra sərbəst buraxıldı. Başqa sözlə, o zaman kosmik gəmidə vaxtından qabaq olan texniki avadanlıqlar var idi.
Bununla belə, bu vəziyyət müəyyən bir nöqtəyə qədər davam etdi, tez bir zamanda aydın oldu ki, daha səmərəli cihaz mütləq ən yaxşı həll yolu deyil və bəzən daha təhlükəli ola bilər. Kosmik elektronika tarixində dönüş nöqtəsi kosmik radiasiyanın dəqiq dəyərlərinin və onun texnologiyaya təsirinin müəyyən edilməsi oldu. Bəs radiasiya prosessorun özünə necə təsir edir?
Sadə bir bort kompüteri ilə təchiz edilmiş Gemini kosmik gəmisi kosmosa buraxıldıqda, onu yaratmaq üçün istifadə edilən texnologiyalar, bu gün üçün son dərəcə primitiv idi. Ancaq kosmosda bunun böyük bir üstünlük olduğu ortaya çıxdı.
İndiki vaxtda yeni prosessorlar yaradılarkən daha müasir texnoloji proseslərdən istifadə olunur, indi biz 7nm litoqrafiya üsulu ilə hazırlanmış mikroskopik prosessorları praktik olaraq asanlıqla ala bilirik. Çip nə qədər kiçik olsa, onu açmaq və söndürmək üçün bir o qədər az gərginlik lazımdır. Kosmosda bu, ciddi problemlər yarada bilər. Fakt budur ki, radiasiya hissəciklərinin təsiri altında tranzistorun olacağı vəziyyətin planlaşdırılmamış dəyişdirilməsi ehtimalı var. Bu, öz növbəsində, sonuncunun ən gözlənilməz anda işini dayandırmasına səbəb ola bilər və ya belə bir prosessordan istifadə edərək aparılan hesablamalar qeyri-dəqiq olacaqdır. Kosmosda isə bu yolverilməzdir və faciəvi nəticələrə səbəb ola bilər.
Maraqlı bir nümunə, məsələn, şüşə kabinə adlanan yerə nəzarət edən Intel 386SX prosessorudur (Intel 80386-nın kəsilmiş versiyası). Təxminən 20 MHz saat tezliyində işləyirdi, yəni saniyədə 20 dövrədə tapşırıqları yerinə yetirə bilirdi. Artıq kosmik tikintidə debütü zamanı çip xüsusilə yüksək sürətə malik deyildi, lakin daha da vacibi, aşağı saat tezliyi sayəsində prosessor təhlükəsiz idi.
Radiasiyaya məruz qaldıqda, onun hissəcikləri prosessorun keş yaddaşında saxlanılan məlumatlara zərər verə bilər. Bu, çox qısa bir pəncərədə mümkündür - aşağı vaxt onu əhəmiyyətli dərəcədə azaldır, yəni daha sürətli sxemlər radiasiyaya daha çox məruz qalır. Sadəcə olaraq, radiasiya sonda məlumatların saxlanmasına təsir göstərə və prosessorun özünə zərər verə bilər. Kosmik stansiyanın, buraxılış aparatının və ya zondun iş şəraitində bu yolverilməzdir. Heç kim milyon dollarlıq layihəni riskə atmaz.
Həmçinin oxuyun: Marsın koloniyalaşdırılmasına nə mane ola bilər?
Dağıdıcı radiasiya
Bir vaxtlar radiasiyanın təsiri istehsal prosesinin özündə dəyişikliklərlə kompensasiya olunurdu, məsələn, qallium arsenid kimi materiallardan istifadə olunurdu. Bununla belə, hər bir modifikasiya çox bahalı idi. Bundan əlavə, kosmik gəmilər üçün sistemlər kiçik miqdarda ixtisaslaşmış zavodlarda yaradılır. Yalnız RHBD texnologiyasının istifadəsi radiasiyaya davamlı mikrosxemlərin istehsalında standart CMOS prosesindən istifadə etməyə imkan verdi. Eyni bitin üç eyni nüsxəsini hər zaman saxlamağa imkan verən üçqat artıqlıq kimi üsullardan da istifadə edilmişdir. Onlara ehtiyac olduqda, ən yaxşısı seçilir.
Radiasiyanın kosmik gəmi sistemlərinə dağıdıcı təsiri bir vaxtlar Rusiyanın Phobos-Grunt missiyasının uğursuzluğuna səbəb oldu. Hərbi təyyarələr üçün nəzərdə tutulmuş WS512K32V20G24M çipi kosmik şüaların ağır ionları ilə zədələnib. Həddindən artıq cərəyan kompüteri zədələdi və təhlükəsiz rejimə keçdi. Rabitə problemlərinə görə yenidən işə salmaq mümkün olmayıb ki, bu da zondun atmosferə daxil olmasına və onun yanmasına səbəb olub.
