Það kemur á óvart, en nútíma geimför eru búin gamaldags örgjörvum sem voru þróaðir aftur á 20. öld. Í þessari grein munum við segja þér hvað er ástæðan fyrir þessu ástandi mála.
Geimskip eru algjör tækniundur, búin alls kyns rafeindatækni. Auðvitað nær þetta einnig til örgjörva, þökk sé þeim getur búnaðurinn framkvæmt mjög flókna útreikninga. Hins vegar geta flísarnar sem notaðar eru við þróun NASA og annarra geimferðastofnana oft litið út eins og úrelt tæki sem hafa lengi verið úr framleiðslu.
Þegar við tölum um örgjörvann koma sennilega kubbar borðtölvanna okkar strax upp í hugann. Margar flísar hafa haft áhrif á tækniiðnaðinn. Eins og er hafa þegar verið þróaðar öflugar ofurtölvur með gífurlegan tölvuafl. Það væri rökrétt að nota svipaðan búnað á jafn flóknu tæknisviði og geimrannsóknir. Að lenda á tunglinu eða skjóta og stjórna geimkönnun í milljóna kílómetra fjarlægð frá plánetunni okkar krefst vissulega mikils tölvuafls. Það kemur í ljós að það er ekki alveg raunin og margir ykkar verða líklega hissa á því hversu lítið þarf til að stjórna til dæmis geimstöð. Við the vegur, nýi Perseverance flakkarinn, sem nýlega lenti farsællega á Rauða plánetunni, er byggður á RAD750 örgjörvanum, sem er sérstök útgáfa af PowerPC 750 - hjarta iMac G3 tölvunnar sem kom út fyrir meira en 20 árum síðan. . Og Ingenuity þyrlan, sem er einnig starfrækt á Mars um þessar mundir, er búin Snapdragon 801. Þessi geimför, sem framkvæma flóknustu tölvuaðgerðir, vinna á svona „venjulegum“ eða jafnvel gamaldags örgjörvum. En ólíklegt er að þessi staða breytist jafnvel í framtíðinni. Við skulum komast að því hvers vegna vísindamenn hjá NASA og öðrum geimferðastofnunum neyðast til að nota svo veika SoCs.
Lestu líka: Terraforming Mars: Gæti rauða plánetan breyst í nýja jörð?
Space örgjörvar eru furðu hægir
Byrjum á dæmi sem ætti að vera öllum vel þekkt. Við erum að tala um atburðinn sem gerðist 16. júlí 1969. Þennan dag, sem hluti af Apollo 11 leiðangrinum, tók SA-506 skotfarið Apollo geimfarið út úr lofthjúpi jarðar. Og 4 dögum síðar stigu bandarísku geimfararnir Buzz Aldrin og Neil Armstrong fæti á yfirborð tunglsins í fyrsta skipti í mannkynssögunni. Verkefninu tókst með góðum árangri með hjálp AGC (Apollo Guidance Computer), þróað aftur árið 1966. Hönnunin var nokkuð áhugaverð frá sjónarhóli tölvutækninnar, en þegar litið er til tæknilegra eiginleika þessa tækis er ekki hægt að undra annað en að verkefnið hafi gengið vel. Hugsaðu þér bara, kubburinn um borð virkaði með klukkutíðni sem var aðeins 2,048 MHz og hafði aðeins 2048 orð í vinnsluminni. Já, einmitt orðin. Það er, núna virðist það einfaldlega ótrúlegt, en á þeim tíma var það ein af nútímalegum tölvum.
Þess má geta að heimilistölva bauð upp á svipaðan árangur Apple II, gefin út nokkrum árum síðar. Með öðrum orðum, á þeim tíma var geimfarið með tæknibúnað sem var á undan sinni samtíð.
Þetta ástand hélst hins vegar þar til ákveðnum tímapunkti, það kom fljótt í ljós að skilvirkara tæki er ekki endilega besta lausnin og stundum getur það verið hættulegra. Tímamót í sögu rafeindatækni í geimnum voru að ákvarða nákvæm gildi geimgeislunar og áhrif hennar á tækni. En hvernig hefur geislun áhrif á örgjörvann sjálfan?
