Почему компьютеры космических кораблей устаревают при запуске?

Существует ряд причин, по которым электроника космических кораблей обычно отстает от коммерчески доступной на несколько лет.

Радиационная устойчивость

Электроника очень восприимчива к радиационному явлению, от которого земная электроника в значительной степени защищена атмосферой и магнитным полем Земли. Распространенными механизмами отказов, основанными на излучении, являются однособытийные события/расстройки (SEE/SEU) — чаще всего рассматриваемые как перевернутые биты, защелки — когда бит застревает в определенном состоянии, и часть должна быть отключена, чтобы сброс, выгорание — когда частица высокой энергии (например, протон или нейтрон) разрушает деталь, и полная доза — когда длительное воздействие (а не случайное событие) разрушает деталь. По мере того, как микросхемы и схемы совершенствуются и плотнее упаковывают транзисторы, вероятность этих событий возрастает.

Существует несколько методов и методов тестирования, чтобы продемонстрировать надежность электронных сборок в условиях космического излучения, но эти тесты дороги. Таким образом, после того, как они были выполнены для детали, компонента или сборки, сделка часто заключается в том, чтобы жить с меньшей производительностью и экономить затраты на повторное тестирование и избегать риска полного провала миссии.

Надежность

Наземный компьютер легче обслуживать, и стоимость отказа часто намного ниже, чем для космического корабля. Наземные системы также не имеют таких жестких бюджетов по мощности, размеру и массе, как космические системы, что ограничивает возможную степень резервирования. Решение состоит в том, чтобы продолжать использовать детали, которые доказали свою высокую надежность. Еще одним способом повышения надежности является проверка деталей и множество испытаний электроники (например, отжиг для выявления младенческой смертности, испытания на случайную вибрацию для имитации среды запуска, ударные испытания для имитации пиротехнических событий, таких как сброс обтекателя, и термовакуумные испытания для имитировать пространство.Это тестирование требует времени и дорого.Одна только временная задержка ставит большинство космических систем, по крайней мере, на один цикл закона Мура позади последних потребительских частей.

Время сборки спутников

Не говоря уже об авионике, спутники строятся долго. Даже когда компьютеры готовы, остальная часть автомобиля должна быть собрана и протестирована. Для больших космических аппаратов это может занять годы. Между тем, компьютер не становится моложе, и неприятие (часто оправданное) риска означает, что его модернизация потребует повторного выполнения многих из этих тестов.

Потребляемая мощность

Со временем закон Мура помогает чипам увеличивать вычислительную мощность и снижать энергопотребление, но, вообще говоря, при сравнении одновременных частей более мощные чипы потребляют больше энергии. Космическим кораблям почти повсеместно не хватает энергии, поэтому нет особого стимула использовать более энергоемкий чип, чем это абсолютно необходимо. Все в космическом корабле — это компромисс: ватт мощности, используемый для основного бортового компьютера, выполняющего неиспользованные циклы, — это ватт, который нельзя использовать для радиочастотной связи или обеспечения питания полезной нагрузки (когда эта полезная нагрузка не используется). коммуникации) и др.

