لماذا تم تجهيز المركبات الفضائية بمعالجات القرن العشرين

إنه لأمر مدهش ، لكن المركبات الفضائية الحديثة مجهزة بمعالجات قديمة تم تطويرها في القرن العشرين. في هذا المقال ، سنخبرك ما هو سبب هذا الوضع.

السفن الفضائية هي روائع تقنية حقيقية ، ومجهزة بجميع أنواع الإلكترونيات. بالطبع ، يشمل هذا أيضًا المعالجات ، والتي بفضلها يمكن للمعدات إجراء حسابات معقدة للغاية. ومع ذلك ، فإن الرقائق المستخدمة في تطوير وكالة ناسا ووكالات الفضاء الأخرى يمكن أن تبدو في كثير من الأحيان وكأنها أجهزة عفا عليها الزمن والتي توقف إنتاجها منذ فترة طويلة.

عندما نتحدث عن المعالج ، من المحتمل أن تتبادر إلى الذهن على الفور كتل أجهزة الكمبيوتر المكتبية الخاصة بنا. العديد من الرقائق أثرت على صناعة التكنولوجيا. حاليًا ، تم بالفعل تطوير أجهزة كمبيوتر عملاقة قوية ذات قوة حوسبية هائلة. سيكون من المنطقي استخدام معدات مماثلة في مثل هذا المجال التكنولوجي المعقد مثل أبحاث الفضاء. من المؤكد أن الهبوط على القمر أو إطلاق مسبار فضائي ومناورته على مسافة ملايين الكيلومترات من كوكبنا يتطلب قدرًا كبيرًا من القوة الحاسوبية. اتضح أن هذا ليس هو الحال تمامًا ، ومن المحتمل أن يفاجأ الكثير منكم بمدى ضآلة ما يلزم للتحكم ، على سبيل المثال ، في محطة فضائية. بالمناسبة ، فإن العربة الجوالة الجديدة Perseverance ، التي هبطت مؤخرًا بنجاح على الكوكب الأحمر ، تعتمد على معالج RAD750 ، وهو إصدار خاص من PowerPC 750 - قلب أجهزة كمبيوتر iMac G3 التي ظهرت منذ أكثر من 20 عامًا . وطائرة هليكوبتر Ingenuity ، التي تعمل حاليًا أيضًا على سطح المريخ ، مزودة بمعالج Snapdragon 801. تعمل هذه المركبات الفضائية ، التي تؤدي عمليات الحوسبة الأكثر تعقيدًا ، على مثل هذه المعالجات الدقيقة "العادية" أو حتى التي عفا عليها الزمن. لكن من غير المرجح أن يتغير هذا الوضع حتى في المستقبل. دعنا نتعرف على سبب إجبار العلماء في وكالة ناسا ووكالات الفضاء الأخرى على استخدام مثل هذه SoCs الضعيفة.

اقرأ أيضا: إعادة تشكيل المريخ: هل يمكن أن يتحول الكوكب الأحمر إلى أرض جديدة؟

المعالجات الفضائية بطيئة بشكل مدهش

لنبدأ بمثال يجب أن يكون معروفًا للجميع. نحن نتحدث عن الحدث الذي وقع في 16 يوليو 1969. في مثل هذا اليوم، كجزء من مهمة أبولو 11، قامت مركبة الإطلاق SA-506 بإخراج مركبة أبولو الفضائية من الغلاف الجوي للأرض. وبعد 4 أيام، وطأت قدما رائدي الفضاء الأميركيين باز ألدرين ونيل أرمسترونغ سطح القمر لأول مرة في تاريخ البشرية. تم تنفيذ المهمة بنجاح بمساعدة AGC (كمبيوتر التوجيه أبولو)، الذي تم تطويره في عام 1966. كان التصميم مثيرا للاهتمام للغاية من وجهة نظر تكنولوجيا الكمبيوتر، ولكن بالنظر إلى الخصائص التقنية لهذا الجهاز، لا يسع المرء إلا أن يفاجأ بأن المهمة كانت ناجحة على الإطلاق. فكر فقط في أن الشريحة الموجودة على اللوحة تعمل بتردد ساعة يبلغ 2,048 ميجاهرتز فقط وتحتوي على ذاكرة وصول عشوائي (RAM) تبلغ 2048 كلمة فقط. نعم بالضبط الكلمات. وهذا هو، الآن يبدو الأمر لا يصدق، ولكن في ذلك الوقت كان أحد أحدث أجهزة الكمبيوتر.

