Thật đáng ngạc nhiên, nhưng các tàu vũ trụ hiện đại được trang bị bộ vi xử lý lỗi thời được phát triển từ thế kỷ 20. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cho bạn biết lý do của tình trạng này là gì.
Tàu vũ trụ là tuyệt tác thực sự của công nghệ, được trang bị tất cả các loại thiết bị điện tử. Tất nhiên, điều này cũng bao gồm bộ xử lý, nhờ đó thiết bị có thể thực hiện các phép tính rất phức tạp. Tuy nhiên, những con chip được sử dụng trong quá trình phát triển của NASA và các cơ quan vũ trụ khác thường có thể trông giống như những thiết bị lỗi thời đã không còn được sản xuất từ lâu.
Khi chúng ta nói về bộ xử lý, các khối của máy tính để bàn của chúng ta có thể ngay lập tức xuất hiện trong tâm trí. Nhiều con chip đã ảnh hưởng đến ngành công nghệ. Hiện nay, các siêu máy tính mạnh mẽ với sức mạnh tính toán khổng lồ đã được phát triển. Sẽ là hợp lý nếu sử dụng thiết bị tương tự trong một lĩnh vực công nghệ phức tạp như nghiên cứu vũ trụ. Hạ cánh lên mặt trăng hay phóng và điều động một tàu thăm dò không gian ở khoảng cách hàng triệu km so với hành tinh của chúng ta chắc chắn cần rất nhiều năng lực tính toán. Hóa ra không hoàn toàn như vậy, và nhiều người trong số các bạn có thể sẽ ngạc nhiên bởi việc điều khiển một trạm vũ trụ là rất ít cần thiết. Nhân tiện, bộ định tuyến Perseverance mới, gần đây đã hạ cánh thành công trên Hành tinh Đỏ, dựa trên bộ vi xử lý RAD750, là phiên bản đặc biệt của PowerPC 750 - trái tim của máy tính iMac G3 ra mắt hơn 20 năm trước. . Và chiếc trực thăng Ingenuity, hiện cũng đang hoạt động trên sao Hỏa, được trang bị bộ vi xử lý Snapdragon 801. Những con tàu vũ trụ này, thực hiện các hoạt động tính toán phức tạp nhất, hoạt động trên những bộ vi xử lý "bình thường" hoặc thậm chí lỗi thời. Nhưng tình trạng này khó có thể thay đổi ngay cả trong tương lai. Hãy cùng tìm hiểu lý do tại sao các nhà khoa học tại NASA và các cơ quan vũ trụ khác buộc phải sử dụng các SoC yếu như vậy.
Đọc thêm: Terraforming Mars: Liệu Hành tinh Đỏ có thể biến thành một Trái đất mới?
Bộ xử lý không gian chậm một cách đáng ngạc nhiên
Hãy bắt đầu với một ví dụ mà mọi người đều biết. Chúng ta đang nói về sự kiện xảy ra vào ngày 16 tháng 1969 năm 11. Vào ngày này, như một phần của sứ mệnh Apollo 506, phương tiện phóng SA-4 đã đưa tàu vũ trụ Apollo ra khỏi bầu khí quyển Trái đất. Và 1966 ngày sau, phi hành gia người Mỹ Buzz Aldrin và Neil Armstrong đặt chân lên bề mặt mặt trăng lần đầu tiên trong lịch sử loài người. Nhiệm vụ đã được thực hiện thành công với sự trợ giúp của AGC (Máy tính hướng dẫn Apollo), được phát triển vào năm 2,048. Thiết kế này khá thú vị từ quan điểm của công nghệ máy tính, nhưng nhìn vào đặc tính kỹ thuật của thiết bị này, người ta chỉ có thể ngạc nhiên rằng nhiệm vụ đã thành công. Nghĩ mà xem, con chip trên bo mạch chỉ hoạt động với tần số xung nhịp chỉ 2048 MHz và có RAM chỉ từ. Vâng, chính xác những lời nói. Đó là, bây giờ nó có vẻ đơn giản đến khó tin, nhưng vào thời điểm đó nó là một trong những máy tính hiện đại nhất.
Điều đáng chú ý là một máy tính gia đình cung cấp hiệu suất tương tự Apple II, phát hành một vài năm sau đó. Nói cách khác, lúc đó tàu vũ trụ có thiết bị kỹ thuật đi trước thời đại.
