Решение проблем с радиацией стало «поворотным моментом в истории космической электроники»
Фобос-Грунт, один из наиболее амбициозных космических проектов современной России, упал в океан в начале 2012-го. Этот космический корабль должен был сесть на поверхность потрёпанной марсианской луны Фобос, собрать образцы почвы, и привезти их обратно на Землю. Но вместо этого он несколько недель беспомощно дрейфовал на низкой околоземной орбите (НОО) из-за отказа бортового компьютера перед запуском двигателей, которые должны были отправить корабль в сторону Марса.
В последовавшем отчёте российские власти возложили вину на тяжёлые заряженные частицы в составе галактических космических лучей, столкнувшиеся с чипами SRAM и вызвавшие отказ чипа из-за чрезмерной силы проходящего через него тока. Чтобы справиться с этой проблемой, два процессора, работавшие в компьютере ЦВМ22, запустили перезагрузку. После этого зонд перешёл в безопасный режим ожидания команд с Земли. К сожалению, инструкции так и не поступили.
Антенны связи должны были выйти на расчётный режим работы уже после того, как корабль покинул бы НОО. Однако никто не предусмотрел отказа, из-за которого зонд бы не дошёл до этого этапа. После столкновения с частицами Фобос-Грунт оказался в странном патовом состоянии. Запуск бортовых двигателей должен был запустить развёртывание антенн. Двигатели можно было запустить только при помощи команды с Земли. А эта команда не могла поступить, поскольку антенны не были развёрнуты. Компьютерная ошибка привела к краху миссии, готовившейся несколько десятилетий. В частности в недосмотре виновны члены команды НПО им. Лавочкина, производителя аппарата. Во время разработки легче было перечислить то, что в их компьютере работало, чем то, что не работало. Однако каждая малая из сделанных ими ошибок стала жестоким напоминанием о том, что разработка компьютеров космического класса ужасно сложна. Один раз оступишься, и миллиарды долларов сгорают.
Участники разработки просто очень сильно недооценили трудности работы компьютеров в космосе.
Что так медленно?
«Кьюриосити», всеми любимый марсианский вездеход, работает на двух процессорах BAE RAD750 с тактовой частотой до 200 МГц. У него 256 Mb RAM и SSD на 2 Gb. Накануне 2020 года RAD750 является самым передовым одноядерным процессором космического класса. На сегодня это лучшее, что мы можем отправить в глубокий космос.
Но, к сожалению, по сравнению со смартфоном в нашем кармане, быстродействие RAD750 может вызвать только жалость. Его схема основана на PowerPC 750, процессоре, который IBM и Motorola представили в 1997 в качестве конкурента Intel Pentium II. Это значит, что самое технологически совершенное космическое оборудование, имеющееся в космосе на сегодня, вполне сможет запустить первый Starcraft (1998 года) без проблем, однако столкнётся с проблемами перед лицом чего-то более требовательного к вычислительной мощности. Забудьте о том, чтобы поиграть на Марсе в «Crysis».
При этом стоит RAD750 порядка $200 000. А нельзя просто закинуть туда iPhone и закончить на этом? С точки зрения быстродействия, айфоны на несколько поколений ушли от RAD750 и стоят всего по $1000 за штуку, что гораздо меньше, чем $200 000. Примерно так и пыталась поступить команда Фобос-Грунт. Они пытались увеличить быстродействие и сэкономить, но в итоге перегнули палку.
Чип памяти SRAM в Фобос-Грунт, пострадавший от тяжёлых заряженных частиц, имел маркировку WS512K32V20G24M. Он был хорошо известен в космической индустрии, поскольку в 2005 году эти чипы протестировали в ускорителе частиц Брукхейвенской национальной лаборатории Т. Пейдж и Дж. Бенедетто, чтобы проверить, как они ведут себя под воздействием излучения. Исследователи описали эти чипы как «чрезвычайно уязвимые», и их отказы случались даже под минимальным энергетическим воздействием, доступным в Брукхейвене. Результат не был удивительным, поскольку WS512K32V20G24M не предназначались для космоса. Их разрабатывали для военной авиации. Однако их было легче найти и они были дешевле чипов памяти космичесого класса, поэтому разработчики Фобос-Грунт решили взять их.
