令人驚訝的是，現代航天器配備了 20 世紀開發的過時處理器。 在本文中，我們將告訴您這種情況的原因是什麼。
宇宙飛船是真正的科技奇蹟，配備了各種電子設備。 當然，這也包括處理器，設備可以執行非常複雜的計算。 然而，用於 NASA 和其他航天機構開發的芯片通常看起來像是早已停產的過時設備。
當我們談論處理器時，我們的台式電腦的塊可能會立即浮現在腦海中。 許多芯片已經影響了科技行業。 目前，已經開發出具有巨大計算能力的強大超級計算機。 在空間研究這樣複雜的技術領域使用類似的設備是合乎邏輯的。 在距地球數百萬公里的地方登陸月球或發射和操縱太空探測器肯定需要大量的計算能力。 事實證明情況並非如此，你們中的許多人可能會驚訝於控制空間站所需的東西是如此之少。 順便說一句，最近成功登陸紅色星球的新毅力號火星車基於 RAD750 處理器，這是 PowerPC 750 的特殊版本——3 多年前問世的 iMac G20 計算機的核心. 而目前同樣在火星上運行的Ingenuity直升機，搭載的是驍龍801處理器，這些航天器，執行最複雜的計算操作，就在這樣“普通”甚至過時的微處理器上工作。 但這種狀況即使在未來也不太可能改變。 讓我們找出為什麼 NASA 和其他太空機構的科學家被迫使用如此弱的 SoC。
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空間處理器速度慢得驚人
我們先來看一個大家都應該很熟悉的例子。我們正在談論 16 年 1969 月 11 日發生的事件。這一天，作為阿波羅 506 號任務的一部分，SA-4 運載火箭將阿波羅太空船帶出了地球大氣層。 1966天后，美國太空人巴茲奧爾德林和尼爾阿姆斯壯在人類歷史上首次踏上月球表面。這次任務在 2,048 年開發的 AGC（阿波羅導引電腦）的幫助下成功完成。從電腦技術的角度來看，該設計非常有趣，但從該設備的技術特性來看，人們只能對任務的成功感到驚訝。試想一下，板上晶片的工作時脈頻率只有 2048 MHz，RAM 也只有 個字。是的，正是這句話。也就是說，現在看來簡直不可思議，但在當時它卻是最現代的電腦之一。
值得注意的是，家用電腦也提供了類似的性能 Apple 二、幾年後發布。 也就是說，當時飛船擁有超前的技術設備。
然而，這種情況一直持續到一定程度，很快就清楚地表明，更高效的設備不一定是最好的解決方案，有時它可能更危險。 空間電子學歷史的轉折點是確定宇宙輻射的準確值及其對技術的影響。 但是輻射如何影響處理器本身呢？
當配備簡單機載計算機的雙子座宇宙飛船發射到太空時，迄今為止，用於製造它的技術還非常原始。 然而，在太空中，它被證明是一個很大的優勢。
如今，在創建新處理器時，使用了更現代的技術工藝，現在我們可以很容易地購買到實際上由 7 納米光刻技術製造的微型處理器。 芯片越小，開啟和關閉它所需的電壓就越少。 在太空中，這可能會導致嚴重的問題。 事實是，在輻射粒子的影響下，晶體管的狀態可能會發生意外切換。 反過來，這可能導致後者在最意想不到的時刻停止工作，或者使用這種處理器執行的計算將不准確。 在太空中，這是不可接受的，並可能導致悲劇性後果。
一個有趣的例子是英特爾 386SX 處理器（英特爾 80386 的精簡版），它控制著所謂的玻璃艙。 它以大約 20 MHz 的時鐘速度運行，這意味著它可以每秒執行 20 個週期的任務。 該芯片在太空建設中首次亮相時，速度並沒有特別高，但更重要的是，由於時鐘頻率較低，處理器是安全的。
當暴露在輻射下時，它的粒子會損壞存儲在處理器高速緩存中的數據。 這在一個非常短的窗口內是可能的 - 低時序會顯著降低它，這意味著更快的電路更容易受到輻射。 簡而言之，輻射最終會影響數據存儲並損壞處理器本身。 這在空間站、運載火箭或探測器的運行條件下是不可接受的。 沒有人會冒一個百萬美元的項目。
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破壞性輻射
有一次，輻射的影響通過生產過程本身的變化得到補償，例如，使用了砷化鎵等材料。 但是，每次修改都非常昂貴。 此外，航天器系統是在專業工廠中小批量生產的。 只有使用 RHBD 技術，才有可能在抗輻射微電路的生產中使用標準 CMOS 工藝。 還使用了諸如三重冗餘之類的技術，該技術允許始終存儲同一位的三個相同副本。 當需要它們時，會選擇最好的。