Tuy nhiên, tình trạng này kéo dài cho đến một thời điểm nhất định, nó nhanh chóng trở nên rõ ràng rằng một thiết bị hiệu quả hơn không nhất thiết là giải pháp tốt nhất, và đôi khi nó có thể nguy hiểm hơn. Bước ngoặt trong lịch sử của ngành điện tử vũ trụ là việc xác định các giá trị chính xác của bức xạ vũ trụ và tác động của nó đối với công nghệ. Nhưng bức xạ ảnh hưởng đến bản thân bộ xử lý như thế nào?
Khi tàu vũ trụ Gemini, được trang bị một máy tính đơn giản trên tàu, được phóng lên vũ trụ, các công nghệ được sử dụng để tạo ra nó, cho đến ngày nay, là vô cùng thô sơ. Tuy nhiên, về không gian, nó lại là một lợi thế lớn.
Ngày nay, khi tạo ra các bộ vi xử lý mới, sử dụng các quy trình công nghệ hiện đại hơn, hiện nay chúng ta có thể dễ dàng mua được, thực tế là các bộ vi xử lý siêu nhỏ được chế tạo bằng phương pháp in thạch bản 7 nm. Chip càng nhỏ thì càng cần ít điện áp để bật và tắt nó. Trong không gian, điều này có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng. Thực tế là dưới ảnh hưởng của các hạt bức xạ, có khả năng chuyển đổi trạng thái không theo kế hoạch của bóng bán dẫn. Do đó, điều này có thể khiến thiết bị sau ngừng hoạt động vào thời điểm không mong muốn nhất hoặc các phép tính được thực hiện bằng bộ xử lý như vậy sẽ không chính xác. Và trong không gian, điều này là không thể chấp nhận được và có thể dẫn đến những hậu quả thương tâm.
Một ví dụ thú vị là, chẳng hạn, bộ xử lý Intel 386SX (một phiên bản rút gọn của Intel 80386), điều khiển cái gọi là cabin kính. Nó chạy ở tốc độ xung nhịp khoảng 20 MHz, có nghĩa là nó có thể thực hiện các tác vụ ở tốc độ 20 chu kỳ mỗi giây. Vào thời điểm ra mắt lần đầu tiên trong lĩnh vực xây dựng không gian, con chip này không có tốc độ đặc biệt cao, nhưng quan trọng hơn, nhờ tần số xung nhịp thấp, bộ vi xử lý vẫn an toàn.
Khi tiếp xúc với bức xạ, các hạt của nó có thể làm hỏng dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ đệm của bộ xử lý. Điều này có thể xảy ra trong một khoảng thời gian rất ngắn - thời gian thấp làm giảm nó đáng kể, có nghĩa là các mạch nhanh hơn tiếp xúc nhiều hơn với bức xạ. Nói một cách đơn giản, bức xạ cuối cùng có thể ảnh hưởng đến việc lưu trữ dữ liệu và làm hỏng chính bộ xử lý. Điều này là không thể chấp nhận được trong các điều kiện hoạt động của một trạm vũ trụ, phương tiện phóng hoặc tàu thăm dò. Sẽ không có ai mạo hiểm với một dự án hàng triệu đô la.
Đọc thêm: Điều gì có thể ngăn cản chúng ta xâm chiếm sao Hỏa?
Bức xạ phá hủy
Tại một thời điểm, tác động của bức xạ được bù đắp bằng những thay đổi trong chính quá trình sản xuất, ví dụ, các vật liệu như gali arsenide đã được sử dụng. Tuy nhiên, mỗi lần sửa đổi đều rất tốn kém. Ngoài ra, các hệ thống cho các phương tiện vũ trụ được tạo ra trong các nhà máy chuyên dụng với số lượng nhỏ. Chỉ sử dụng công nghệ RHBD mới có thể sử dụng quy trình CMOS tiêu chuẩn trong sản xuất vi mạch kháng bức xạ. Các kỹ thuật cũng được sử dụng như dự phòng ba lần, cho phép lưu trữ ba bản sao giống hệt nhau của cùng một bit. Khi chúng cần thiết, cái tốt nhất sẽ được chọn.
Tác động hủy diệt của bức xạ đối với các hệ thống tàu vũ trụ từng khiến sứ mệnh Phobos-Grunt của Nga thất bại. Chip WS512K32V20G24M, được thiết kế cho máy bay quân sự, đã bị hư hại bởi các ion nặng từ tia vũ trụ. Dòng điện quá mức làm hỏng máy tính và nó đã chuyển sang chế độ an toàn. Do sự cố liên lạc, việc khởi động lại không thể thực hiện được, dẫn đến việc tàu thăm dò đi vào bầu khí quyển và đốt cháy nó.