Þegar Gemini geimfarinu, búið einfaldri tölvu um borð, var skotið út í geiminn var tæknin sem notuð var til að búa það til, eins og er í dag, afar frumstæð. Hins vegar í geimnum reyndist það vera mikill kostur.
Nú á dögum, þegar nýir örgjörvar eru búnir til, eru nútímalegri tæknilegir ferlar notaðir, nú getum við auðveldlega keypt, nánast, smásjá örgjörva framleidda með 7nm steinþrykk. Því minni sem kubburinn er, því minni spenna þarf til að kveikja og slökkva á honum. Í geimnum getur þetta valdið alvarlegum vandamálum. Staðreyndin er sú að undir áhrifum geislunaragna er möguleiki á ófyrirséðri skiptingu á ástandinu sem smári verður í. Þetta getur aftur á móti valdið því að sá síðarnefndi hættir að virka á óvæntustu augnabliki, eða útreikningar sem framkvæmdir eru með slíkum örgjörva verða ónákvæmir. Og í geimnum er þetta óviðunandi og getur leitt til hörmulegra afleiðinga.
Áhugavert dæmi er til dæmis Intel 386SX örgjörvinn (skert útgáfa af Intel 80386), sem stjórnaði svokölluðum glerklefa. Það keyrði á um 20 MHz klukkuhraða, sem þýðir að það gæti framkvæmt verkefni á 20 lotum á sekúndu. Þegar frumraun hans í geimsmíði hafði flísinn ekki sérstaklega mikinn hraða, en það sem meira er, þökk sé lágri klukkutíðni, var örgjörvinn öruggur.
Þegar þær verða fyrir geislun geta agnir þess skemmt gögn sem eru geymd í skyndiminni örgjörvans. Þetta er mögulegt í mjög stuttum glugga - lág tímasetning minnkar það verulega, sem þýðir að hraðari hringrásir verða fyrir geislun. Einfaldlega sagt, geislun getur að lokum haft áhrif á gagnageymslu og skemmt örgjörvann sjálfan. Þetta er óviðunandi við rekstrarskilyrði geimstöðvar, skotfarar eða rannsakanda. Enginn mun hætta á milljón dollara verkefni.
Lestu líka: Hvað getur komið í veg fyrir að við nýlendu Mars?
Eyðileggjandi geislun
Á sínum tíma var áhrif geislunar bætt upp með breytingum á framleiðsluferlinu sjálfu, til dæmis voru notuð efni eins og gallíumarseníð. Hins vegar var hver breyting mjög dýr. Að auki eru kerfi fyrir geimfarartæki búin til í sérhæfðum verksmiðjum í litlu magni. Aðeins notkun RHBD tækni gerði það mögulegt að nota staðlaða CMOS ferlið við framleiðslu á geislunarþolnum örrásum. Einnig voru notuð aðferðir eins og þrefaldur offramboð, sem gerir kleift að geyma þrjú eins eintök af sama bitanum á hverjum tíma. Þegar þeirra er þörf er sá besti valinn.
Eyðileggjandi áhrif geislunar á geimfarakerfi ollu einu sinni bilun í rússneska Phobos-Grunt leiðangrinum. WS512K32V20G24M flísinn, hannaður fyrir herflugvélar, skemmdist af þungum jónum frá geimgeislum. Of mikill straumur skemmdi tölvuna og hún fór í örugga stillingu. Vegna samskiptaörðugleika var endurræsingin ekki möguleg sem leiddi til þess að rannsakandi komst út í andrúmsloftið og brunaði.