Buna görə, uzun xidmət müddəti olan layihələr üçün həqiqətən davamlı bloklar istifadə olunur. Məsələn, Hubble teleskopu əvvəlcə 8 MHz takt tezliyi olan 224 bitlik Rockwell Autonetics DF-1,25 qurğusu ilə təchiz edilmişdir. Tezliklə məlum oldu ki, bu pis fikirdir və NASA çipi Intel ilə əvəz etmək prosesindən keçməli oldu. 1993-cü ildə teleskop Intel 386-nı dəstəkləmək üçün uyğunlaşdırıldı və 3-cu ildə 1999A xidmət missiyası zamanı DF-224 və Intel 386 cüt çipləri Intel 486 çipi ilə əvəz olundu.
Biz artıq burada kosmik stansiyanın nümunəsini vermişik. Belə görünür ki, belə böyük və mürəkkəb strukturun göyərtəsində çox səmərəli sistem olmalıdır. Lakin bu, belə deyil. Məlumdur ki, Beynəlxalq Kosmik Stansiyada (BKS) əsas kompüter artıq qeyd olunan Intel 386 blokunda işləyir.Əsasən, üç kompüterdən ibarət iki dəst istifadə olunur - biri rus və biri amerikalı. Gəlin, 2015-ci ildə Pluton tərəfindən uçan və Kuiper qurşağını hədəf alan çox yeni olan New Horizons kosmik gəmisinə də nəzər salaq. Saniyədə 15 dövrə sürəti ilə tapşırıqları yerinə yetirməyə qadir olan 40 MHz takt tezliyinə malik radiasiyaya davamlı Mongoose-V çipi bu cihazdakı əksər funksiyalara cavabdeh idi. Onun performansı konsolun işlədiyi prosessorun performansına yaxındır PlayStation.
Hətta çox müasir kosmik gəmilərə baxdıqda, dizaynerlərin çox vaxt bir neçə onilliklər köhnə olan həllərdən istifadə etdiyini görürük. Bu yaxınlarda bütün dünya Curosity roverinin Marsa enişini izləyib. İçəridə cəmi 750 MHz takt tezlikli BAE RAD200 prosessorunun, IBM PowerPC 750 çipinin təkmilləşdirilmiş versiyasının olduğunu az adam təxmin edə bilərdi. Əgər nə vaxtsa kompüteriniz varsa Apple, bu prosessoru iMac seriyasından tanıya bilərsiniz. Bundan əlavə, o, Nintendo Wii konsolunun daha az səmərəli mikroprosessorundan da istifadə etdi. Artan radiasiya şəraitində istismar tələbləri ilə əlaqədar olaraq, onun takt tezliyi üç dəfədən çox azaldılıb.
Artıq qeyd etdik ki, Perseverance rover də 20 ildən çox əvvəl buraxılmış prosessorda işləyir. Yəni heç nə dəyişməyib və milyonlarla dollara başa gələn kosmik gəmilər ötən əsrdə buraxılmış mikroprosessorlardan istifadə edirlər. Necə səslənsə də, həqiqətdir.
Həmçinin oxuyun: Kompüterinizdə boş yer. 5 Ən Yaxşı Astronomiya Proqramı
Crew Dragon, Falcon və Starlink-i idarə edən proqram təminatı və kompüterlər
Məşhur Crew Dragon, Falcon və Starlink nümunələrindən istifadə edərək, proqram təminatı kimi nəyin istifadə olunduğunu daha ətraflı öyrənməyə qərar verdik.
Crew Dragon kosmik gəmisinin adını eşidəndə çoxlarının ağlına verilişlər zamanı gördüyümüz üç sensor ekran və mavi idarəetmə interfeysi gəlir. Kosmik gəmini düymələr, açarlar və joystiklər əvəzinə sensor ekranlardan istifadə etməklə idarə etməyin mümkünlüyü ilə bağlı hələ də çox mübahisələr var. SpaceX bu variantı ona görə seçdilər ki, onların məqsədi gəmini elə dizayn etmək idi ki, heç bir nəzarət tələb etməyəcək və eyni zamanda, ekipajın həmişə mümkün qədər çox məlumat əldə etmək imkanı olsun. Gəmi tamamilə avtonomdur və astronavtların nəzarət etməli olduğu yeganə şey audio sisteminin səsi kimi daxili kabin sistemləri ilə məhdudlaşır. Gəminin uçuşuna və onun ən vacib sistemlərinə astronavtlar tərəfindən nəzarət yalnız fövqəladə hallarda həyata keçirilməlidir və SpaceX astronavtların özlərinin köməyi ilə bu tapşırıqlar üçün ən yaxşı qrafik interfeysi hazırlamağa çalışıb.