Vì vậy, đối với các công trình có tuổi thọ lâu dài, các khối thực sự bền được sử dụng. Ví dụ, kính thiên văn Hubble ban đầu được trang bị đơn vị Rockwell Autonetics DF-8 224 bit với tần số xung nhịp là 1,25 MHz. Rõ ràng đây là một ý tưởng tồi và NASA đã phải tiến hành quá trình thay thế chip bằng chip Intel. Năm 1993, kính thiên văn đã được điều chỉnh để hỗ trợ Intel 386, và trong sứ mệnh phục vụ 3A vào năm 1999, cặp chip DF-224 và Intel 386 đã được thay thế bằng chip Intel 486.
Chúng tôi đã đưa ra ví dụ về trạm vũ trụ ở đây. Có vẻ như một cấu trúc lớn và phức tạp như vậy cần phải có một hệ thống rất hiệu quả trên tàu. Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp. Được biết, máy tính chính trên Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) chạy trên khối Intel 386. Về cơ bản, hai bộ ba máy tính được sử dụng - một của Nga và một của Mỹ. Chúng ta cũng hãy xem tàu vũ trụ New Horizons mới hơn nhiều, đã bay ngang qua Sao Diêm Vương vào năm 2015 và nhắm mục tiêu vào Vành đai Kuiper. Chip Mongoose-V chống bức xạ có tần số xung nhịp 15 MHz, có khả năng thực hiện các tác vụ ở tốc độ 40 chu kỳ mỗi giây, chịu trách nhiệm cho hầu hết các chức năng trong thiết bị này. Hiệu suất của nó gần bằng hiệu suất của bộ xử lý mà bảng điều khiển chạy trên đó PlayStation.
Khi nhìn vào những con tàu vũ trụ rất hiện đại, chúng ta thấy rằng các nhà thiết kế đang sử dụng các giải pháp thường có tuổi đời vài thập kỷ. Mới đây, cả thế giới đã theo dõi cuộc hạ cánh của tàu thám hiểm Curosity trên sao Hỏa. Ít ai có thể ngờ rằng bên trong là vi xử lý BAE RAD750 tốc độ chỉ 200 MHz, phiên bản cải tiến của chip IBM PowerPC 750. Nếu bạn đã từng sở hữu một chiếc máy tính Apple, bạn có thể biết bộ xử lý này từ dòng iMac. Hơn nữa, nó cũng sử dụng bộ vi xử lý kém hiệu quả hơn từ bảng điều khiển Nintendo Wii. Liên quan đến yêu cầu hoạt động trong điều kiện bức xạ tăng lên, tần số đồng hồ của nó đã giảm hơn ba lần.
Chúng tôi đã đề cập rằng bộ định tuyến Perseverance cũng chạy trên một bộ xử lý đã được phát hành hơn 20 năm trước. Nói cách khác, không có gì thay đổi, và những con tàu vũ trụ trị giá hàng triệu đô la đang sử dụng bộ vi xử lý được ra mắt vào thế kỷ trước. Không cần biết nó nghe như thế nào, nhưng nó là sự thật.
Đọc thêm: Dung lượng trên máy tính của bạn. 5 ứng dụng thiên văn học tốt nhất
Phần mềm và máy tính chạy Crew Dragon, Falcon và Starlink
Chúng tôi quyết định tìm hiểu chi tiết hơn những gì được sử dụng làm phần mềm, bằng cách sử dụng ví dụ về Crew Dragon, Falcon và Starlink nổi tiếng.
Khi chúng ta nghe đến tên của tàu vũ trụ Crew Dragon, nhiều người nghĩ ngay đến ba màn hình cảm ứng và giao diện điều khiển màu xanh mà chúng ta đã thấy trong các chương trình phát sóng. Vẫn còn nhiều tranh luận về tính khả thi của việc điều khiển tàu vũ trụ bằng màn hình cảm ứng thay vì các nút, công tắc và cần điều khiển. SpaceX đã chọn phương án này vì mục tiêu của họ là thiết kế con tàu theo cách mà nó không yêu cầu bất kỳ sự kiểm soát nào, đồng thời, thủy thủ đoàn luôn được tiếp cận với nhiều thông tin nhất có thể. Con tàu hoàn toàn tự trị, và thứ duy nhất mà các phi hành gia phải điều khiển chỉ giới hạn ở các hệ thống cabin bên trong, chẳng hạn như âm lượng của hệ thống âm thanh. Việc điều khiển chuyến bay của con tàu và các hệ thống quan trọng nhất của nó bởi các phi hành gia chỉ nên được thực hiện trong những trường hợp khẩn cấp và SpaceX đã cố gắng với sự giúp đỡ của chính các phi hành gia để phát triển giao diện đồ họa tốt nhất cho những nhiệm vụ này.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các chức năng chính của tàu có thể được điều khiển bằng cách sử dụng các nút nằm bên dưới màn hình. Phi hành đoàn có khả năng khởi động hệ thống chữa cháy, mở dù khi quay trở lại bầu khí quyển, ngắt chuyến bay tới ISS, bắt đầu hạ cánh khẩn cấp từ quỹ đạo, thiết lập lại máy tính trên tàu và thực hiện các nhiệm vụ khẩn cấp khác. Một đòn bẩy dưới màn hình ở giữa cho phép các phi hành gia khởi động hệ thống sơ tán. Chúng cũng có các nút bắt đầu và hủy các lệnh được nhập bằng cách sử dụng màn hình. Bằng cách đó, nếu phi hành gia thực hiện một lệnh trên màn hình và nó không thành công, anh ta vẫn có khả năng hủy lệnh bằng cách nhấn vào một nút bên dưới màn hình. Độ rõ ràng và khả năng kiểm soát của màn hình cũng được kiểm tra trong điều kiện rung, và các nhóm thử nghiệm và phi hành gia đã thực hiện nhiều bài kiểm tra trong găng tay và bộ quần áo kín.
