为什么航天器配备了 20 世纪的处理器

令人惊讶的是，现代航天器配备的是 20 世纪开发的过时处理器。 在本文中，我们将告诉您造成这种情况的原因。

宇宙飞船是真正的技术奇迹，配备了各种电子设备。 当然，这也包括处理器，借助处理器，设备可以执行非常复杂的计算。 然而，NASA 和其他航天机构开发中使用的芯片通常看起来像是早已停产的过时设备。

当我们谈论处理器时，可能会立即想到台式计算机的块。 许多芯片影响了科技行业。 目前，已经开发出具有巨大计算能力的强大超级计算机。 在空间研究这样复杂的技术领域使用类似设备是合乎逻辑的。 在距地球数百万公里的地方登陆月球或发射和操纵太空探测器当然需要大量的计算能力。 事实证明情况并非如此，你们中的许多人可能会惊讶于控制空间站所需的空间之小。 顺便说一句，最近成功登陆红色星球的新型毅力号火星车基于 RAD750 处理器，它是 PowerPC 750 的特殊版本——3 多年前问世的 iMac G20 计算机的核心. 而目前同样在火星上运行的 Ingenuity 直升机搭载的是骁龙 801 处理器，这些执行最复杂计算操作的航天器就是在这种“普通”甚至过时的微处理器上工作。 但这种状况即使在未来也不太可能改变。 让我们找出为什么 NASA 和其他太空机构的科学家被迫使用如此弱的 SoC。

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空间处理器出奇地慢

我们先来看一个大家都应该很熟悉的例子。我们正在谈论 16 年 1969 月 11 日发生的事件。这一天，作为阿波罗 506 号任务的一部分，SA-4 运载火箭将阿波罗飞船带出了地球大气层。 1966天后，美国宇航员巴兹·奥尔德林和尼尔·阿姆斯特朗在人类历史上首次踏上月球表面。这次任务在 2,048 年开发的 AGC（阿波罗制导计算机）的帮助下成功完成。从计算机技术的角度来看，该设计非常有趣，但从该设备的技术特性来看，人们只能对任务的成功感到惊讶。试想一下，板上芯片的工作时钟频率仅为 2048 MHz，RAM 也只有 个字。是的，正是这句话。也就是说，现在看来简直不可思议，但在当时它却是最现代的计算机之一。

值得注意的是，家用电脑提供了类似的性能 Apple II，几年后发布。 也就是说，当时的飞船拥有领先于时代的技术装备。

然而，这种情况一直持续到某个时刻，人们很快就明白，更高效的设备不一定是最好的解决方案，有时它可能更危险。 空间电子学历史的转折点是确定宇宙辐射的精确值及其对技术的影响。 但是辐射如何影响处理器本身呢？

当配备简单机载计算机的双子座宇宙飞船被发射到太空时，用于制造它的技术在今天仍然非常原始。 然而，在太空中，它被证明是一个很大的优势。

如今，在创建新的处理器时，会使用更多的现代技术工艺，现在我们可以很容易地买到实际上由 7 纳米光刻技术制成的微型处理器。 芯片越小，开启和关闭所需的电压就越小。 在太空中，这会导致严重的问题。 事实是，在辐射粒子的影响下，晶体管的状态可能会发生意外切换。 这反过来又会导致后者在最意想不到的时刻停止工作，或者使用此类处理器执行的计算将不准确。 而在太空中，这是不可接受的，可能导致悲惨的后果。

一个有趣的例子是 Intel 386SX 处理器（Intel 80386 的精简版），它控制着所谓的玻璃舱。 它以大约 20 MHz 的时钟速度运行，这意味着它可以以每秒 20 个周期的速度执行任务。 该芯片在太空建设中首次亮相时并没有特别高的速度，但更重要的是，由于时钟频率较低，处理器是安全的。

当暴露在辐射下时，它的粒子会损坏存储在处理器高速缓存中的数据。 这在非常短的窗口内是可能的——低时序会显着降低它，这意味着更快的电路更容易受到辐射。 简而言之，辐射最终会影响数据存储并损坏处理器本身。 这在空间站、运载火箭或探测器的运行条件下是不可接受的。 没有人会冒着百万美元项目的风险。