Þess vegna, fyrir verkefni með langan endingartíma, eru virkilega varanlegar blokkir notaðar. Til dæmis var Hubble sjónaukinn upphaflega búinn 8 bita Rockwell Autonetics DF-224 einingu með klukkutíðni 1,25 MHz. Fljótlega kom í ljós að þetta var slæm hugmynd og NASA þurfti að fara í gegnum það ferli að skipta út flísinni fyrir Intel. Árið 1993 var sjónaukinn aðlagaður til að styðja við Intel 386 og í þjónustuverkefni 3A árið 1999 var parinu af DF-224 og Intel 386 flísum skipt út fyrir Intel 486 flís.
Við höfum þegar gefið dæmi um geimstöðina hér. Svo stórt og flókið mannvirki virðist vera með mjög skilvirkt kerfi innanborðs. Hins vegar er þetta ekki raunin. Vitað er að aðaltölvan í Alþjóðlegu geimstöðinni (ISS) keyrir á áðurnefndri Intel 386 blokk. Í grundvallaratriðum eru notuð tvö sett af þremur tölvum - ein rússnesk og ein bandarísk. Við skulum líka kíkja á mun nýrra New Horizons geimfarið, sem flaug með Plútó árið 2015 og stefndi á Kuiperbeltið. Geislunarþolinn Mongoose-V flís með klukkutíðni 15 MHz, sem er fær um að framkvæma verkefni á hraðanum 40 lotur á sekúndu, var ábyrgur fyrir flestum aðgerðum þessa tækis. Afköst hans eru nálægt frammistöðu örgjörvans sem stjórnborðið keyrir á PlayStation.
Þegar við skoðum jafnvel mjög nútíma geimfar sjáum við að hönnuðir nota lausnir sem eru oft nokkurra áratuga gamlar. Nýlega horfði allur heimurinn á lendingu Curosity flakkarans á Mars. Fáir hefðu getað giskað á að inni væri BAE RAD750 örgjörvi klukkaður á aðeins 200 MHz, endurbætt útgáfa af IBM PowerPC 750 flögunni. Ef þú hefur einhvern tíma átt tölvu Apple, þú þekkir kannski þennan örgjörva úr iMac seríunni. Þar að auki notaði það einnig minna duglega örgjörvann frá Nintendo Wii leikjatölvunni. Í tengslum við kröfur um notkun við aðstæður með aukinni geislun hefur klukkutíðni þess verið minnkuð um meira en þrisvar.
Við höfum þegar nefnt að Perseverance flakkarinn keyrir einnig á örgjörva sem kom út fyrir meira en 20 árum síðan. Með öðrum orðum, ekkert hefur breyst og geimför sem kosta milljónir dollara nota örgjörva sem komu út á síðustu öld. Sama hvernig það hljómar, en það er satt.
Lestu líka: Pláss á tölvunni þinni. 5 bestu stjörnufræðiforritin
Hugbúnaður og tölvur sem keyra Crew Dragon, Falcon og Starlink
Við ákváðum að kanna nánar hvað er notað sem hugbúnaður, með því að nota dæmi um hinn fræga Crew Dragon, Falcon og Starlink.
Þegar við heyrum nafnið á Crew Dragon geimfarinu hugsa margir um snertiskjáina þrjá og bláa stjórnviðmót sem við sáum í útsendingunum. Það er enn mikil umræða um hagkvæmni þess að stjórna geimfarinu með því að nota snertiskjái í stað hnappa, rofa og stýripinna. SpaceX völdu þennan kost vegna þess að markmið þeirra var að hanna skipið þannig að það þyrfti enga stjórn og jafnframt að áhöfnin hefði alltaf aðgang að sem mestum upplýsingum. Skipið er algjörlega sjálfstætt og það eina sem geimfararnir þurfa að stjórna er takmarkað við innri klefakerfi eins og hljóðstyrk hljóðkerfisins. Stjórn geimfara á flugi skipsins og mikilvægustu kerfum þess ætti aðeins að fara fram í neyðartilvikum og SpaceX reyndi með aðstoð geimfaranna sjálfra að þróa besta grafíska viðmótið fyrir þessi verkefni.