Tất nhiên, yêu cầu quan trọng nhất đối với tên lửa và hệ thống điều khiển tàu là độ tin cậy. Trong trường hợp tên lửa SpaceX, điều này được đảm bảo trước hết là do tính dự phòng của hệ thống, tức là do sử dụng một số thành phần giống hệt nhau hoạt động cùng nhau và có thể sao chép và bổ sung cho nhau. Đặc biệt, Falcon 9 có tổng cộng ba máy tính trên bo mạch riêng biệt. Mỗi máy tính này đọc dữ liệu từ các cảm biến và hệ thống của tên lửa, thực hiện các tính toán cần thiết, đưa ra quyết định về các hành động tiếp theo và tạo ra lệnh để thực hiện các quyết định đó. Cả ba máy tính được kết nối với nhau, và các kết quả thu được sẽ được so sánh và phân tích.
Máy tính dựa trên bộ xử lý PowerPC lõi kép. Một lần nữa, cả hai lõi đều thực hiện các phép tính giống nhau, so sánh chúng với nhau và kiểm tra tính nhất quán. Do đó, trong khi dự phòng phần cứng gấp ba lần, dự phòng tính toán phần mềm gấp sáu lần. Đồng thời, bạn có thể đưa máy tính bị lỗi trở lại trạng thái hoạt động, chẳng hạn bằng cách khởi động lại. Nếu máy tính chính bị lỗi, một trong các máy tính còn lại sẽ thay thế.
Trong trường hợp có vấn đề với máy tính hoặc các hệ thống khác, số phận của sứ mệnh phụ thuộc vào quyết định của Hệ thống An toàn Chuyến bay Tự hành (AFSS). Đây là một hệ thống máy tính trên máy bay hoàn toàn độc lập, hoạt động trên một tập hợp một số vi điều khiển (máy tính nhỏ), nhận cùng dữ liệu từ các cảm biến, kết quả tính toán và lệnh từ máy tính trên máy bay và điều khiển quá trình an toàn của chuyến bay.
Để đảm bảo rằng tất cả các máy tính luôn có dữ liệu đáng tin cậy nhất có thể, hầu hết các cảm biến là dự phòng, cũng như các máy tính đọc dữ liệu này và sau đó gửi nó đến các máy tính trên bo mạch. Theo cách tương tự, các máy tính điều khiển các hệ thống con tên lửa riêng lẻ (động cơ, bánh lái, vòi điều động, v.v.) được nhân bản bằng các lệnh máy tính trên tàu. Như vậy, Falcon 9 được điều khiển bởi cả một cây gồm ít nhất 30 máy tính. Ở trên cùng của cây là các máy tính trên bo mạch quản lý một mạng lưới các máy tính cấp dưới. Mỗi máy đều có kênh giao tiếp riêng với từng máy tính trên bo mạch riêng. Vì vậy, tất cả các đội đến với anh ấy ba lần.
Nhưng như bạn thấy, tất cả các máy tính trên bo mạch đều dựa trên các vi mạch đơn giản, không phải vi mạch phức tạp của các siêu máy tính hiện đại.