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破坏性辐射

有一段时间，辐射的影响通过生产过程本身的变化得到补偿，例如，使用了砷化镓等材料。 然而，每次修改都非常昂贵。 此外，航天器系统是在专业工厂中少量制造的。 只有使用 RHBD 技术，才有可能在抗辐射微电路的生产中使用标准 CMOS 工艺。 还使用了诸如三重冗余之类的技术，它允许始终存储同一位的三个相同副本。 当需要时，会选择最好的。

辐射对航天器系统的破坏性影响曾导致俄罗斯的火卫一-咕噜号任务失败。 为军用飞机设计的 WS512K32V20G24M 芯片被宇宙射线的重离子损坏。 过大的电流损坏了电脑，它进入了安全模式。 由于通信问题，无法重启，导致探测器进入大气层燃烧。

因此，对于使用寿命长的项目，使用真正耐用的块。 例如，哈勃望远镜最初配备的是时钟频率为 8 MHz 的 224 位 Rockwell Autonetics DF-1,25 单元。 很快人们就发现这是个坏主意，NASA 不得不经历用英特尔芯片替换芯片的过程。 1993 年，该望远镜改装为支持 Intel 386，并在 3 年的服务任务 1999A 期间，将 DF-224 和 Intel 386 芯片对替换为 Intel 486 芯片。

我们已经在这里举了空间站的例子。如此庞大而复杂的结构似乎应该配备一个非常高效的系统。然而，这种情况并非如此。据了解，国际空间站（ISS）的主计算机运行在已经提到的Intel 386模块上，基本上使用两组三台计算机——一台是俄罗斯的，一台是美国的。我们还可以看一下更新的“新地平线”号宇宙飞船，它于 2015 年飞越冥王星，目标是柯伊伯带。抗辐射 Mongoose-V 芯片的时钟频率为 15 MHz，能够以每秒 40 个周期的速度执行任务，负责该设备中的大部分功能。其性能接近控制台运行的处理器的性能 PlayStation.

当我们审视非常现代的航天器时，我们会发现设计师使用的解决方案通常已有数十年历史。 最近，全世界都在关注好奇号火星车的着陆。 很少有人会猜到里面是一个时钟频率仅为 750 MHz 的 BAE RAD200 处理器，它是 IBM PowerPC 750 芯片的改进版本。如果你曾经拥有过一台电脑 Apple，你可能从 iMac 系列就知道这款处理器。 此外，它还使用了任天堂 Wii 控制台中效率较低的微处理器。 考虑到在辐射增加的条件下运行的要求，其时钟频率已降低三倍以上。

我们已经提到，毅力号火星车也运行在 20 多年前发布的处理器上。 换句话说，一切都没有改变，耗资数百万美元的航天器正在使用上个世纪发布的微处理器。 不管听起来如何，但这是事实。

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运行 Crew Dragon、Falcon 和 Starlink 的软件和计算机

我们决定以著名的 Crew Dragon、Falcon 和 Starlink 为例，更详细地了解用作软件的内容。

听到Crew Dragon飞船的名字，很多人都会想到我们在广播中看到的三个触摸屏和蓝色的控制界面。 关于使用触摸屏而不是按钮、开关和操纵杆来控制航天器的可行性，仍有很多争论。 SpaceX公司 之所以选择这个选项，是因为他们的目标是以不需要任何控制的方式设计船舶，同时让船员始终能够访问尽可能多的信息。 这艘船是完全自主的，宇航员唯一需要控制的是内部机舱系统，例如音频系统的音量。 宇航员对飞船及其最重要系统的飞行控制只能在紧急情况下进行，SpaceX 试图在宇航员自己的帮助下为这些任务开发最佳图形界面。

但是，应该注意的是，可以使用位于显示屏下方的按钮来控制飞船的关键功能。 机组人员有能力启动灭火系统、重新进入大气层时打开降落伞、中断飞往国际空间站的飞行、开始从轨道紧急下降、重置机载计算机和执行其他紧急任务。 中间显示屏下方的杠杆允许宇航员启动疏散系统。 它们还有启动和取消使用显示器输入的命令的按钮。 这样，如果宇航员在显示屏上执行命令失败，他仍然可以通过按下显示屏下方的按钮来取消命令。 显示器的清晰度和可控性也在振动条件下进行了测试，测试团队和宇航员在手套和密封宇航服中进行了多次测试。