輻射對航天器系統的破壞性影響曾經導致俄羅斯火衛一任務的失敗。 為軍用飛機設計的WS512K32V20G24M芯片被宇宙射線重離子損壞。 過大的電流損壞了計算機，它進入了安全模式。 由於通訊問題，無法重啟，導致探測器進入大氣層並燃燒。
因此，對於使用壽命長的項目，使用真正耐用的塊。 例如，哈勃望遠鏡最初配備了一個時鐘頻率為 8 MHz 的 224 位 Rockwell Autonetics DF-1,25 單元。 很快就發現這是個壞主意，NASA 不得不經歷用英特爾芯片替換芯片的過程。 1993 年，該望遠鏡被改裝為支持 Intel 386，並在 3 年的服務任務 1999A 期間，將 DF-224 和 Intel 386 芯片替換為 Intel 486 芯片。
我們已經在這裡舉了空間站的例子。如此龐大而複雜的結構似乎應該配備一個非常有效率的系統。然而，這種情況並非如此。據了解，國際太空站（ISS）的主電腦運行在已經提到的Intel 386模組上，基本上使用兩組三台電腦——一台是俄羅斯的，一台是美國的。我們也可以看看更新的「新地平線號」太空船，它於 2015 年飛越冥王星，目標是柯伊伯帶。抗輻射 Mongoose-V 晶片的時脈頻率為 15 MHz，能夠以每秒 40 個週期的速度執行任務，負責該設備中的大部分功能。其性能接近控制台運行的處理器的性能 PlayStation.
當我們看到即使是非常現代的航天器時，我們也會看到設計師使用的解決方案通常已經有幾十年的歷史了。 最近，全世界都在關注好奇號火星車的登陸火星。 很少有人會猜到，裡面是一個時鐘頻率僅為 750 MHz 的 BAE RAD200 處理器，它是 IBM PowerPC 750 芯片的改進版本。如果你曾經擁有過電腦 Apple，你可能知道這款處理器來自 iMac 系列。 此外，它還使用了 Nintendo Wii 控制台中效率較低的微處理器。 結合在輻射增加的條件下工作的要求，其時鐘頻率降低了三倍以上。
我們已經提到，毅力號火星車還運行在 20 多年前發布的處理器上。 換句話說，一切都沒有改變，耗資數百萬美元的航天器正在使用上個世紀發布的微處理器。 不管聽起來如何，但這是真的。
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運行 Crew Dragon、Falcon 和 Starlink 的軟件和計算機
我們決定以著名的 Crew Dragon、Falcon 和 Starlink 為例，更詳細地了解用作軟件的內容。
當我們聽到Crew Dragon飛船的名字時，很多人都會想到我們在廣播中看到的三個觸摸屏和藍色控制界面。 關於使用觸摸屏而不是按鈕、開關和操縱桿來控制航天器的可行性仍然存在很多爭論。 SpaceX公司 之所以選擇這個選項，是因為他們的目標是以一種不需要任何控制的方式設計這艘船，同時讓船員始終可以訪問盡可能多的信息。 這艘船是完全自主的，宇航員唯一需要控制的是內部艙室系統，比如音響系統的音量。 宇航員對飛船及其最重要係統的飛行控制只能在緊急情況下進行，SpaceX 在宇航員自己的幫助下嘗試為這些任務開發最佳圖形界面。
但是，應該注意的是，可以使用位於顯示屏下方的按鈕來控制船舶的關鍵功能。 機組人員能夠啟動滅火系統、在重新進入大氣層時打開降落傘、中斷飛往國際空間站的飛行、開始從軌道緊急下降、重置機載計算機和執行其他緊急任務。 中間顯示屏下方的槓桿允許宇航員啟動疏散系統。 它們還有用於啟動和取消使用顯示器輸入的命令的按鈕。 這樣，如果宇航員在顯示屏上執行命令但失敗，他仍然可以通過按下顯示屏下方的按鈕來取消命令。 顯示器的清晰度和可控性也在振動條件下進行了測試，測試團隊和宇航員在手套和密封宇航服中進行了多次測試。
當然，導彈和艦船控制系統最重要的要求可能是可靠性。 在 SpaceX 火箭的情況下，首先，由於系統冗餘，即由於使用了幾個相同的組件，這些組件可以協同工作並且可以相互複製和互補，從而確保了這一點。 特別是獵鷹 9 號共有三台獨立的機載計算機。 這些計算機中的每一個都從火箭的傳感器和系統中讀取數據，執行必要的計算，做出關於進一步行動的決定，並生成做出這些決定的命令。 三台計算機都是相互連接的，對得到的結果進行了比較和分析。
