Es ist überraschend, aber moderne Raumfahrzeuge sind mit veralteten Prozessoren ausgestattet, die bereits im 20. Jahrhundert entwickelt wurden. In diesem Artikel werden wir Ihnen sagen, was der Grund für diesen Zustand ist.
Raumschiffe sind wahre Wunderwerke der Technik, ausgestattet mit allerlei Elektronik. Dazu gehören natürlich auch Prozessoren, dank denen die Geräte sehr komplexe Berechnungen durchführen können. Die in der Entwicklung der NASA und anderer Raumfahrtbehörden verwendeten Chips können jedoch oft wie veraltete Geräte aussehen, die seit langem nicht mehr hergestellt werden.
Wenn wir über den Prozessor sprechen, fallen uns wahrscheinlich sofort die Blöcke unserer Desktop-Computer ein. Viele Chips haben die Technologiebranche beeinflusst. Derzeit sind bereits leistungsfähige Supercomputer mit enormer Rechenleistung entwickelt worden. Es wäre logisch, ähnliche Geräte in einem so komplexen Technologiefeld wie der Weltraumforschung einzusetzen. Auf dem Mond zu landen oder eine Raumsonde in Millionen Kilometer Entfernung von unserem Planeten zu starten und zu manövrieren, erfordert sicherlich viel Rechenleistung. Es stellt sich heraus, dass dies nicht ganz der Fall ist, und viele von Ihnen werden wahrscheinlich überrascht sein, wie wenig benötigt wird, um beispielsweise eine Raumstation zu steuern. Übrigens basiert der neue Perseverance-Rover, der kürzlich erfolgreich auf dem Roten Planeten gelandet ist, auf dem RAD750-Prozessor, der eine spezielle Version des PowerPC 750 ist – dem Herzstück der iMac G3-Computer, die vor mehr als 20 Jahren herauskamen . Und der Helikopter Ingenuity, der derzeit ebenfalls auf dem Mars operiert, ist ausgestattet mit einem Snapdragon 801. Diese Raumschiffe, die komplexeste Rechenoperationen ausführen, arbeiten auf solchen „gewöhnlichen“ oder sogar veralteten Mikroprozessoren. Aber auch in Zukunft wird sich dieser Zustand wohl nicht ändern. Lassen Sie uns herausfinden, warum Wissenschaftler der NASA und anderer Raumfahrtagenturen gezwungen sind, solch schwache SoCs zu verwenden.
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Weltraumprozessoren sind überraschend langsam
Beginnen wir mit einem Beispiel, das jedem bekannt sein dürfte. Wir sprechen über das Ereignis vom 16. Juli 1969. An diesem Tag brachte die Trägerrakete SA-11 im Rahmen der Apollo-506-Mission die Apollo-Raumsonde aus der Erdatmosphäre. Und vier Tage später betraten die amerikanischen Astronauten Buzz Aldrin und Neil Armstrong zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit die Mondoberfläche. Die Mission wurde mit Hilfe des bereits 4 entwickelten AGC (Apollo Guidance Computer) erfolgreich durchgeführt. Das Design war aus computertechnischer Sicht recht interessant, aber wenn man sich die technischen Eigenschaften dieses Geräts ansieht, kann man nur überrascht sein, dass die Mission überhaupt erfolgreich war. Denken Sie nur daran, der Chip an Bord arbeitete mit einer Taktfrequenz von nur 1966 MHz und hatte einen RAM von nur 2,048 Wörtern. Ja, genau die Worte. Das heißt, es scheint heute einfach unglaublich, aber damals war es einer der modernsten Computer.
Es ist erwähnenswert, dass ein Heimcomputer eine ähnliche Leistung bot Apple II, ein paar Jahre später veröffentlicht. Mit anderen Worten: Das Raumschiff verfügte damals über eine technische Ausstattung, die seiner Zeit voraus war.
Dieser Zustand dauerte jedoch bis zu einem gewissen Punkt, an dem schnell klar wurde, dass ein effizienteres Gerät nicht unbedingt die beste Lösung ist und manchmal auch gefährlicher sein kann. Der Wendepunkt in der Geschichte der Raumfahrtelektronik war die Bestimmung der genauen Werte der kosmischen Strahlung und deren Einfluss auf die Technik. Aber wie wirkt sich Strahlung auf den Prozessor selbst aus?