«Открытие наличия в космосе излучения различных типов стало одним из важнейших поворотных моментов в истории космической электроники, наряду с пониманием влияния этого излучения на электронику и разработкой технологий укрепления чипов и уменьшения вреда», — говорит Тайлер Лавли, исследователь исследовательской лаборатории ВВС США. Основные источники этого излучения – космические лучи, солнечные процессы и пояса протонов и электронов, находящиеся на границе магнитного поля Земли, известные, как радиационный пояс Ван Аллена. Из частиц, сталкивающихся с атмосферой Земли, 89% — это протоны, 9% — альфа-частицы, 1% — более тяжёлые ядра, 1% — свободные электроны. Их энергия может достигать 1019 эВ. Использовать чипы, не подходящие для космоса, в зонде, который должен несколько лет путешествовать по космосу – значит, напрашиваться на неприятности. В газете «Красная звезда» писали, что 62% чипов, использовавшихся на Фобос-Грунте, не были предназначены для использования в космосе. Схема зонда на 62% состояла из настроя «давайте прикрутим туда айфон».
Излучение становится проблемой
Сегодня космические лучи – один из ключевых факторов, учитываемых при создании компьютеров космического класса. Но так было не всегда. Первый компьютер вышел в космос на борту одного из аппаратов «Джемини» в 1960-х. Для получения разрешения на полёт машине пришлось пройти более сотни разных тестов. Инженеры проверяли, как она ведёт себя в ответ на вибрации, вакуум, экстремальные температуры, и так далее. Ни один из этих тестов не учитывал воздействие излучения. И всё же бортовой компьютер «Джемини» работал весьма неплохо, без всяких проблем. Всё потому, что он был слишком большим для того, чтобы отказать. Буквально. Целых 19,5 Кб памяти содержались в коробке объёмом в 11 л и весом в 12 кг. А весь компьютер весил 26 кг.
В индустрии компьютеров прогресс процессоров обычно заключался в уменьшении размера компонентов и увеличении тактовой частоты. Мы делали транзисторы всё меньше и меньше, идя от 240 нм к 65 нм, затем к 14 нм, и уже к 7 нм, к современным смартфонам. Чем меньше транзистор, тем меньше напряжение, необходимое для того, чтобы его включать и выключать. Поэтому на старые процессоры с крупными компонентами излучение практически не влияло – точнее, не влияли т.н. одиночные возмущения. Создаваемое столкновением с частицей напряжение было слишком маленьким для того, чтобы повлиять на работу достаточно большого компьютера. Но когда стремящиеся в космос люди начали уменьшать размер компонентов, чтобы впихнуть побольше транзисторов на чип, создаваемых частицами напряжений стало хватать для причинения проблем.
Ещё обычно инженеры для улучшения показателей процессоров поднимают их тактовую частоту. У Intel 386SX, под управлением которого работала автоматика в кабине управления космическим шатлом, работал на частоте 20 МГц. Современные процессоры в пике могут доходить до 5 ГГц. Тактовая частота определяет количество циклов обработки, на которые способен процессор в единицу времени. Проблема с излучением в том, что столкновение с частицей может испортить хранящиеся в памяти процессора (кэш L1 или L2) небольшой промежуток времени. Получается, что в каждую отдельную секунду у заряженной частицы есть ограниченное количество возможностей создать проблемы. В процессорах с небольшой тактовой частотой это количество было достаточно малым. Но с увеличением частоты количество этих моментов времени в секунде возросло, что сделало процессоры более чувствительными к излучению. Поэтому процессоры с повышенной устойчивостью к излучению почти всегда работают медленнее коммерческих двойников. Основная причина того, что космические процессоры работают так медленно, состоит в том, что практически все методы, способные их ускорить, делают их более уязвимыми.
К счастью, эту проблему можно обойти.