計算機基於雙核 PowerPC 處理器。 同樣，兩個核心執行相同的計算，將它們相互比較，並檢查一致性。 因此，雖然硬件冗餘是三倍，但軟件計算冗餘是六倍。 同時，您可以通過重啟等方式將故障計算機恢復到工作狀態。 如果主計算機發生故障，其餘計算機中的一台將接管。
如果計算機或其他系統出現問題，任務的命運取決於自主飛行安全系統 (AFSS) 的決定。 這是一個完全獨立的機載計算機系統，工作在一組數個微控制器（小型計算機）上，接收來自傳感器的相同數據、來自機載計算機的計算結果和命令，並控制飛行的安全路線。
為了確保所有計算機始終擁有最可靠的數據，大多數傳感器都是冗餘的，讀取這些數據然後將其發送到車載計算機的計算機也是如此。 同樣，控制單個導彈子系統（發動機、方向舵、機動噴管等）的計算機由機載計算機命令複製。 因此，獵鷹 9 號由至少由 30 台計算機組成的整棵樹控制。 樹的頂部是管理從屬計算機網絡的板載計算機。 每個都有自己的與每台車載計算機單獨的通信通道。 所以所有的球隊都來找他三次。
但正如你所看到的，所有車載計算機都是基於簡單的微芯片，而不是現代超級計算機的複雜微電路。
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空間芯片的未來
使用相對較舊的處理器並不意味著不會創建新的處理器。 只是創建它們的過程非常困難，需要很多時間。 還應該理解，將在太空中使用的每個結構都必須滿足 MIL-STD-883 類的要求。 這意味著通過美國國防部開發的 100 多項測試，包括熱、機械、電氣和其他芯片測試。 通過此測試的大多數處理器僅由矽晶片的中心部分製成。 這是因為在這裡最不可能出現邊緣缺陷。
未來航天器的項目清單包括美國宇航局開發的 HPSC 系列系統。 正如預期的那樣，處理器應該在 2023 年和 2024 年之交準備就緒。 它們的性能應該比目前航天器中使用的最快系統高 100 倍以上。 美國人專注於開發有助於征服月球和火星的芯片。 但到目前為止，這些只是項目。
長期以來一直在開發基於開源 SPARK 架構的芯片的歐洲航天局採取了略有不同的方法。 最新的此類產品是 LEON740FT 系列的 GR4 型號。 這款四核 250 MHz 處理器，配備千兆網絡適配器和 2 MB 二級緩存，應該是適合無人航天器和衛星的平台。 根據科學家的計算，處理器的設計和特性即使在 1000 年後也能保證其正常運行。 科學家們保證，只有在芯片運行 300 年後，才會出現至少一個錯誤。 這激發了人們對航天器強度和耐用性的信心，因為飛往同一個火星大約需要250-300天，而這只是一個方便的軌跡。 探測器有時會在太空中徘徊數年。
有趣的是，值得一提的是，2017 年，HPE 和 NASA 在 SpaceX Falcon 9 火箭上發射了第一台商用高效能電腦。雙路 HPE Apollo 40 伺服器，配備 Intel Broadwell 處理器和快速 56 Gbit/ s介面抵達國際太空站。如果科學家相信的話，它的性能僅為 1 TFLOPS，但對於太空條件來說仍然很多。
它顯示了設計用於地球以外的芯片是多麼困難，以及需要做多少工作才能趕上至少主流的家用 PC 處理器。
但科學家們正在努力開發最強大的微芯片，這些微芯片不僅可以支持航天器的運行，還可以可靠地保護免受太空輻射和輻射的影響。 也許量子計算機會改變這種情況，但那是另一回事了。
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光電/量子計算機？
20 MHz 是每秒 20000000 次操作。20000 是 20 KHz。
“這款四核處理器主頻為 250 MHz，配備千兆位芯片和 2 MB 二級緩存。”
什麼樣的芯片？
這是我的疏忽。 感謝您的關注。 它是關於千兆位網絡適配器的。 修復。
“你們中的許多人可能會驚訝於控制空間站所需的資源如此之少”——相反，令人驚訝的是現代計算機為一些最簡單的任務消耗了多少資源。 例如，要在 Internet 上打開一個頁面，您需要比控制空間站更強大的處理器和更多內存。