Als das Gemini-Raumschiff, ausgestattet mit einem einfachen Bordcomputer, ins All geschossen wurde, waren die Technologien, die zu seiner Herstellung verwendet wurden, bis heute äußerst primitiv. Im Weltraum erwies es sich jedoch als großer Vorteil.
Heutzutage werden bei der Entwicklung neuer Prozessoren modernere technologische Prozesse verwendet, jetzt können wir praktisch mikroskopisch kleine Prozessoren kaufen, die durch 7-nm-Lithographie hergestellt werden. Je kleiner der Chip, desto weniger Spannung wird zum Ein- und Ausschalten benötigt. Im Weltraum kann dies zu ernsthaften Problemen führen. Tatsache ist, dass unter dem Einfluss von Strahlungspartikeln die Möglichkeit eines ungeplanten Umschaltens des Zustands besteht, in dem sich der Transistor befinden wird. Dies wiederum kann dazu führen, dass letzterer im unerwartetsten Moment nicht mehr funktioniert oder die mit einem solchen Prozessor durchgeführten Berechnungen ungenau sind. Und im Weltraum ist dies nicht akzeptabel und kann zu tragischen Folgen führen.
Ein interessantes Beispiel ist zum Beispiel der Intel 386SX Prozessor (eine abgespeckte Version des Intel 80386), der die sogenannte Glaskabine steuerte. Es lief mit einer Taktrate von etwa 20 MHz, was bedeutet, dass es Aufgaben mit 20 Zyklen pro Sekunde ausführen konnte. Schon bei seinem Debüt im Weltraumbau hatte der Chip keine besonders hohe Geschwindigkeit, aber vor allem war der Prozessor dank der niedrigen Taktfrequenz sicher.
Wenn sie Strahlung ausgesetzt werden, können ihre Partikel Daten beschädigen, die im Cache-Speicher des Prozessors gespeichert sind. Dies ist in einem sehr kurzen Fenster möglich – ein niedriges Timing reduziert es erheblich, was bedeutet, dass schnellere Schaltungen stärker Strahlung ausgesetzt sind. Einfach ausgedrückt, Strahlung kann schließlich die Datenspeicherung beeinträchtigen und den Prozessor selbst beschädigen. Dies ist unter den Betriebsbedingungen einer Raumstation, einer Trägerrakete oder einer Sonde nicht akzeptabel. Niemand wird ein Millionenprojekt riskieren.
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Zerstörerische Strahlung
Früher wurde der Einfluss der Strahlung durch Änderungen im Produktionsprozess selbst kompensiert, beispielsweise wurden Materialien wie Galliumarsenid verwendet. Jede Modifikation war jedoch sehr teuer. Darüber hinaus werden Systeme für Raumfahrzeuge in spezialisierten Fabriken in kleinen Stückzahlen hergestellt. Erst der Einsatz der RHBD-Technologie ermöglichte den Einsatz des Standard-CMOS-Prozesses bei der Herstellung von strahlungsresistenten Mikroschaltungen. Außerdem wurden Techniken wie die dreifache Redundanz verwendet, die es ermöglicht, jederzeit drei identische Kopien desselben Bits zu speichern. Wenn sie gebraucht werden, wird die beste ausgewählt.
Die zerstörerische Wirkung von Strahlung auf Raumfahrzeugsysteme verursachte einst das Scheitern der russischen Phobos-Grunt-Mission. Der für Militärflugzeuge entwickelte Chip WS512K32V20G24M wurde durch schwere Ionen kosmischer Strahlung beschädigt. Übermäßiger Strom beschädigte den Computer und ging in den abgesicherten Modus. Aufgrund von Kommunikationsproblemen war der Neustart nicht möglich, was zum Eintritt der Sonde in die Atmosphäre und ihrer Verbrennung führte.