Разбираемся с радиацией
«Раньше воздействие излучения минимизировали благодаря изменённому полупроводниковому процессу, — говорит Роланд Вейганд, инженер VISI/ASIC из Европейского космического агентства. – Было достаточно взять коммерческое ядро процессора и применить к нему процесс, повышающий стойкость к излучению». Эта технология производственной защиты от излучения использовала такие материалы, как сапфир или арсенид галлия, не так сильно реагировавшие на излучение, в отличие от кремния. Процессоры, произведённые таким способом, хорошо работали в средах с повышенным излучением, например, в космосе, но для их производства требовалось переоснастить целую фабрику.
«Чтобы увеличить быстродействие, приходилось использовать всё более и более продвинутые процессоры. Учитывая стоимость современной полупроводниковой фабрики, специальные изменения в процессе производства перестали быть практичными для такого нишевого рынка, как космос», — говорит Вейганд. В итоге это заставило инженеров использовать коммерческие процессоры, подверженные воздействию одиночных возмущений. «Для уменьшения этого эффекта нам пришлось перейти на другие технологии повышения устойчивости к излучению – то, что мы называем проектной защитой от излучения», — добавляет Вейганд.
Проектная защита позволила производителям использовать стандартный процесс производства CMOS. Такие процессоры космического класса можно было производить на коммерческих фабриках, уменьшая их стоимость до разумной, и позволяя разработчикам космических миссий немного догонять коммерческие предложения. С излучением справлялись при помощи инженерного гения, а не просто физических свойств материала. «К примеру, тройная модульная избыточность (ТМИ) – один из самых популярных способов защитить от излучения чип, в других отношениях совершенно стандартный, — пояснил Вейганд. – В памяти всё время хранятся три идентичных копии каждой частицы информации. На стадии считывания читаются все три и верный вариант выбирается по большинству».
Если все три копии одинаковы, информация считается правильной. Так же поступают, когда две копии одинаковые, а одна отличается от них – правильная копия выбирается большинством голосов. Но когда все три копии разные, система регистрирует ошибку. Идея в том, чтобы хранить одну и ту же информацию по трём разным адресам памяти, расположенным на трёх разных местах чипа. Для того, чтобы испортить данные, двум частицам нужно одновременно столкнуться с теми местами, где хранятся две копии одной и той же частицы информации, что чрезвычайно маловероятно. Минус такого подхода в наличии избыточной работы для процессора. Ему нужно проделать каждую операцию трижды, а значит, он достигнет лишь трети своего быстродействия.
Так появилась самая новая идея довести быстродействие процессоров космического класса ещё ближе к их коммерческим аналогам. Вместо защиты от излучения всей системы на чипе целиком, инженеры решают, где эта защита наиболее актуальна. А где от неё можно отказаться. Это значительно меняет приоритеты проектирования. Старые космические процессоры были нечувствительны к излучению. Новые процессоры чувствительны к нему, но они спроектированы так, чтобы автоматически справляться со всеми ошибками, которые может вызвать излучение.
К примеру, LEON GR740, — последний европейский процессор космического класса. Ожидается, что он будет испытывать по 9 одиночных возмущений в день, находясь на геостационарной орбите Земли. Фокус в том, что все они будут сдерживаться системой и не приведут к ошибкам в работе. GR740 спроектирован так, чтобы функциональная ошибка на нём происходила не чаще, чем раз в 300 лет. И даже в этом случае он сможет просто перезагрузиться.
Европа выбирает открытость
Линейка процессоров космического класса LEON с архитектурой SPARC – наиболее популярный в Европе выбор для работы в космосе. «В 90-х, когда была выбрана спецификация SPARC, она была очень глубоко внедрена в промышленность, — говорит Вейганд. — Sun Microsystems использовала её на своих успешных рабочих станциях». По его информации, ключевыми причинами перехода на SPARC были существовавшие тогда поддержка ПО и открытость платформы. «Открытая архитектура означала, что все могут пользоваться ей без проблем с лицензиями. Это было важно, поскольку в такой узкой нише, как космос, стоимость лицензий распределяется среди небольшого количества устройств, что серьёзно увеличивает их стоимость», — поясняет он.