ومن الجدير بالذكر أن الكمبيوتر المنزلي قدم أداءً مشابهًا Apple الثاني ، صدر بعد بضع سنوات. بعبارة أخرى ، كانت المركبة الفضائية في ذلك الوقت تحتوي على معدات تقنية كانت سابقة لعصرها.

ومع ذلك ، استمرت هذه الحالة حتى نقطة معينة ، وسرعان ما أصبح واضحًا أن الجهاز الأكثر كفاءة ليس بالضرورة هو الحل الأفضل ، وأحيانًا قد يكون أكثر خطورة. كانت نقطة التحول في تاريخ إلكترونيات الفضاء هي تحديد القيم الدقيقة للإشعاع الكوني وتأثيره على التكنولوجيا. لكن كيف يؤثر الإشعاع على المعالج نفسه؟

عندما تم إطلاق المركبة الفضائية الجوزاء ، المجهزة بجهاز كمبيوتر بسيط على متنها ، في الفضاء ، كانت التقنيات المستخدمة في إنشائها ، حتى اليوم ، بدائية للغاية. ومع ذلك ، اتضح أن ذلك يمثل ميزة كبيرة في الفضاء.

في الوقت الحاضر ، عند إنشاء معالجات جديدة ، يتم استخدام المزيد من العمليات التكنولوجية الحديثة ، والآن يمكننا بسهولة شراء المعالجات المجهرية المصنوعة بواسطة الطباعة الحجرية 7 نانومتر. كلما كانت الشريحة أصغر ، قل الجهد المطلوب لتشغيلها وإيقاف تشغيلها. في الفضاء ، يمكن أن يسبب هذا مشاكل خطيرة. الحقيقة هي أنه تحت تأثير جسيمات الإشعاع ، هناك احتمال للتبديل غير المخطط له للحالة التي سيكون فيها الترانزستور. وهذا بدوره يمكن أن يتسبب في توقف الأخير عن العمل في أكثر اللحظات غير المتوقعة ، أو أن الحسابات التي يتم إجراؤها باستخدام مثل هذا المعالج ستكون غير دقيقة. وفي الفضاء ، هذا غير مقبول ويمكن أن يؤدي إلى عواقب مأساوية.

مثال مثير للاهتمام ، على سبيل المثال ، معالج Intel 386SX (نسخة مختصرة من Intel 80386) ، والذي كان يتحكم في ما يسمى بالمقصورة الزجاجية. تم تشغيله بسرعة ساعة تبلغ حوالي 20 ميجاهرتز ، مما يعني أنه يمكنه أداء المهام بسرعة 20 دورة في الثانية. بالفعل في وقت ظهورها لأول مرة في بناء الفضاء ، لم يكن للشريحة سرعة عالية بشكل خاص ، ولكن الأهم من ذلك ، بفضل تردد الساعة المنخفض ، كان المعالج آمنًا.

عند تعرضها للإشعاع ، يمكن أن تتسبب جزيئاته في إتلاف البيانات المخزنة في الذاكرة المؤقتة للمعالج. هذا ممكن في نافذة قصيرة جدًا - يقلل التوقيت المنخفض من ذلك بشكل كبير ، مما يعني أن الدوائر الأسرع أكثر تعرضًا للإشعاع. ببساطة ، يمكن أن يؤثر الإشعاع في النهاية على تخزين البيانات ويتلف المعالج نفسه. هذا غير مقبول في ظل ظروف تشغيل محطة فضائية أو مركبة إطلاق أو مسبار. لن يخاطر أحد بمشروع مليون دولار.

