Компьютеры которые помогли человеку полететь в космос
Москва, 21 мая - "Вести.Экономика" Кто из нас не мечтал стать в детстве космонавтом? Дома мы склеивали из картона межзвездные корабли и смотрели из вырезанного ножницами иллюминатора в свернутый лист бумаги, воображая, что это самый настоящий телескоп. Глядя на карту звездного неба, мы строили маршруты к далеким неизведанным планетам и говорили в воображаемый радиопередатчик: «Земля, Земля, говорит Альфа Центавра. Как слышно? Прием!».
Но вот мы выросли, и, к сожалению, для многих детская мечта так и осталась мечтой. Сотням кандидатов в космонавты с отменным здоровьем и отличной подготовкой не посчастливилось покинуть пределы атмосферы Земли. А многие даже не решились на обучение по данному профилю.
Однако для того, чтобы прикоснуться к загадкам вселенной, вовсе не обязательно покидать нашу планету, особенно если вы ИТ-специалист. Освоение космоса и развитие информационных технологий зарождались одновременно, а сегодня без ИТ просто невозможно представить себе изучение вселенной. О трендах и взаимосвязи этих двух сфер изданию "Вести.Экономика" рассказал Олег Мансуров, руководитель конкурса для ИТ-специалистов «Цифровой прорыв» платформы «Россия — страна возможностей».
Спутник из принтера
В аэрокосмической отрасли стала активно применяться 3D-печать. С помощью 3D-принтера сегодня можно изготовить если не все, то многое, начиная от прототипа деталей ракетных двигателей и заканчивая корпусами космических спутников. Это позволяет в разы сокращать время на производство отдельных деталей, увеличивать их эксплуатационные характеристики и, что немаловажно, снижать стоимость продукции.
Принтеры могут помочь не только в строительстве космических объектов на Земле, теперь аппараты направляют на околоземную орбиту. На Международной космической станции эксперименты с 3D-печатью проводятся с 2014 года. Первым изделием, «напечатанным» на MKC, стал гаечный ключ. Экипажи работают на борту многие месяцы, за это время неизбежно происходят поломки и аварии, поэтому изготовление на 3D-принтере инструментов и запчастей для различных систем — стратегически важное преимущество. Особенно остро эта задача стоит перед экипажами, которые будут задействованы в длительных экспедициях на Марс или другие объекты солнечной системы, там помощи космонавтам ждать будет неоткуда и обеспечение автономности станет одним из главных условий выживания.
Еще одна задача, которая стоит перед учеными, — изготовление на 3D-принтере внеземных сооружений. Считается, что при «печати» надежных убежищ на Луне или Марсе самым оптимальным вариантом будет использование геологических пород самих объектов. При разработке подобных проектов экспертам придется учитывать множество осложняющих процесс факторов: от радиационного излучения и экстремально низких температур до пылевых бурь и отсутствия воздуха. Сооружения должны быть максимально прочными и защищенными, чтобы можно было в дальнейшем использовать их для работы космонавтов, а может быть даже и колонизации.
Компьютеры управляют телескопами
Космический телескоп Хаббл почти три десятка лет снимает и передает на Землю фотографии «далекого космоса», сверхмассивных черных дыр, процессы зарождения и смерти звезд, благодаря его исследованиям ученым удалось установить точный возраст нашей Вселенной, который составляет 13,7 млрд лет. Все эти невероятные явления и открытия Хаббл сделал под управлением двух компьютеров, а также нескольких сложных подсистем. Один из компьютеров отвечает за работу инструментов и связь со спутниками, второй — управляет навигацией. Каждый день «космическое око» передает на Землю до 15 ГБ данных.
Существуют также радиотелескопы, которые не могут выстраивать оптические изображения, однако они превосходят в своей «зоркости» последних. Например, радиотелескоп Square Kilometre Array (SKA) после запуска будет генерировать 1 эксабайт данных ежедневно, что превышает трафик всего интернета на сегодняшний день. Такие беспрецедентно огромные потоки информации будут обрабатываться суперкомпьютерами. Работа над SKA один из масштабнейших проектов в сфере телескопостроения. Чтобы успешно решить задачи по работе с «большими данными», ученые ведут разработки сразу в нескольких направлениях: создание сверхскоростных магистралей для передачи данных, конструирование устройств для хранения данных нового поколения, а также разработка вычислительных мощностей.
Моделирование сложных процессов
Еще одна сфера применения компьютеров в космических исследованиях — это моделирование. Оно применяется для замены реального физического эксперимента компьютером и помогает производить контроль и оценку качества проектных решений.
Самый масштабный проект космической симуляции — LSS, или «Большой космический симулятор». Находится он в филиале Европейского космического агентства — ESA. Там ученые моделируют ситуации, которые могут происходить в космическом пространстве с различными объектами, а также проводят испытания космического оборудования, создавая для него экстремальные условия, с которыми оно может столкнуться в процессе эксплуатации. Например, воспроизводят условия схожие с выбросами потоков солнечной плазмы, проводят эксперименты при сверхнизких температурах и высочайшем давлении.