Bununla belə, qeyd etmək lazımdır ki, gəminin əsas funksiyalarını displeyin altında yerləşən düymələrdən istifadə etməklə idarə etmək olar. Ekipaj yanğınsöndürmə sistemini işə salmaq, atmosferə yenidən daxil olarkən paraşütləri açmaq, BKS-ə uçuşu dayandırmaq, orbitdən təcili enişə başlamaq, bort kompüterlərini yenidən qurmaq və digər fövqəladə işləri yerinə yetirmək imkanına malikdir. Orta displey altındakı qol astronavtlara evakuasiya sistemini işə salmağa imkan verir. Onların həmçinin displeylərdən istifadə edərək daxil edilmiş əmrləri işə salan və ləğv edən düymələri var. Beləliklə, astronavt displeydə əmri yerinə yetirsə və o, uğursuz olarsa, yenə də displeyin altındakı düyməni basaraq əmri ləğv etmək imkanına malikdir. Ekranların aydınlığı və idarə oluna bilmə qabiliyyəti vibrasiya şəraitində də sınaqdan keçirilib və sınaq qrupları və astronavtlar əlcəklərdə və möhürlənmiş skafandrlarda çoxsaylı sınaqlar həyata keçiriblər.
Yəqin ki, raket və gəmi idarəetmə sistemi üçün ən vacib tələb, əlbəttə ki, etibarlılıqdır. SpaceX raketlərinə gəldikdə isə, bu, ilk növbədə sistemin ehtiyatı hesabına, yəni birlikdə işləyən və bir-birini təkrarlaya və tamamlaya bilən bir neçə eyni komponentin istifadəsi hesabına təmin edilir. Xüsusilə, Falcon 9-da cəmi üç ayrı bort kompüteri var. Bu kompüterlərin hər biri raketin sensor və sistemlərindən məlumatları oxuyur, lazımi hesablamalar aparır, sonrakı hərəkətlər haqqında qərarlar qəbul edir və bu qərarların qəbulu üçün əmrlər yaradır. Hər üç kompüter bir-birinə bağlıdır və alınan nəticələr müqayisə edilir və təhlil edilir.
Kompüterlər ikinüvəli PowerPC prosessorlarına əsaslanır. Yenə də hər iki nüvə eyni hesablamaları yerinə yetirir, onları bir-biri ilə müqayisə edir və uyğunluğu yoxlayır. Beləliklə, aparat ehtiyatı üçqat olduğu halda, proqram-hesablama ehtiyatı altı dəfədir. Eyni zamanda, nasaz bir kompüteri işlək vəziyyətə qaytara bilərsiniz, məsələn, yenidən başlatmaqla. Əsas kompüter uğursuz olarsa, qalan kompüterlərdən biri öz yerini alır.
Kompüterlərdə və ya digər sistemlərdə problemlər yaranarsa, missiyanın taleyi Avtonom Uçuş Təhlükəsizliyi Sisteminin (AFSS) qərarından asılıdır. Bu, bir neçə mikrokontroller dəsti (kiçik kompüterlər) üzərində işləyən, sensorlardan eyni məlumatları, hesablama nəticələrini və bort kompüterlərindən əmrləri qəbul edən və uçuşun təhlükəsiz gedişinə nəzarət edən tamamilə müstəqil bort kompüter sistemidir.
Bütün kompüterlərin həmişə mümkün olan ən etibarlı məlumatlara malik olmasını təmin etmək üçün əksər sensorlar, bu məlumatları oxuyan və sonra bort kompüterlərinə göndərən kompüterlər kimi lazımsızdır. Eyni şəkildə, ayrı-ayrı raket alt sistemlərini (mühərriklər, sükanlar, manevr ucluqları və s.) idarə edən kompüterlər bort kompüterinin əmrləri ilə təkrarlanır. Beləliklə, Falcon 9 ən azı 30 kompüterdən ibarət bütöv bir ağac tərəfindən idarə olunur. Ağacın yuxarı hissəsində tabeli kompüterlər şəbəkəsini idarə edən bort kompüterləri var. Hər birinin bort kompüteri ilə ayrıca öz rabitə kanalı var. Beləliklə, bütün komandalar üç dəfə onun yanına gəlir.
Ancaq gördüyünüz kimi, bütün bort kompüterləri müasir superkompüterlərin mürəkkəb mikrosxemlərinə deyil, sadə mikroçiplərə əsaslanır.