اقرأ أيضا: ما الذي يمكن أن يمنعنا من استعمار المريخ؟

إشعاع مدمر

في وقت ما ، تم تعويض تأثير الإشعاع من خلال التغييرات في عملية الإنتاج نفسها ، على سبيل المثال ، تم استخدام مواد مثل زرنيخيد الغاليوم. ومع ذلك ، كان كل تعديل مكلفًا للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إنشاء أنظمة للمركبات الفضائية في مصانع متخصصة بكميات صغيرة. فقط استخدام تقنية RHBD جعل من الممكن استخدام عملية CMOS القياسية في إنتاج الدوائر الدقيقة المقاومة للإشعاع. كما تم استخدام تقنيات مثل التكرار الثلاثي ، والذي يسمح بتخزين ثلاث نسخ متطابقة من نفس البت في جميع الأوقات. عندما تكون هناك حاجة إليها ، يتم اختيار الأفضل.

تسببت الآثار المدمرة للإشعاع على أنظمة المركبات الفضائية في فشل مهمة فوبوس-جرونت الروسية. شريحة WS512K32V20G24M ، المصممة للطائرات العسكرية ، تعرضت للتلف بسبب الأيونات الثقيلة من الأشعة الكونية. أدى التيار الزائد إلى إتلاف الكمبيوتر ودخله في الوضع الآمن. بسبب مشاكل الاتصال ، لم يكن من الممكن إعادة التشغيل ، مما أدى إلى دخول المسبار إلى الغلاف الجوي واحتراقه.

لذلك ، بالنسبة للمشاريع ذات العمر التشغيلي الطويل ، يتم استخدام كتل متينة حقًا. على سبيل المثال ، تم تجهيز تلسكوب هابل في الأصل بوحدة 8-bit Rockwell Autonetics DF-224 بتردد ساعة يبلغ 1,25 ميجاهرتز. سرعان ما أصبح واضحًا أن هذه كانت فكرة سيئة ، وكان على ناسا أن تمر بعملية استبدال الشريحة بشريحة إنتل. في عام 1993 ، تم تكييف التلسكوب لدعم Intel 386 ، وخلال مهمة الخدمة 3A في عام 1999 ، تم استبدال زوج من رقائق DF-224 و Intel 386 بشريحة Intel 486.

لقد قدمنا ​​بالفعل مثال المحطة الفضائية هنا. يبدو أن مثل هذا الهيكل الكبير والمعقد يجب أن يكون لديه نظام فعال للغاية على متنه. ولكن هذا ليس هو الحال. من المعروف أن الكمبيوتر الرئيسي في محطة الفضاء الدولية (ISS) يعمل على وحدة Intel 386 التي سبق ذكرها، ويتم استخدام مجموعتين من ثلاثة أجهزة كمبيوتر بشكل أساسي - واحدة روسية وأخرى أمريكية. دعونا أيضًا نلقي نظرة على المركبة الفضائية نيو هورايزنز الأحدث كثيرًا، والتي حلقت بالقرب من بلوتو في عام 2015 واستهدفت حزام كويبر. كانت شريحة Mongoose-V المقاومة للإشعاع بتردد ساعة 15 ميجا هرتز، والقادرة على أداء المهام بسرعة 40 ألف دورة في الثانية، مسؤولة عن معظم الوظائف في هذا الجهاز. وأدائه قريب من أداء المعالج الذي تعمل عليه وحدة التحكم PlayStation.