В итоге, ЕКА на горьком опыте познакомилась с проблемами лицензирования. Первый европейский космический SPARC-процессор – ERC32, используемый и по сей день – использовал коммерческие процессоры. Он основывался на открытой архитектуре, но схема процессора была проприетарной. «Это привело к проблемам. Доступа к исходным кодам проприетарных систем обычно нет, поэтому тяжело вносить в проект изменения, необходимые для усиления защиты от излучения», — говорит Вейганд. Поэтому на следующем шаге ЕКА начала работать над собственным процессором, LEON. «Его проект был полностью под нашим контролем, и мы, наконец, получили возможность использовать все технологии защиты от излучения, которые хотели».
Последняя разработка в линейке процессоров LEON – четырёхъядерный GR740, работающий на частоте около 250 МГц. (Вейганд говорит, что ожидает поставок первых партий оборудования к концу 2019). GR740 изготавливают по техпроцессу 65 нм. Это система на чипе, спроектированная для высокоскоростных вычислений общего назначения на основе архитектуры SPARC32. «Цель в создании GR740 состояла в том, чтобы достичь большего быстродействия и возможности добавить дополнительные устройства в интегральную схему, при этом оставляя совместимость с предыдущими европейскими процессорами космического класса», — говорит Вейганд. Ещё одна особенность GR740 – передовая система устойчивости к отказам. Процессор может справиться со значительным количеством ошибок, вызванных излучением, и при этом всё равно обеспечить беспрерывное функционирование ПО. Каждый блок и функция GR740 оптимизированы для наибольшей скорости работы. Это означает, что компоненты, чувствительные к одиночным возмущениям, соседствуют с другими, способными с лёгкостью справляться с этим. И все чувствительные компоненты используются в схеме, уменьшающей влияние ошибок посредством избыточности.
К примеру, некоторые триггеры у GR740 – это обычные коммерческие CORELIB FF. Их выбрали для использования на этом чипе потому, что они занимают меньше места, увеличивая тем самым вычислительную плотность. Минус в том, что они подвержены воздействию одиночных возмущений, но с этим разобрались при помощи блоков ТМИ. Каждый считываемый фрагмент информации с этих триггеров подтверждается путём голосования между всеми модулями, расположенными достаточно далеко, чтобы одно событие не влияло на несколько битов. Сходные схемы реализованы для кэшей процессора L1 и L2, состоящих из ячеек SRAM, тоже подвершенных одиночным возмущениям. Когда такие схемы стали слишком сильно влиять на быстродействие, инженеры ЕКА перешли на устойчивые к возмущениям триггеры SKYROB. Однако те занимают в два раза больше места, чем CORELIB. При попытках увеличить вычислительную мощность компьютеров в космосе всегда приходится идти на какие-либо компромиссы.
Пока что GR740 прекрасно прошли несколько проверок на воздействие излучения. Чип обстреливали тяжёлыми ионами с линейной передачей энергии (ЛПЭ), достигавшей 125 МэВ*см2/мг, и они работали без единого отказа. Чтобы было с чем сравнивать, те самые SRAM-чипы, из-за которых упал Фобос-Грунт, отказывали при попадании частиц с ЛПЭ всего около 0,375 МэВ*см2/мг. GR740 выдержал в 300 раз более сильное излучение. Кроме практически полного иммунитета к единичным возмущениям, GR740 может поглотить до 300 крад излучения за время своей жизни. Во время тестов команда Вейганда даже облучила один из процессоров до 293 крад, но несмотря на это, чип работал, как обычно, не выказывая признаков деградации.
И всё же, тесты, показывающие истинную максимальную дозу ионизации, которую способен воспринять GR740, ещё только предстоит провести. Все эти цифры вместе говорят о том, что этот процессор, работая на геостационарной орбите Земли, должен выдавать одну функциональную ошибку каждые 350 лет. На низкой орбите этот период увеличивается до 1310 лет. И даже такие ошибки не убьют GR740. Ему лишь придётся перезагрузиться.