对导弹和舰船控制系统来说，最重要的要求当然可能是可靠性。 就 SpaceX 火箭而言，这首先是由于系统冗余，即由于使用了几个相同的组件，这些组件可以协同工作并可以相互复制和互补，因此可以确保这一点。 特别是猎鹰9号共有三台独立的机载计算机。 这些计算机中的每一个都从火箭的传感器和系统中读取数据，执行必要的计算，就进一步的行动做出决定，并生成做出这些决定的命令。 三台计算机相互连接，对得到的结果进行比较分析。

计算机基于双核 PowerPC 处理器。 同样，两个内核执行相同的计算，将它们相互比较，并检查一致性。 因此，虽然硬件冗余是三倍的，但软件计算冗余是六倍的。 同时，您可以将出现故障的计算机恢复到工作状态，例如通过重新启动。 如果主计算机出现故障，其余计算机中的一台将接管。

如果计算机或其他系统出现问题，任务的命运取决于自主飞行安全系统 (AFSS) 的决定。 这是一个完全独立的机载计算机系统，它在一组几个微控制器（小型计算机）上工作，接收来自传感器的相同数据、计算结果和来自机载计算机的命令，并控制飞行的安全航向。

为了确保所有计算机始终拥有最可靠的数据，大多数传感器都是冗余的，读取这些数据然后将其发送到车载计算机的计算机也是如此。 以同样的方式，控制单个导弹子系统（发动机、方向舵、机动喷嘴等）的计算机被机载计算机命令复制。 因此，猎鹰 9 号由至少 30 台计算机组成的整棵树控制。 树的顶部是管理从属计算机网络的机载计算机。 每个都有自己的通信通道，分别与每个车载计算机分开。 所以所有的球队都来找他三次。

但正如您所见，所有机载计算机都基于简单的微芯片，而不是现代超级计算机的复杂微电路。

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太空芯片的未来

使用相对较旧的处理器并不意味着没有创建新处理器。 只是创建它们的过程非常困难并且需要花费大量时间。 还应了解，将在太空中使用的每个结构都必须满足 MIL-STD-883 类的要求。 这意味着要通过美国国防部制定的 100 多项测试，包括热、机械、电气和其他芯片测试。 大多数通过该测试的处理器仅由硅晶圆的中心部分制成。 这是因为这里最不可能出现边缘缺陷。

未来航天器的项目清单包括 NASA 开发的 HPSC 系列系统等。 正如预期的那样，处理器应该在 2023 年和 2024 年之交准备就绪。 它们的性能应该比目前航天器中使用的最快系统高出 100 多倍。 美国人专注于开发有助于征服月球和火星的芯片。 但到目前为止，这些只是项目。

长期以来一直基于开源 SPARK 架构开发芯片的欧洲航天局采取了一种略有不同的方法。 最新的此类产品是 LEON740FT 系列的 GR4 型号。 这款四核 250 MHz 处理器，配备千兆网络适配器和 2 MB 二级缓存，应该是无人航天器和卫星的合适平台。 根据科学家的计算，处理器的设计和特性即使在1000年后也能保证其正常运行。 科学家们保证，只有在芯片运行 300 年后，才会出现至少一个错误。 这激发了人们对航天器强度和耐用性的信心，因为飞往同一个火星大约需要 250-300 天，而这只是一个方便的轨迹。 探测器有时会在太空中徘徊多年。

有趣的是，值得一提的是，2017 年，HPE 和 NASA 在 SpaceX Falcon 9 火箭上发射了第一台商用高性能计算机。双路 HPE Apollo 40 服务器，配备 Intel Broadwell 处理器和快速 56 Gbit/ s界面抵达国际空间站。如果科学家们相信的话，它的性能仅为 1 TFLOPS，但对于太空条件来说仍然很多。

它显示了设计在地球以外使用的芯片有多么困难，以及至少要赶上主流家用 PC 处理器需要做多少工作。

但科学家们正在努力开发最强大的微芯片，这些芯片不仅可以支持航天器的运行，还可以可靠地免受太空辐射和辐射。 也许量子计算机会改变这种情况，但那是另一回事了。

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