عندما ننظر حتى إلى المركبات الفضائية الحديثة جدًا ، نرى أن المصممين يستخدمون حلولًا غالبًا ما تكون منذ عدة عقود. في الآونة الأخيرة ، شاهد العالم بأسره هبوط مركبة Curosity على المريخ. كان قليلون قد توقعوا أن المعالج BAE RAD750 كان يعمل بسرعة 200 ميجاهرتز فقط ، وهو نسخة محسنة من شريحة IBM PowerPC 750. إذا كنت تمتلك جهاز كمبيوتر في أي وقت مضى Apple، ربما تعرف هذا المعالج من سلسلة iMac. علاوة على ذلك ، فقد استخدم أيضًا المعالجات الدقيقة الأقل كفاءة من وحدة تحكم Nintendo Wii. فيما يتعلق بمتطلبات التشغيل في ظروف الإشعاع المتزايد ، تم تقليل تردد الساعة بأكثر من ثلاث مرات.

لقد ذكرنا بالفعل أن العربة الجوالة Perseverance تعمل أيضًا على معالج تم إصداره منذ أكثر من 20 عامًا. بعبارة أخرى ، لم يتغير شيء ، والمركبات الفضائية التي تكلف ملايين الدولارات تستخدم المعالجات الدقيقة التي تم إطلاقها في القرن الماضي. بغض النظر عن كيف يبدو ، لكنه صحيح.

اقرأ أيضا: مساحة على جهاز الكمبيوتر الخاص بك. 5 أفضل تطبيقات علم الفلك

البرامج وأجهزة الكمبيوتر التي تشغل Crew Dragon و Falcon و Starlink

قررنا أن نكتشف بمزيد من التفصيل ما يتم استخدامه كبرنامج ، باستخدام مثال Crew Dragon الشهير و Falcon و Starlink.

عندما نسمع اسم المركبة الفضائية Crew Dragon ، يفكر الكثير من الناس في الشاشات الثلاث التي تعمل باللمس وواجهة التحكم الزرقاء التي رأيناها أثناء البث. لا يزال هناك الكثير من الجدل حول جدوى التحكم في المركبة الفضائية باستخدام شاشات اللمس بدلاً من الأزرار والمفاتيح وأذرع التحكم. (سبيس اكس) اختاروا هذا الخيار لأن هدفهم كان تصميم السفينة بطريقة لا تتطلب أي تحكم ، وفي نفس الوقت ، كان للطاقم دائمًا إمكانية الوصول إلى أكبر قدر ممكن من المعلومات. السفينة مستقلة تمامًا ، والشيء الوحيد الذي يجب على رواد الفضاء التحكم فيه يقتصر على أنظمة المقصورة الداخلية ، مثل حجم نظام الصوت. يجب أن يتم التحكم في رحلة السفينة وأهم أنظمةها من قبل رواد الفضاء فقط في حالات الطوارئ ، وحاولت SpaceX بمساعدة رواد الفضاء أنفسهم تطوير أفضل واجهة رسومية لهذه المهام.

ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أنه يمكن التحكم في الوظائف الرئيسية للسفينة باستخدام الأزرار الموجودة أسفل الشاشة. يتمتع الطاقم بالقدرة على بدء تشغيل نظام إطفاء الحريق ، وفتح المظلات عند دخول الغلاف الجوي مرة أخرى ، ومقاطعة الرحلة إلى محطة الفضاء الدولية ، وبدء هبوط طارئ من المدار ، وإعادة ضبط أجهزة الكمبيوتر الموجودة على متن الطائرة وتنفيذ مهام الطوارئ الأخرى. تسمح الرافعة الموجودة أسفل الشاشة الوسطى لرواد الفضاء ببدء نظام الإخلاء. لديهم أيضًا أزرارًا تبدأ وتلغي الأوامر التي تم إدخالها باستخدام شاشات العرض. بهذه الطريقة ، إذا نفذ رائد الفضاء أمرًا على الشاشة وفشل ، فسيظل لديه القدرة على إلغاء الأمر بالضغط على زر أسفل الشاشة. تم أيضًا اختبار وضوح الشاشات وإمكانية التحكم فيها في ظل ظروف الاهتزاز ، وأجرى فريق الاختبار ورواد الفضاء العديد من الاختبارات في القفازات وبدلات الفضاء المختومة.