Daher werden für Projekte mit langer Lebensdauer wirklich langlebige Blöcke verwendet. Beispielsweise war das Hubble-Teleskop ursprünglich mit einer 8-Bit-Einheit Rockwell Autonetics DF-224 mit einer Taktfrequenz von 1,25 MHz ausgestattet. Es wurde schnell klar, dass dies eine schlechte Idee war, und die NASA musste den Prozess durchlaufen, den Chip durch einen Intel-Chip zu ersetzen. 1993 wurde das Teleskop angepasst, um Intel 386 zu unterstützen, und während der Servicemission 3A im Jahr 1999 wurde das Paar DF-224- und Intel 386-Chips durch einen Intel 486-Chip ersetzt.
Das Beispiel der Raumstation haben wir hier bereits genannt. Es scheint, dass eine so große und komplexe Struktur über ein sehr effizientes System verfügen sollte. Dies ist jedoch nicht der Fall. Es ist bekannt, dass der Hauptcomputer der Internationalen Raumstation (ISS) auf dem bereits erwähnten Intel 386-Block läuft. Grundsätzlich werden zwei Sätze von drei Computern verwendet – ein russischer und ein amerikanischer. Werfen wir auch einen Blick auf die viel neuere Raumsonde New Horizons, die 2015 an Pluto vorbeiflog und den Kuipergürtel ins Visier nahm. Für die meisten Funktionen dieses Geräts war der strahlungsresistente Mongoose-V-Chip mit einer Taktfrequenz von 15 MHz verantwortlich, der Aufgaben mit einer Geschwindigkeit von 40 Zyklen pro Sekunde ausführen kann. Seine Leistung kommt der Leistung des Prozessors nahe, auf dem die Konsole läuft PlayStation.
Wenn wir uns selbst sehr moderne Raumfahrzeuge ansehen, sehen wir, dass Designer Lösungen verwenden, die oft mehrere Jahrzehnte alt sind. Kürzlich verfolgte die ganze Welt die Landung des Rovers Curosity auf dem Mars. Kaum jemand hätte gedacht, dass darin ein BAE RAD750-Prozessor steckt, der mit nur 200 MHz getaktet ist, eine verbesserte Version des IBM PowerPC 750. Falls Sie jemals einen Computer besessen haben Apple, kennen Sie diesen Prozessor vielleicht aus der iMac-Serie. Darüber hinaus verwendete es auch den weniger effizienten Mikroprozessor der Nintendo Wii-Konsole. Im Zusammenhang mit den Anforderungen des Betriebs bei erhöhter Strahlung wurde seine Taktfrequenz um mehr als das Dreifache reduziert.
Wir haben bereits erwähnt, dass der Rover Perseverance auch auf einem Prozessor läuft, der vor mehr als 20 Jahren veröffentlicht wurde. Mit anderen Worten, nichts hat sich geändert, und Raumfahrzeuge, die Millionen von Dollar kosten, verwenden Mikroprozessoren, die im letzten Jahrhundert auf den Markt kamen. Egal wie es klingt, aber es ist wahr.
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Software und Computer, auf denen Crew Dragon, Falcon und Starlink ausgeführt werden
Wir haben uns entschieden, genauer herauszufinden, was als Software verwendet wird, am Beispiel der berühmten Crew Dragon, Falcon und Starlink.
Wenn wir den Namen des Crew Dragon-Raumschiffs hören, denken viele Leute an die drei Touchscreens und die blaue Bedienoberfläche, die wir während der Übertragungen gesehen haben. Es wird immer noch viel darüber diskutiert, ob es möglich ist, das Raumschiff mit Touchscreens anstelle von Knöpfen, Schaltern und Joysticks zu steuern. SpaceX entschieden sich für diese Option, weil ihr Ziel darin bestand, das Schiff so zu konstruieren, dass es keiner Steuerung bedarf und gleichzeitig die Besatzung immer Zugriff auf möglichst viele Informationen hat. Das Schiff ist völlig autonom, und das einzige, was die Astronauten steuern müssen, beschränkt sich auf interne Kabinensysteme, wie zum Beispiel die Lautstärke des Audiosystems. Die Steuerung des Fluges des Schiffes und seiner wichtigsten Systeme durch Astronauten sollte nur in Notfällen erfolgen, und SpaceX versuchte mit Hilfe der Astronauten selbst, die beste grafische Oberfläche für diese Aufgaben zu entwickeln.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die wichtigsten Funktionen des Schiffes mit den Tasten gesteuert werden können, die sich unterhalb des Displays befinden. Die Besatzung hat die Möglichkeit, das Feuerlöschsystem zu starten, die Fallschirme beim Wiedereintritt in die Atmosphäre zu öffnen, den Flug zur ISS zu unterbrechen, einen Notabstieg aus dem Orbit einzuleiten, die Bordcomputer zurückzusetzen und andere Notfallaufgaben durchzuführen. Ein Hebel unter dem mittleren Display ermöglicht es den Astronauten, das Evakuierungssystem zu starten. Sie haben auch Tasten, die über die Displays eingegebene Befehle starten und abbrechen. Auf diese Weise hat der Astronaut, wenn er einen Befehl auf dem Display ausführt und dieser fehlschlägt, immer noch die Möglichkeit, den Befehl abzubrechen, indem er eine Taste unter dem Display drückt. Die Klarheit und Steuerbarkeit der Displays wurden auch unter Vibrationsbedingungen getestet, und die Testteams und Astronauten führten zahlreiche Tests in Handschuhen und versiegelten Raumanzügen durch.