Америка выбирает запатентованные решения
«Процессоры космического класса, разрабатываемые в США, традиционно основывались на патентованных технологиях типа PowerPC, поскольку у людей было больше опыта работы с ними, и их поддерживало всевозможное ПО», — говорит Лавли из исследовательских лабораторий ВВС США. Ведь история космических вычислений началась с цифровых процессоров, разработанных в IBM для миссий «Джемини» в 1960-х. А IBM работала с проприетарными технологиями.
По сей день процессоры BAE RAD основаны на PowerPC, который появился на свет благодаря работе консорциума IBM, Apple и Motorola. Процессоры, работавшие в компьютерах кабины пилотов космического шатла и телескопа Хаббла были сделаны на базе архитектуры х86, представленной Intel. Как PowerPC, так и x86 были закрытыми технологиями. Продолжая эту традицию, новейший проект в этой области тоже основан на закрытой технологии. Высокоскоростной компьютер для космических полётов (HPSC) отличается от PowerPC и x86 тем, что последние были больше известны, как процессоры для настольных компьютеров. А HPSC основан на архитектуре ARM, работающей сегодня в большинстве смартфонов и планшетов.
HPSC разработали НАСА, исследовательская лаборатория ВВС США и Boeing, отвечавший за производство. HPSC основан на четырёхъядерных процессорах ARM Cortex A53. У него будет два таких процессора, связанных шиной AMBA, что в итоге даст восьмиядерную систему. Его быстродействие, таким образом, будет находиться где-то в районе смартфонов среднего ценового диапазона 2018 года типа Samsung Galaxy J8 или плат для разработки вроде HiKey Lemaker или Raspberry Pi. Правда, эти показатели приведены до защиты от излучения – она уменьшит его быстродействие более, чем в два раза. Тем не менее, нам уже не придётся читать унылые заголовки о том, что 200 процессоров марсохода Кьюриосити не догонят один айфон. После запуска HPSC потребуется всего три-четыре таких чипа, чтобы сравниться по быстродействию с айфоном.
«Поскольку у нас пока нет на руках реального HPSC для тестов, мы можем делать лишь обоснованные предположения по поводу его быстродействия», — говорит Лавли. Первым тщательно изученным параметром стала тактовая частота. Коммерческие восьмиядерные процессоры Cortex A53 обычно работают на частотах от 1,2 ГГц (в случае HiKey Lemaker) до 1,8 ГГц (как Snapdragon 450). Чтобы прикинуть, какой будет тактовая частота HPSC после защиты от излучения, Лавли сравнил различные процессоры космического класса с их коммерческими двойниками. «Мы решили, что разумно будет ожидать сходного уменьшения быстродействия», — говорит он. Лавли оценил тактовую частоту HPSC в 500 МГц. И всё равно это будет исключительно большая скорость для чипа космического класса. Если эта частота действительно будет такой, то HPSC окажется рекордсменом по тактовой частоте среди процессоров космического класса. Однако увеличение вычислительной мощности и тактовой частоты в космосе обычно оборачиваются серьёзными проблемами.
Сегодня самым мощным процессором, защищённым от воздействия излучения, является BAE RAD5545. Это 64-битная четырёхъядрная машина, сделанная по техпроцессу 45 нм, работающая с тактовой частотой в 466 МГц и рассеиваемой мощностью до 20 Вт; а 20 Вт — это порядочно. Quad Core i5 в 13" MacBook Pro 2018 рассеивает 28 Вт. Он может разогреть алюминиевый корпус до очень высоких температур, вплоть до таких, которые начинают причинять пользователям проблемы. Во время высокой вычислительной нагрузки сразу же включаются вентиляторы, охлаждающие всю систему. Вот только в космосе вентиляторы совсем не помогут, поскольку там нет воздуха, способного подуть на горячий чип. Единственный возможный способ отвести тепло от космического аппарата – это излучение, а на это нужно время. Конечно, тепловые трубки помогут отвести тепло от процессора, но это тепло в итоге должно куда-то деться. Более того, у некоторых миссий очень ограничен энергетический бюджет, и они просто не могут позволить себе такие мощные процессоры, как RAD5545. Поэтому у европейского GR740 рассеиваемая мощность энергии равняется всего 1,5 Вт. Он не самый быстрый из имеющихся, но наиболее эффективный. Он просто даёт вам максимальный объём вычислений на ватт. HPSC с рассеиванием в 10 Вт находится недалеко от него на втором месте, но не всегда.