Оформление документации

Бумажная работа и процесс могут быть такими же доминирующими, как и любая другая причина. Аэрокосмическая промышленность как исторически высокий барьер для входа. Когда-то причина заключалась в человеческом капитале, необходимом для создания и запуска космических кораблей, но столь же важным является космическое наследие программного обеспечения и компонентов, которые входят в их состав. Космические условия более сложны, чем наземные, во многих отношениях и часто требуют уникальных решений (для авионики хорошим примером является отвод тепла без конвективного охлаждения). Среды запуска обсуждались выше. Квалификация компонентов — это реальная задача, ориентированная на аппаратное обеспечение, но есть бумажный след, подтверждающий этот анализ и вселяющий уверенность в клиентов производителя космического корабля и поставщика запуска в том, что корабль будет в безопасности во время подъема и что он будет работать в пространство. Это подтверждается сочетанием испытаний, анализа и демонстрации, но большинство людей, которым не все равно, не являются свидетелями и не наблюдают за этими действиями напрямую, поэтому они полагаются на отличные документы, чтобы обеспечить такую ​​уверенность. После того, как вы преодолели трудности с получением бай-ина на виджет X, усилия, связанные с получением Δ бай-ина для виджета Y или даже X+, труднее оправдать, если старая часть все еще работает. Поставщики аэрокосмической отрасли (основные подрядчики и все звенья цепочки поставок) часто также должны иметь строгие процессы контроля качества, т. е. больше документов и процессов. Все это замедляет темпы инноваций и изменений в обмен на предсказуемость. поэтому они полагаются на отличные документы, чтобы обеспечить эту уверенность. После того, как вы преодолели трудности с получением бай-ина на виджет X, усилия, связанные с получением Δ бай-ина для виджета Y или даже X+, труднее оправдать, если старая часть все еще работает. Поставщики аэрокосмической отрасли (основные подрядчики и все звенья цепочки поставок) часто также должны иметь строгие процессы контроля качества, т. е. больше документов и процессов. Все это замедляет темпы инноваций и изменений в обмен на предсказуемость. поэтому они полагаются на отличные документы, чтобы обеспечить эту уверенность. После того, как вы преодолели трудности с получением бай-ина на виджет X, усилия, связанные с получением Δ бай-ина для виджета Y или даже X+, труднее оправдать, если старая часть все еще работает. Поставщики аэрокосмической отрасли (основные подрядчики и все звенья цепочки поставок) часто также должны иметь строгие процессы контроля качества, т. е. больше документов и процессов. Все это замедляет темпы инноваций и изменений в обмен на предсказуемость. Поставщики аэрокосмической отрасли (основные подрядчики и все звенья цепочки поставок) часто также должны иметь строгие процессы контроля качества, т. е. больше документов и процессов. Все это замедляет темпы инноваций и изменений в обмен на предсказуемость. Поставщики аэрокосмической отрасли (основные подрядчики и все звенья цепочки поставок) часто также должны иметь строгие процессы контроля качества, т. е. больше документов и процессов. Все это замедляет темпы инноваций и изменений в обмен на предсказуемость.

Задержки запуска

Затем, когда космический корабль готов, его необходимо запустить, а запуски могут растянуться на месяцы, если не на годы.

Большая часть этого — надежность. НАСА , вероятно, могло бы установить чип Intel Xeon, выпущенный в 2012 году, с невероятно высокой вычислительной мощностью.

Тем не менее, чип, который был использован , RAD750, имеет годы экспериментов и использования, например, он использовался в различных космических кораблях, включая:

• Космический корабль Deep Impact, запущенный в погоню за кометой в январе 2005 года, впервые использовал компьютер RAD750.
• XSS 11 , небольшой экспериментальный спутник, запущен 11 апреля 2005 г.
• Mars Reconnaissance Orbiter, запущенный 12 августа 2005 года.
• Спутник WorldView-1, запущенный 18 сентября 2007 г., имеет два RAD750.
• Космический гамма-телескоп Ферми, ранее известный как GLAST, запущен 11 июня 2008 г.
• Космический телескоп Kepler, запущенный в марте 2009 года.
• Лунный разведывательный орбитальный аппарат, запущенный 18 июня 2009 г.
• 14 декабря 2009 г. запущен широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь (WISE).
• Обсерватория солнечной динамики, запущена 11 февраля 2010 г.
• Космический корабль Юнона, запущенный 5 августа 2011 г.
• Марсоход Curiosity, запущенный 26 ноября 2011 г.

Благодаря использованию с 2005 года НАСА может быть вполне уверено, что чип не выйдет из строя из-за проблем с излучением и т. д.