Hins vegar skal tekið fram að hægt er að stjórna lykilaðgerðum skipsins með því að nota takkana sem staðsettir eru fyrir neðan skjáinn. Áhöfnin hefur getu til að ræsa slökkvikerfið, opna fallhlífarnar þegar farið er aftur út í andrúmsloftið, trufla flugið til ISS, hefja neyðarlækkun af sporbraut, endurstilla tölvur um borð og framkvæma önnur neyðarverkefni. Stöng undir miðjuskjánum gerir geimfarunum kleift að hefja rýmingarkerfið. Þeir hafa einnig hnappa sem ræsa og hætta við skipanir sem færðar eru inn með skjánum. Þannig, ef geimfarinn framkvæmir skipun á skjánum og hún mistekst, hefur hann samt möguleika á að hætta við skipunina með því að ýta á hnapp fyrir neðan skjáinn. Skýrleiki og stýranleiki skjáanna var einnig prófaður við titringsaðstæður og prófunarteymi og geimfarar gerðu fjölmargar prófanir í hönskum og lokuðum geimbúningum.
Líklega er mikilvægasta krafan fyrir eldflauga- og skipstjórnarkerfi auðvitað áreiðanleiki. Þegar um SpaceX eldflaugar er að ræða er þetta fyrst og fremst tryggt vegna offramboðs í kerfinu, það er vegna notkunar á nokkrum eins íhlutum sem vinna saman og geta afritað og bætt hver annan upp. Sérstaklega er Falcon 9 með alls þrjár aðskildar tölvur um borð. Hver þessara tölva les gögn úr skynjurum og kerfum eldflaugarinnar, framkvæmir nauðsynlega útreikninga, tekur ákvarðanir um frekari aðgerðir og býr til skipanir til að taka þær ákvarðanir. Allar þrjár tölvurnar eru samtengdar og niðurstöðurnar sem fást eru bornar saman og greindar.
Tölvur eru byggðar á tvíkjarna PowerPC örgjörvum. Aftur, báðir kjarna framkvæma sömu útreikninga, bera þá saman og athuga hvort samræmi sé. Þannig að á meðan offramboð á vélbúnaði er þríþætt, þá er offramboð hugbúnaðar-útreikninga sexföld. Á sama tíma geturðu skilað bilaðri tölvu í virkt ástand, til dæmis með því að endurræsa. Ef aðaltölvan bilar tekur ein af þeim tölvum sem eftir eru við.
Komi upp vandamál með tölvur eða önnur kerfi, þá veltur hlutskipti verkefnisins á ákvörðun sjálfstjórnarflugöryggiskerfisins (AFSS). Þetta er algjörlega sjálfstætt tölvukerfi um borð sem vinnur á nokkrum örstýringum (smátölvum), tekur við sömu gögnum frá skynjurum, útreikningsniðurstöður og skipanir frá innitölvum og stjórnar öruggri flugferð.
Til að tryggja að allar tölvur séu alltaf með áreiðanlegustu gögnin sem völ er á eru flestir skynjarar óþarfir, sem og þær tölvur sem lesa þessi gögn og senda þau svo í aksturstölvurnar. Á sama hátt eru tölvur sem stjórna einstökum eldflaugaundirkerfum (vélar, stýri, stýristútar o.s.frv.) afritaðar með skipunum um borð í tölvum. Þannig er Falcon 9 stjórnað af heilu tré sem samanstendur af að minnsta kosti 30 tölvum. Efst í trénu eru tölvur um borð sem halda utan um net víkjandi tölva. Hver hefur sína samskiptarás með hverri aksturstölvu fyrir sig. Þannig að öll liðin koma þrisvar sinnum til hans.
En eins og þú sérð eru allar tölvur um borð byggðar á einföldum örflögum, ekki háþróuðum örrásum nútíma ofurtölva.