Die wohl wichtigste Anforderung an ein Flugkörper- und Schiffskontrollsystem ist natürlich Zuverlässigkeit. Bei SpaceX-Raketen wird dies zum einen durch Systemredundanz gewährleistet, also durch die Verwendung mehrerer identischer Komponenten, die zusammenarbeiten und sich gegenseitig duplizieren und ergänzen können. Insbesondere der Falcon 9 verfügt über insgesamt drei separate Bordcomputer. Jeder dieser Computer liest Daten von den Sensoren und Systemen der Rakete, führt die notwendigen Berechnungen durch, trifft Entscheidungen über weitere Aktionen und generiert Befehle, um diese Entscheidungen zu treffen. Alle drei Computer sind miteinander verbunden, und die erzielten Ergebnisse werden verglichen und analysiert.
Computer basieren auf Dual-Core-PowerPC-Prozessoren. Auch hier führen beide Kerne die gleichen Berechnungen durch, vergleichen sie miteinander und prüfen sie auf Konsistenz. Während also die Hardware-Redundanz dreifach ist, ist die Software-Rechenredundanz sechsfach. Gleichzeitig können Sie einen fehlerhaften Computer beispielsweise durch einen Neustart wieder in einen funktionsfähigen Zustand versetzen. Fällt der Hauptrechner aus, übernimmt einer der verbleibenden Rechner.
Bei Problemen mit Computern oder anderen Systemen hängt das Schicksal der Mission von der Entscheidung des Autonomous Flight Safety System (AFSS) ab. Dies ist ein völlig unabhängiges Bordcomputersystem, das auf einem Satz mehrerer Mikrocontroller (Kleincomputer) arbeitet, dieselben Daten von Sensoren, Berechnungsergebnisse und Befehle von Bordcomputern erhält und den sicheren Flugverlauf steuert.
Damit alle Computer immer über möglichst zuverlässige Daten verfügen, sind die meisten Sensoren redundant ausgelegt, ebenso wie die Computer, die diese Daten auslesen und dann an die Bordcomputer senden. Auf die gleiche Weise werden Computer, die einzelne Raketensubsysteme (Triebwerke, Ruder, Manövrierdüsen usw.) steuern, durch Bordcomputerbefehle dupliziert. So wird Falcon 9 von einem ganzen Baum gesteuert, der aus mindestens 30 Computern besteht. An der Spitze des Baums befinden sich Bordcomputer, die ein Netzwerk von untergeordneten Computern verwalten. Jeder hat seinen eigenen Kommunikationskanal mit jedem Bordcomputer separat. Also kommen alle Teams dreimal zu ihm.
Aber wie Sie sehen können, basieren alle Bordcomputer auf einfachen Mikrochips, nicht auf ausgeklügelten Mikroschaltkreisen moderner Supercomputer.
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Die Zukunft der Weltraumchips
Die Verwendung relativ alter Prozessoren bedeutet nicht, dass keine neuen erstellt werden. Es ist nur so, dass der Prozess ihrer Erstellung sehr schwierig ist und viel Zeit in Anspruch nimmt. Es versteht sich auch, dass jede Struktur, die im Weltraum verwendet wird, die Anforderungen der Klasse MIL-STD-883 erfüllen muss. Dies bedeutet, mehr als 100 vom US-Verteidigungsministerium entwickelte Tests zu bestehen, darunter thermische, mechanische, elektrische und andere Chiptests. Die meisten Prozessoren, die diesen Test bestanden haben, bestehen nur aus dem zentralen Teil des Siliziumwafers. Denn hier treten am wenigsten Kantendefekte auf.