«У каждое ядро HPSC есть свой модуль одиночного потока команд, множественного потока данных, ОКМД (Single Instruction Multiple Data, SIMD). Технологию ОКМД часто используют в коммерческих настольных и мобильных компьютерах с 90-х годов. Она помогает процессорам лучше справляться с обработкой изображений и звука в видеоиграх. Допустим, нам нужно осветлить картинку. У неё есть множество пикселей, и у каждого из них есть яркость, которую нужно увеличить на два. Без ОКМД процессору нужно будет провести всё это суммирование последовательно, один пиксель за другим. С использованием ОКМД эту задачу можно распараллелить. Процессор принимает несколько точек данных – значений яркости всех пикселей изображения – и выполняет с ними одну и ту же инструкцию, добавляя ко всем двойку одновременно. А поскольку процессор Cortex A53 разрабатывался для смартфонов и планшетов, обрабатывающих большое количество медиаконтента, HPSC тоже способен на это.
»Это особенно выгодно в таких задачах, как сжатие изображений, обработка или стереозрение, — говорит Лавли. – В приложениях, не использующих эту возможность, HPSC работает чуть лучше, чем GR740 и другие быстрые космические процессоры. Но когда её можно использовать, чип серьёзно опережает своих соперников".
Возвращаем научную фантастику в изучение космоса
Разработчики чипов из США тяготеют к более мощным, но и более требовательным к энергии процессорам, поскольку миссии НАСА, как роботизированные, так и пилотируемые, имеют обычно больший масштаб, чем у их европейских коллег. В Европе пока нет планов на обозримое будущее по отправке людей или вездеходов размером с автомобиль на Луну или Марс. Сегодня ЕКА концентрируется на зондах и спутниках, обычно работающих с ограниченным энергетическим бюджетом, поэтому выбор чего-то более лёгкого и очень энергоэффективного, как, например, GR740, имеет больше смысла. HPSC изначально разрабатывался для того, чтобы претворить в жизнь местами научно-фантастические амбиции НАСА.
К примеру, в 2011 году программа Game Changing Development Program от НАСА заказала исследование на тему того, как будут выглядеть вычислительные запросы в космосе через 15-20 лет. Команда экспертов из различных центров агентства составила список задач, которые могли бы решать передовые процессоры в пилотируемых и роботизированных миссиях. Одной из первых выявленных ими задач было постоянное слежение за состоянием оборудования. Эта задача сводится к наличию датчиков, постоянно отслеживающих состояние критически важных компонентов. Для получения данных с высокой частотой со всех этих датчиков требуются быстрые процессоры. Медленный компьютер, возможно, справился бы с задачей, если бы данные поступали к нему где-нибудь раз в 10 минут, но если вам нужно проводить проверку всего оборудования по нескольку раз в секунду, чтобы достичь эффективности, напоминающей мониторинг в реальном времени, ваш процессор должен работать очень быстро. Всё это нужно разработать, чтобы астронавты могли сидеть перед панелью управления, на которой отображалось бы реальное состояние корабля, способной на выдачу голосовых предупреждений и красивой графики. Для поддержки такой графики тоже требуются быстрые компьютеры.