Lestu líka: Alheimur: Óvenjulegustu geimhlutirnir
Framtíð geimflaga
Notkun tiltölulega gamalla örgjörva þýðir ekki að nýir séu ekki búnir til. Það er bara að ferlið við að búa til þá er mjög erfitt og tekur mikinn tíma. Það ætti líka að skilja að hvert mannvirki sem verður notað í geimnum verður að uppfylla kröfur MIL-STD-883 flokksins. Þetta þýðir að standast meira en 100 próf þróuð af bandaríska varnarmálaráðuneytinu, þar á meðal hitauppstreymi, vélrænni, rafmagns- og önnur flíspróf. Flestir örgjörvarnir sem stóðust þetta próf eru aðeins gerðir úr miðhluta kísilskífunnar. Þetta er vegna þess að það er hér sem minnst líkur eru á að brúngallar eigi sér stað.
Listinn yfir verkefni fyrir framtíðar geimfar inniheldur meðal annars HPSC röð kerfa þróað af NASA. Eins og búist var við ættu örgjörvarnir að vera tilbúnir um áramótin 2023 og 2024. Afköst þeirra ættu að vera meira en 100 sinnum meiri en hraðskreiðasta kerfanna sem notuð eru í geimförum. Bandaríkjamenn einbeita sér að þróun flísa sem geta hjálpað til við að sigra tunglið og Mars. En enn sem komið er eru þetta aðeins verkefni.
Evrópska geimferðastofnunin, sem hefur þróað flís sem byggir á opnum SPARK arkitektúrnum í langan tíma, tekur aðeins aðra nálgun. Nýjasta slíka varan er GR740 módelið úr LEON4FT fjölskyldunni. Þessi fjögurra kjarna 250 MHz örgjörvi, búinn gígabita netmillistykki og 2 MB af L1000 skyndiminni, ætti að vera hentugur vettvangur fyrir mannlaus geimfar og gervihnött. Samkvæmt útreikningum vísindamanna ættu hönnun og eiginleikar örgjörvans að tryggja eðlilega virkni hans jafnvel eftir 300 ár. Vísindamenn ábyrgjast að aðeins eftir 250 ára notkun flíssins getur að minnsta kosti ein villa átt sér stað. Þetta vekur traust á styrk og endingu geimfara, því flugið til sama Mars mun taka um 300-XNUMX daga og þetta er aðeins þægileg braut. Kannar reika stundum um geiminn í mörg ár.
Sem áhugaverð staðreynd er rétt að nefna að árið 2017 sendu HPE og NASA fyrstu afkastamiklu tölvuna í atvinnuskyni um borð í SpaceX Falcon 9 eldflauginni. s tengi kom til Alþjóðlegu geimstöðvarinnar. Ef marka má vísindamenn var frammistaða hans aðeins 40 TFLOPS, en það var samt mikið miðað við aðstæður í geimnum.
Það sýnir hversu erfitt það er að hanna flís til notkunar utan plánetunnar okkar og hversu mikla vinnu þarf að vinna til að ná að minnsta kosti almennum tölvuörgjörvum heima.
En vísindamenn leggja mikið á sig til að þróa öflugustu örflögurnar sem munu ekki aðeins styðja við rekstur geimfara, heldur einnig vera áreiðanlega varin gegn geislun og geislun úr geimnum. Kannski munu skammtatölvur breyta ástandinu, en það er önnur saga.
Lestu líka:
Ljóstækni/skammtatölvur?
20 MHz er 20000000 aðgerðir á sekúndu. 20000 er 20 KHz.
"Þessi fjögurra kjarna örgjörvi klukkaði á 250 MHz, búinn gígabita flís og 2 MB af LXNUMX skyndiminni."
Hvers konar flís?
Þetta er athyglisbrestur hjá mér. Takk fyrir að taka eftir. Þetta var um gígabit net millistykki. Lagaði það.
„mörg ykkar verða líklega hissa á því hversu lítið þarf til að stjórna t.d. geimstöð“ - Það kemur frekar á óvart hversu mikið fjármagn nútíma tölvur neyta fyrir sum einföldustu verkefnin. Til að opna td síðu á netinu þarf öflugri örgjörva og meira minni en til að stjórna geimstöð.