Die Liste der Projekte für zukünftige Raumfahrzeuge umfasst unter anderem die von der NASA entwickelte HPSC-Systemreihe. Wie erwartet sollen die Prozessoren zum Jahreswechsel 2023 und 2024 fertig sein. Ihre Leistung soll mehr als 100-mal höher sein als die der schnellsten Systeme, die derzeit in Raumfahrzeugen eingesetzt werden. Die Amerikaner konzentrieren sich auf die Entwicklung von Chips, die helfen können, Mond und Mars zu erobern. Aber bisher sind das nur Projekte.
Einen etwas anderen Ansatz verfolgt die Europäische Weltraumorganisation, die seit langem Chips auf Basis der Open-Source-SPARK-Architektur entwickelt. Das neueste Produkt dieser Art ist das Modell GR740 aus der LEON4FT-Familie. Dieser Quad-Core-250-MHz-Prozessor, ausgestattet mit einem Gigabit-Netzwerkadapter und 2 MB L1000-Cache, sollte eine geeignete Plattform für unbemannte Raumfahrzeuge und Satelliten sein. Nach Berechnungen von Wissenschaftlern sollten das Design und die Eigenschaften des Prozessors seinen normalen Betrieb auch nach 300 Jahren gewährleisten. Wissenschaftler garantieren, dass erst nach 250 Jahren Betrieb des Chips mindestens ein Fehler auftreten kann. Dies schafft Vertrauen in die Stärke und Haltbarkeit von Raumfahrzeugen, da der Flug zum selben Mars etwa 300 bis XNUMX Tage dauern wird und dies nur eine bequeme Flugbahn ist. Sonden wandern manchmal jahrelang im All umher.
Als interessante Tatsache ist zu erwähnen, dass HPE und die NASA 2017 den ersten kommerziellen Hochleistungscomputer an Bord der SpaceX Falcon 9-Rakete auf den Markt gebracht haben. Ein Dual-Socket-HPE Apollo 40-Server mit Intel Broadwell-Prozessoren und schnellen 56 Gbit/s. s-Schnittstelle ist auf der Internationalen Raumstation angekommen. Glaubt man den Wissenschaftlern, betrug seine Leistung zwar nur 1 TFLOPS, für Weltraumbedingungen war das aber immer noch viel.
Es zeigt, wie schwierig es ist, Chips für den Einsatz außerhalb unseres Planeten zu entwickeln, und wie viel Arbeit getan werden muss, um zumindest zu den Mainstream-Prozessoren für Heim-PCs aufzuschließen.
Wissenschaftler unternehmen jedoch große Anstrengungen, um die leistungsstärksten Mikrochips zu entwickeln, die nicht nur den Betrieb von Raumfahrzeugen unterstützen, sondern auch zuverlässig vor Weltraumstrahlung und Strahlung geschützt sind. Vielleicht ändern Quantencomputer die Situation, aber das ist eine andere Geschichte.
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Optoelektronik/Quantencomputer?
20 MHz sind 20000000 Operationen pro Sekunde, 20000 sind 20 KHz.
"Dieser Quad-Core-Prozessor taktet mit 250 MHz, ausgestattet mit einem Gigabit-Chip und 2 MB LXNUMX-Cache."
Was für ein Chip?
Das ist meine Unaufmerksamkeit. Danke fürs bemerken. Es ging um einen Gigabit-Netzwerkadapter. Behoben.
"Viele von Ihnen werden wahrscheinlich überrascht sein, wie wenig benötigt wird, um beispielsweise eine Raumstation zu steuern" - Es ist ziemlich überraschend, wie viele Ressourcen moderne Computer für einige der einfachsten Aufgaben verbrauchen. Um beispielsweise eine Seite im Internet zu öffnen, braucht man einen stärkeren Prozessor und mehr Speicher als um eine Raumstation zu steuern.