ربما يكون أهم متطلبات نظام التحكم في الصواريخ والسفن ، بالطبع ، الموثوقية. في حالة صواريخ SpaceX ، يتم ضمان ذلك ، أولاً وقبل كل شيء ، بسبب التكرار في النظام ، أي بسبب استخدام عدة مكونات متطابقة تعمل معًا ويمكن أن تضاعف وتكمل بعضها البعض. على وجه الخصوص ، يحتوي Falcon 9 على ما مجموعه ثلاثة أجهزة كمبيوتر منفصلة على متن الطائرة. يقرأ كل جهاز من أجهزة الكمبيوتر هذه البيانات من مستشعرات وأنظمة الصاروخ ، ويقوم بإجراء الحسابات اللازمة ، ويتخذ قرارات بشأن المزيد من الإجراءات ويولد أوامر لاتخاذ تلك القرارات. جميع أجهزة الكمبيوتر الثلاثة متصلة ببعضها البعض ، وتتم مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها وتحليلها.

تعتمد أجهزة الكمبيوتر على معالجات PowerPC ثنائية النواة. مرة أخرى ، يقوم كلا المركزين بإجراء نفس العمليات الحسابية ، ومقارنتها ببعضها البعض ، والتحقق من الاتساق. وهكذا ، في حين أن التكرار في الأجهزة يبلغ ثلاثة أضعاف ، فإن التكرار الحسابي للبرامج يبلغ ستة أضعاف. في الوقت نفسه ، يمكنك إعادة الكمبيوتر المعيب إلى حالة العمل ، على سبيل المثال ، عن طريق إعادة التشغيل. في حالة فشل الكمبيوتر الرئيسي ، يتولى أحد أجهزة الكمبيوتر المتبقية المهمة.

في حالة حدوث مشاكل مع أجهزة الكمبيوتر أو الأنظمة الأخرى ، يعتمد مصير المهمة على قرار نظام سلامة الطيران المستقل (AFSS). هذا نظام كمبيوتر مستقل تمامًا على متن الطائرة يعمل على مجموعة من عدة وحدات تحكم دقيقة (أجهزة كمبيوتر صغيرة) ، ويتلقى نفس البيانات من أجهزة الاستشعار ونتائج الحساب والأوامر من أجهزة الكمبيوتر الموجودة على متن الطائرة ويتحكم في المسار الآمن للرحلة.

للتأكد من أن جميع أجهزة الكمبيوتر لديها دائمًا البيانات الأكثر موثوقية الممكنة ، فإن معظم أجهزة الاستشعار زائدة عن الحاجة ، وكذلك أجهزة الكمبيوتر التي تقرأ هذه البيانات ثم ترسلها إلى أجهزة الكمبيوتر الموجودة على اللوحة. بالطريقة نفسها ، يتم تكرار أجهزة الكمبيوتر التي تتحكم في الأنظمة الفرعية للصواريخ الفردية (المحركات ، والدفات ، وفوهات المناورة ، وما إلى ذلك) بواسطة أوامر الكمبيوتر الموجودة على متن الطائرة. وبالتالي ، يتم التحكم في Falcon 9 بواسطة شجرة كاملة تتكون من 30 جهاز كمبيوتر على الأقل. في الجزء العلوي من الشجرة توجد أجهزة كمبيوتر داخلية تدير شبكة من أجهزة الكمبيوتر التابعة. لكل منها قناة اتصال خاصة بها مع كل كمبيوتر على اللوحة بشكل منفصل. لذلك جاءت جميع الفرق إليه ثلاث مرات.

ولكن كما ترون ، تعتمد جميع أجهزة الكمبيوتر الموجودة على اللوحة على شرائح صغيرة بسيطة ، وليست دوائر دقيقة متطورة للحواسيب الفائقة الحديثة.