Однако научно-фантастические цели не заканчиваются кабинами пилотов. У астронавтов, исследующих иные миры, скорее всего в шлемы будет встроена система дополненной реальности. Окружающая их среда будет дополнена сгенерированным компьютером видео, звуками и данными с GPS. В теории, дополненная реальность улучшит эффективность исследователей, будет отмечать стоящие для изучения области и предупреждать о потенциально опасных ситуациях. Конечно, встроить дополненную реальность в шлем – это только одна из нескольких возможностей. Среди других упомянутых в исследовании вариантов – переносные устройства по типу смартфонов, и нечто, туманно описанное, как «иные возможности демонстрации информации». Для таких вычислительных прорывов потребуются более быстрые процессоры космического класса.
Также такие процессоры должны усовершенствовать и роботизированные миссии. Один из основных примеров – посадка на сложный участок ландшафта. Выбор участка для посадки на поверхность – всегда компромисс между безопасностью и научной ценностью. Самое безопасное место – это ровная плоскость без камней, холмов, долин и обнажения пород. С научной же точки зрения самое интересное место будет геологически разнообразным, что означает обилие камней, холмов, долин и обнажения пород. Один из способов решить эту проблему – т.н. навигация на основе местности (НОМ). Оснащённые системой НОМ вездеходы смогут распознавать важные приметы, видеть потенциальную опасность и объезжать её, и это может сузить посадочный радиус до 100 м. Проблема в том, что существующие сегодня процессоры космического класса слишком медленные для обработки изображений с такой скоростью. Команда из НАСА запустила тест быстродействия НОМ на RAD 750 и обнаружила, что обновление с единственной камеры проходит за время около 10 секунд. К сожалению, если вы падаете на марсианскую поверхность, 10 секунд – это очень много. Для посадки вездехода на площадку радиусом 100 м обновления с камеры должны обрабатываться ежесекундно. Для точной посадки на площадку в метр понадобится 10 обновлений в секунду.
Среди других вычислительных пожеланий от НАСА – алгоритмы, способные предсказывать надвигающиеся катастрофы на основе показаний датчиков, интеллектуальное построение графика, продвинутая автономность, и т.д. Всё это находится за пределами возможностей текущих процессоров космического класса. Поэтому в исследовании инженеры НАСА приводят свои оценки вычислительной мощности, необходимой для поддержки подобных задач. Они обнаружили, что мониторинг состояния корабля и посадка в сложных условиях потребует от 10 до 50 GOPS (гигаопераций в секунду). Футуристичные научно-фантастические полётные консоли с модными дисплеями и передовой графикой потребуют 50-100 GOPS. То же касается шлемов дополненной реальности или других устройств; они тоже потребляют от 50 до 100 GOPS.
В идеале, будущие космические процессоры смогут влёгкую поддерживать все эти проекты. Сегодня HPSC, работающий в режиме рассеиваемой мощности от 7 до 10 Вт, способен выдавать 9-15 GOPS. Это уже могло бы сделать возможной экстремальную посадку, однако HPSC спроектирован так, что эта цифра может значительно возрастать. Во-первых, в эти 15 GOPS не входят преимущества по быстродействию, получаемые от ОКМД. Во-вторых, этот процессор может работать в связке с другими HPSC и внешними устройствами, например, специализированными процессорами FPGA или GPU. Поэтому у космического корабля будущего может быть несколько распределённых процессоров, работающих параллельно, а специализированные чипы могут заниматься определёнными задачами вроде обработки изображений или сигналов.
Вне зависимости от того, куда направятся мечты человечества о глубоком космосе, инженерам уже известно, на какой ступени развития находится текущие вычислительные мощности. LEON GR740 должен поступить в распоряжение ЕКА в конце этого года, и после прохождения нескольких дополнительных тестов, он должен быть готов к полёту в 2020-м. Производственная фаза HPSC, в свою очередь, должна начаться в 2012 году и закончиться в 2022. На тестирование должно уйти несколько месяцев в 2022-м.
НАСА должна получить готовые к использованию чипы HPSC к концу 2022 года. Это означает, что, без учёта других факторов, усложняющих прогресс, по крайней мере, космический кремний движется в будущее со скоростью, которая позволит ему подготовиться к возвращению людей на Луну к 2024 году.
Автор: Вячеслав Голованов