Почему? Что ж, я бы сказал, что ответ Джона Бесина довольно хорошо подвел итог, и я не буду пытаться превзойти его:

Я бы вообще не думал, что это так. Во всяком случае, НАСА хотело бы использовать оборудование (и программное обеспечение), которое было тщательно протестировано в течение многих лет использования как в НАСА, так и в отрасли в целом. Последнее, чего хочет НАСА, — это найти ошибку в системе космического корабля в неподходящий момент , а когда вы говорите об устройствах, которые потенциально должны путешествовать на сотни тысяч миль в космосе, есть много неподходящих моментов .

Можно подумать, что космический корабль будет на переднем крае технологий.

Я бы вообще не думал, что это так. Во всяком случае, НАСА хотело бы использовать оборудование (и программное обеспечение), которое было тщательно протестировано в течение многих лет использования как в НАСА, так и в отрасли в целом. Последнее, чего хочет НАСА, — это найти ошибку в системе космического корабля в неподходящий момент, а когда вы говорите об устройствах, которые потенциально должны преодолевать сотни тысяч миль в космосе, бывает много неподходящих моментов.

Вы также можете найти этот вопрос на Programmers.SE интересным; в нем рассматриваются языки программирования, оборудование и т. Д., Используемые для создания марсохода Curiosity.

Кроме того, я предполагаю, что аппаратное обеспечение с более низкими характеристиками, которое использует НАСА, требует меньше энергии, чем передовое, мощное оборудование. Например, если для работы марсохода не нужен более быстрый процессор, зачем тратить место и вес на такой процессор, когда достаточно и менее мощного?

Другая важная причина заключается в том, что просто нет необходимости делать что-то более мощное. На Земле существует множество приложений, где надежность важнее скорости. Например, торговый автомат содержит простой компьютер. Вы не хотите, чтобы это рухнуло и забрало ваши деньги.

Подавляющее большинство обработки, используемой сегодня компьютерами, выполняется в графическом интерфейсе. Поскольку нет спутника с графическим интерфейсом, это не имеет большого значения.

Смысл компьютера спутника состоит в том, чтобы поддерживать спутник в рабочем состоянии, направлять его в правильном направлении, управлять питанием и собирать данные для использования на земле. Таким образом, им не нужны гигагерцовые процессоры, они просто должны быть каналом данных. Им нужно сделать это с высокой степенью точности. Вы не можете пойти и нажать кнопку питания на космическом корабле, вам нужно, чтобы его системы всегда работали безупречно.

Компьютеры регулярно используются на МКС астронавтами, но это делается для некритических систем. Скорость имеет значение только тогда, когда компьютер должен выполнять значительную обработку данных, и, за исключением некоторого сжатия, большая часть этого все еще выполняется на Земле. Кроме того, большинство загруженных изображениями систем имеют специальные встроенные микросхемы, которые помогают быстрее обрабатывать изображения, позволяя выполнять меньшую работу на основном процессоре.

Есть аниме под названием « Девушки-ракеты », в котором главный герой задавался этим же вопросом. Она получила ответ, что они используют только классическую технологию; технология, которая со временем заработала успешную репутацию. Это относится и к медицине, и к авиации общего назначения. На самом деле, это справедливо для большинства областей инженерии, в первую очередь для разработки программного обеспечения, в которой постоянно используются «последние» разработки.

Кроме того, КМОП более чувствительна к радиации, чем ТТЛ , поэтому, когда вы выполняете радиационную стойкость , может быть лучше иметь медленную микросхему на основе ТТЛ с частотой 100 МГц, чем быструю микросхему на основе КМОП с частотой 3,4 ГГц.

Несколько вещей, которые я мог бы добавить к хорошим ответам, уже здесь:

• Срок отбора. Решение о том, какое оборудование использовать для транспортного средства, принимается задолго до (за годы?) запуска транспортного средства. Таким образом, при запуске он, вероятно, устарел.
• Радиационное закаливание. Часто эти сравнения сосредоточены на одной или двух характеристиках, которые интересны для наземного использования: например, тактовая частота процессора и оперативная память. Хотя это важно, отказоустойчивость в излучаемой среде более важна при полете мимо Юпитера, чем при игре в Doom. Этот допуск создает компромисс, который не помогает другим спецификациям.