اقرأ أيضا: الكون: أكثر الأجسام الفضائية غرابة

مستقبل رقائق الفضاء

لا يعني استخدام المعالجات القديمة نسبيًا عدم إنشاء معالجات جديدة. الأمر مجرد أن عملية إنشائها صعبة للغاية وتستغرق الكثير من الوقت. يجب أن يكون مفهوماً أيضًا أن كل هيكل سيتم استخدامه في الفضاء يجب أن يفي بمتطلبات فئة MIL-STD-883. وهذا يعني اجتياز أكثر من 100 اختبار طورته وزارة الدفاع الأمريكية ، بما في ذلك اختبارات الرقائق الحرارية والميكانيكية والكهربائية وغيرها. معظم المعالجات التي اجتازت هذا الاختبار مصنوعة فقط من الجزء المركزي من رقاقة السيليكون. هذا لأنه هنا أقل احتمالية لحدوث عيوب الحواف.

تتضمن قائمة المشاريع الخاصة بالمركبات الفضائية المستقبلية ، من بين أمور أخرى ، سلسلة أنظمة HPSC التي طورتها وكالة ناسا. كما هو متوقع ، يجب أن تكون المعالجات جاهزة في مطلع 2023 و 2024. يجب أن يكون أداؤها أكثر من 100 مرة من أسرع الأنظمة المستخدمة حاليًا في المركبات الفضائية. يركز الأمريكيون على تطوير الرقائق التي يمكن أن تساعد في غزو القمر والمريخ. لكن حتى الآن هذه ليست سوى مشاريع.

تتخذ وكالة الفضاء الأوروبية ، التي طورت رقائق تعتمد على بنية SPARK مفتوحة المصدر لفترة طويلة ، نهجًا مختلفًا بعض الشيء. أحدث منتج من هذا القبيل هو طراز GR740 من عائلة LEON4FT. يجب أن يكون هذا المعالج رباعي النواة 250 ميجاهرتز ، والمجهز بمحول شبكة جيجابت و 2 ميجابايت من ذاكرة التخزين المؤقت L1000 ، منصة مناسبة للمركبات الفضائية غير المأهولة والأقمار الصناعية. وفقًا لحسابات العلماء ، يجب أن يضمن تصميم وخصائص المعالج تشغيله الطبيعي حتى بعد 300 عام. يضمن العلماء أنه بعد 250 عام فقط من تشغيل الشريحة ، يمكن أن يحدث خطأ واحد على الأقل. هذا يلهم الثقة في قوة ومتانة المركبة الفضائية ، لأن الرحلة إلى المريخ نفسه ستستغرق حوالي 300-XNUMX يوم ، وهذا مجرد مسار مناسب. تتجول المسابر أحيانًا في الفضاء لسنوات.

ومن الجدير بالذكر أنه في عام 2017، أطلقت HPE وNASA أول كمبيوتر تجاري عالي الأداء على متن صاروخ SpaceX Falcon 9. خادم HPE Apollo 40 ثنائي المقبس مزود بمعالجات Intel Broadwell وسرعة 56 جيجابت/ وصلت واجهة البرنامج إلى محطة الفضاء الدولية. إذا صدق العلماء، فإن أداءه كان 1 TFLOPS فقط، لكنه لا يزال كثيرًا بالنسبة لظروف الفضاء.

إنه يوضح مدى صعوبة تصميم الرقائق للاستخدام خارج كوكبنا ، ومقدار العمل الذي يجب القيام به للحاق بمعالجات أجهزة الكمبيوتر المنزلية السائدة على الأقل.

لكن العلماء يبذلون جهودًا كبيرة لتطوير أقوى الرقائق الدقيقة التي لن تدعم تشغيل المركبات الفضائية فحسب ، بل ستكون أيضًا محمية بشكل موثوق من الإشعاع والإشعاع في الفضاء. ربما تغير الحواسيب الكمومية الوضع ، لكن هذه قصة أخرى.

اقرأ أيضا:

• هل يمكن أن تتكون المادة المظلمة من ثقوب سوداء بدائية؟ ماذا يعتقد علماء الفيزياء الفلكية؟
• المريخ على اتصال! حول تعقيدات الاتصالات الفضائية
• حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية بكلمات بسيطة