Həmçinin oxuyun: Kainat: Ən qeyri-adi kosmik obyektlər
Kosmik çiplərin gələcəyi
Nisbətən köhnə prosessorların istifadəsi o demək deyil ki, yeniləri yaradılmır. Sadəcə olaraq, onların yaradılması prosesi çox çətindir və çox vaxt aparır. Onu da başa düşmək lazımdır ki, kosmosda istifadə olunacaq hər bir struktur MIL-STD-883 sinifinin tələblərinə cavab verməlidir. Bu, ABŞ Müdafiə Nazirliyi tərəfindən hazırlanmış 100-dən çox sınaqdan, o cümlədən istilik, mexaniki, elektrik və digər çip testlərindən keçmək deməkdir. Bu sınaqdan keçmiş prosessorların əksəriyyəti silikon vaflinin yalnız mərkəzi hissəsindən hazırlanır. Bunun səbəbi, kənar qüsurların ən az baş vermə ehtimalının burada olmasıdır.
Gələcək kosmik gəmilər üçün layihələrin siyahısına digərləri ilə yanaşı, NASA tərəfindən hazırlanmış HPSC sistemləri də daxildir. Gözlənildiyi kimi, prosessorlar 2023 və 2024-cü illərin qovşağında hazır olmalıdır. Onların performansı hazırda kosmik gəmilərdə istifadə olunan ən sürətli sistemlərdən 100 dəfə çox olmalıdır. Amerikalıların diqqəti Ay və Marsı fəth etməyə kömək edə biləcək çiplərin hazırlanmasına yönəlib. Ancaq hələlik bunlar yalnız layihələrdir.
Uzun müddətdir açıq mənbəli SPARK arxitekturasına əsaslanan çiplər hazırlayan Avropa Kosmik Agentliyi bir qədər fərqli yanaşma tətbiq edir. Ən son belə məhsul LEON740FT ailəsindən olan GR4 modelidir. Gigabit şəbəkə adapteri və 250 MB L2 yaddaş yaddaşı ilə təchiz edilmiş bu dördnüvəli 1000 MHz prosessor pilotsuz kosmik gəmilər və peyklər üçün uyğun platforma olmalıdır. Alimlərin hesablamalarına görə, prosessorun dizaynı və xüsusiyyətləri onun 300 ildən sonra da normal işləməsinə zəmanət verməlidir. Alimlər zəmanət verirlər ki, çipin yalnız 250 illik işləməsindən sonra ən azı bir səhv baş verə bilər. Bu, kosmik gəmilərin gücünə və davamlılığına inam yaradır, çünki eyni Marsa uçuş təxminən 300-XNUMX gün çəkəcək və bu, yalnız əlverişli trayektoriyadır. Zondlar bəzən illərlə kosmosda dolaşırlar.
Maraqlı bir fakt kimi qeyd etmək yerinə düşərdi ki, 2017-ci ildə HPE və NASA SpaceX Falcon 9 raketinin göyərtəsində ilk yüksək məhsuldar kommersiya kompüterini buraxdılar.İntel Broadwell prosessorları və sürətli 40 Gbit/sabitlikli iki yuvalı HPE Apollo 56 serveri. s interfeysi Beynəlxalq Kosmik Stansiyaya çatdı. Elm adamlarına inanmaq lazımdırsa, onun performansı cəmi 1 TFLOPS idi, lakin kosmik şərait üçün hələ də çox idi.
Bu, planetimizdən kənarda istifadə üçün çiplərin dizaynının nə qədər çətin olduğunu və ən azı əsas ev kompüter prosessorlarını tutmaq üçün nə qədər iş görülməli olduğunu göstərir.
Lakin alimlər kosmik aparatların işini dəstəkləməklə yanaşı, həm də kosmik radiasiya və radiasiyadan etibarlı şəkildə qorunacaq ən güclü mikroçiplərin yaradılması üçün böyük səylər göstərirlər. Bəlkə kvant kompüterləri vəziyyəti dəyişəcək, amma bu başqa hekayədir.
Həmçinin oxuyun:
Optoelektronika/kvant kompüterləri?
20 MHz saniyədə 20000000 əməliyyatdır.20000 20 KHz-dir.
"Bu dördnüvəli prosessor 250 MHz tezliyə malikdir, gigabit çip və 2 MB LXNUMX keş yaddaşı ilə təchiz edilmişdir."
Hansı çip?
Bu mənim diqqətsizliyimdir. Qeyd etdiyiniz üçün təşəkkür edirik. Söhbət gigabit şəbəkə adapterindən gedirdi. Düzəltdim.
"Bir çoxlarınız, məsələn, kosmik stansiyanı idarə etmək üçün nə qədər az ehtiyac duyulduğuna təəccüblənəcəksiniz" - Müasir kompüterlərin bəzi sadə tapşırıqlar üçün nə qədər resurs istehlak etməsi olduqca təəccüblüdür. Məsələn, İnternetdə bir səhifə açmaq üçün kosmik stansiyanı idarə etməkdən daha güclü prosessor və daha çox yaddaş lazımdır.