• Время выбора : космические корабли проектируются и строятся за годы до запуска. Выбранный процессор во время сборки, даже если он самый лучший, будет затмлен временем запуска.
• Устойчивость к вибрации : для запуска космического корабля требуются компьютерные системы, устойчивые к вибрации; многие новые процессоры еще не оценены во время разработки.
• Радиационная стойкость : меньшие схемы более подвержены ошибкам, вызванным излучением, чем большие схемы. в большинстве более совершенных процессоров используются схемы меньшего размера для снижения затрат на электроэнергию, тепловых нагрузок и времени рабочего цикла.
• Цена : старые процессоры можно купить гораздо дешевле, чем современные передовые процессоры; цены заметно падают после истечения срока действия патентов.
• отсутствие потребности : не все спутники нуждаются в высоконадежных решениях для обработки данных.
  Вся миссия «Аполлон» выполнялась с вычислительной мощностью, эквивалентной паре высокопроизводительных рабочих станций Linux... включая мейнфреймы в АО и на мысе Кенеди. Бортовой компьютер «Аполлона» был примерно таким же мощным, как многие электронные часы. (Общая память 80 КБ; это 37 КБ слов по 2 байта каждое для ПЗУ, плюс 2 КБ слов ОЗУ.) Он работал на частоте 1 МГц, что было довольно быстро для своего времени. Я купил калькуляторы за 20 долларов с лучшими характеристиками, чем у AGC.
  Задачи большинства спутников могут надежно выполняться на старых процессорах без ущерба для миссии.

В авиации происходит то же самое, что и в космической технике. Основными факторами будут надежность, «жесткость» и сроки разработки, но есть и другие соображения.

Любая жизненно важная система должна быть надежной, и когда вы не можете добраться до нее, чтобы починить ее, если она сломается (например, автоматические космические зонды), надежность также становится первостепенной. Чем дольше вещь существует и накапливает опыт, тем больше ей можно доверять. Кроме того, чем сложнее система, тем труднее проверить, работают ли все «рабочие части» должным образом. Новейшие технологии всегда раздвигают границы той или иной формы, бросая вызов границам того, что можно сделать. Это может поставить вещь на грань катастрофы - не самое лучшее место, когда на кону стоит жизнь. Новые вычислительные технологии всегда сложнее (сложнее), чем то, что они заменяют, что затрудняет проверку/валидацию.

Самолеты и ракеты работают в суровых условиях; сами автомобили создают суровые или, возможно, экстремальные условия для некоторых своих компонентов. Трудно построить электронные компоненты и системы, которые могут работать в таких условиях - температура, удары/вибрация, электромагнитные помехи, радиация и т.д. без каких-либо проблем с надежностью.

Для нового самолета или космической системы требуется много времени (годы), чтобы пройти путь от первоначального проекта до «первого запуска», и проектирование подсистем (включая те, в которых используются компьютеры) должно быть заморожено в какой-то момент в процессе. Компьютерные технологии развиваются намного быстрее, поэтому проекты застывают на том, что заслуживает доверия (возможно, уже устаревает), и компьютерные технологии продвигаются дальше, прежде чем самолет или ракета взлетят.

Возможно, было бы неразумно пытаться сделать это каким-либо другим способом. Когда ваша жизнь находится на волоске, гораздо лучше иметь старую, грубую, но надежную систему, чем что-то новое и шикарное, но не до конца проверенное.

Интересно, что это относится не ко всем космическим кораблям. Спутники Flock от Planet Labs на самом деле довольно передовые, как заявил один из разработчиков в подкасте AmpHour . На самом деле, испытания новых конструкций спутников замедлялись из-за времени, которое требовалось для фактического запуска спутников после их изготовления.

Предлагаю послушать подкаст, этот выпуск был довольно интересным.