Đọc thêm: Vũ trụ: Những vật thể không gian khác thường nhất
Tương lai của chip không gian
Việc sử dụng các bộ vi xử lý tương đối cũ không có nghĩa là các bộ xử lý mới sẽ không được tạo ra. Chỉ là quá trình tạo ra chúng rất khó và mất nhiều thời gian. Cũng cần hiểu rằng mọi cấu trúc sẽ được sử dụng trong không gian phải đáp ứng các yêu cầu của loại MIL-STD-883. Điều này có nghĩa là phải vượt qua hơn 100 bài kiểm tra do Bộ Quốc phòng Mỹ phát triển, bao gồm các bài kiểm tra về nhiệt, cơ, điện và các chip khác. Hầu hết các bộ xử lý đã vượt qua bài kiểm tra này chỉ được làm từ phần trung tâm của tấm silicon. Điều này là do ở đây, các khuyết tật cạnh ít có khả năng xảy ra nhất.
Danh sách các dự án cho tàu vũ trụ trong tương lai bao gồm loạt hệ thống HPSC do NASA phát triển. Theo dự kiến, các bộ xử lý sẽ sẵn sàng vào năm 2023 và 2024. Hiệu suất của chúng phải cao hơn 100 lần so với các hệ thống nhanh nhất hiện đang được sử dụng trong tàu vũ trụ. Người Mỹ đang tập trung vào việc phát triển chip có thể giúp chinh phục mặt trăng và sao Hỏa. Nhưng cho đến nay đây chỉ là những dự án.
Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, cơ quan đã phát triển chip dựa trên kiến trúc SPARK mã nguồn mở trong một thời gian dài, có một cách tiếp cận hơi khác. Sản phẩm mới nhất như vậy là mẫu GR740 từ gia đình LEON4FT. Bộ vi xử lý lõi tứ 250 MHz này, được trang bị bộ điều hợp mạng gigabit và 2 MB bộ nhớ đệm L1000, sẽ là nền tảng phù hợp cho các vệ tinh và tàu vũ trụ không người lái. Theo tính toán của các nhà khoa học, thiết kế và đặc điểm của bộ vi xử lý phải đảm bảo hoạt động bình thường của nó ngay cả sau 300 năm. Các nhà khoa học đảm bảo rằng chỉ sau 250 năm hoạt động của con chip, ít nhất một lỗi có thể xảy ra. Điều này truyền cảm hứng cho niềm tin vào sức mạnh và độ bền của tàu vũ trụ, bởi vì chuyến bay đến cùng một sao Hỏa sẽ mất khoảng 300- ngày, và đây chỉ là một quỹ đạo thuận tiện. Các đầu dò đôi khi đi lang thang trong không gian trong nhiều năm.
Có một sự thật thú vị, điều đáng nói là vào năm 2017, HPE và NASA đã ra mắt máy tính hiệu năng cao thương mại đầu tiên trên tên lửa SpaceX Falcon 9. Máy chủ HPE Apollo 40 socket kép với bộ xử lý Intel Broadwell và tốc độ 56 Gbit/ giao diện của nó đã đến Trạm vũ trụ quốc tế. Nếu các nhà khoa học tin tưởng thì hiệu suất của nó chỉ là 1 TFLOPS, nhưng vẫn rất nhiều đối với điều kiện không gian.
Nó cho thấy việc thiết kế chip để sử dụng bên ngoài hành tinh của chúng ta khó khăn như thế nào và cần phải làm nhiều việc như thế nào để bắt kịp ít nhất là các bộ xử lý PC gia đình chính thống.
Nhưng các nhà khoa học đang rất nỗ lực để phát triển những vi mạch mạnh nhất không chỉ hỗ trợ hoạt động của tàu vũ trụ mà còn được bảo vệ một cách đáng tin cậy khỏi bức xạ và bức xạ không gian. Có thể máy tính lượng tử sẽ thay đổi tình hình, nhưng đó là một câu chuyện khác.
Đọc thêm:
Quang điện tử/máy tính lượng tử?
20 MHz là 20000000 hoạt động mỗi giây. 20000 là 20 KHz.
"Bộ xử lý lõi tứ này có tốc độ 250 MHz, được trang bị chip gigabit và bộ nhớ đệm L2 MB."
Loại chíp nào?
Đây là sự vô ý của tôi. Cảm ơn vì đã để ý. Đó là về một bộ điều hợp mạng gigabit. Đã sửa nó.
"nhiều người trong số các bạn có thể sẽ ngạc nhiên về mức độ cần thiết để kiểm soát, chẳng hạn như một trạm vũ trụ" - Khá ngạc nhiên là máy tính hiện đại tiêu tốn bao nhiêu tài nguyên cho một số tác vụ đơn giản nhất. Ví dụ, để mở một trang trên Internet, bạn cần một bộ xử lý mạnh hơn và nhiều bộ nhớ hơn là để điều khiển một trạm vũ trụ.