Детальная запись наблюдений таких испытаний помогает ученым значительно продвинуться в изучении поведения запускаемых с Земли объектов в космическом пространстве и предотвратить множество проблем, которые случаются во время полетов.
Отправка человека на Марс или другие планеты сопряжена со сложностями и угрозами для жизни, поэтому учеными разрабатывается роботизированная техника, призванная заменить человека в непростом деле — покорении новых космических земель. В LSS производится моделирование различных ситуаций, которые позволяют оценить функциональность роботов и роботизированных транспортных средств.
Искусственный интеллект покоряет космическое пространство
Пока корпорации используют возможности искусственного интеллекта(ИИ) для поиска потенциальных покупателей и прогнозирования их привычек, ученые решают, как можно использовать ИИ для изучения космоса и как варианты его применения поистине потрясают воображение. ИИ блестяще справляется с анализом больших массивов данных, особенно если это визуальная информация. Поэтому ему поручают поиск экзопланет — планет, пригодных для жизни, например, в созвездии Дракона была открыта система Kepler-90, которую называют двойником нашей Солнечной системы.
Наша ближайшая соседка — Луна — также не осталась без внимания. ИИ уже составляет детализированную карту ее поверхности и определяет местоположение кратеров на полюсах, которые трудноразличимы для человеческого глаза, это поможет разрабатывать оптимальные маршруты для луноходов. Алгоритмы машинного обучения позволят астрономам определять орбиты комет и астероидов, чьи траектории пролегают близко к нашей планете. ИИ определяет место на марсе, луне, куда можно приземлить космический аппарат без участия человека. В дальнейшем планетоходы планируется делать полностью автономными, что сделает исследование планет намного эффективнее.
Сейчас ученые озабочены поиском так называемых гравитационных линз. Это галактики или черные дыры, которые для наблюдателя с Земли оказываются позади источника света (звезды), вследствие чего, свет искривляет пространство вокруг объекта, превращая его в линзу. Изучение таких линз помогает ученым исследовать невероятно далекие уголки вселенной.
Для обучения нейронной сети по поиску гравитационных линз было создано около 6 миллионов ложных изображений, на которых ИИ училась отличать реальные объекты от несуществующих, и после тонкой настройки она смогла с высокой точностью находить гравитационные линзы. Кроме того, ИИ поможет ученым в прогнозировании солнечных вспышек, классификации галактик, мониторинга здоровья космонавтов во время пребывания в космосе, в обработке фотографий астрономических объектов, получаемых с помощью телескопов и многих других задач, где необходим анализ большого количества данных.
Звезды в кармане
Помимо промышленных и научных решений, разрабатывается множество интересных приложений и программ для людей, интересующихся космической тематикой. Сегодня каждый может, не выходя из дома, изучать звездное небо или следить за «сводками» космических явлений. Например, приложение Solar Walk с помощью 3D-модели поможет изучить солнечную систему. А приложение Redshift дает возможность примерить на себя роль пилота космического корабля.
Night Sky Lite оповестит о предстоящем звездопаде и подскажет откуда ожидать метеорный поток. А, скажем, приложение «МКС Детектор» известит пользователя о том, что через несколько минут у него над головой пролетит орбитальная станция, которую можно будет увидеть невооружённым взглядом. Для любителей наблюдений за планетами есть приложение Planet’s Position, оно следит за положением планет на ночном небе, а также может подсказать, когда произойдет ближайшее солнечное или лунное затмение.
12 апреля 1961 года мир изменился: в космосе побывал первый человек, Юрий Гагарин. Его не стало задолго до того, как автор этого поста родился, но для меня, как и для многих саратовцев, Юрий Алексеевич был близким человеком. Он учился в Саратове, там он впервые поднялся в воздух на учебном самолете, туда вернулся после полета в космос. Память о Юре сохранилась в городе, его именем назван колледж, который он когда-то закончил , а на набережной Волги стоит памятник нашему почти земляку.
Но пост не об этом. Запуск ракеты в космос требовал очень сложных расчетов, которые вручную сделать было бы слишком долго. И уже тогда советские ученые использовали компьютеры отечественной разработки и производства. А точнее – ЭВМ «Стрела».
История вопроса
Расчеты велись в НИИ-4 – научно-исследовательском реактивном институте Главного артиллерийского управления. Его создали в 1946 году. Тогда в стране завершалась разработка ядерных боеприпасов, и руководство страны задумалось о создании ракетных войск, способных «доставить» опасный груз на большое расстояние.
То есть изначальные задачи были именно военными, а полеты в космос были, скажем так, чем-то побочным. Интересно, что собственный компьютер в НИИ-4 появился как раз к полету Гагарина, тогда как для полетов искусственных спутников и животных применяли старые-добрые логарифмические линейки. А когда надо было посчитать что-то совсем сложное, приходилось идти в первый вычислительный центр (ВЦ-1) министерства обороны СССР, где из соображений секретности работали по ночам. Тогдашние ЭВМ выдавали такое лютое электромагнитное излучение, что его можно было засечь и расшифровать снаружи. У органов были подозрения в наличии желающих сделать это.
Со своим компьютером дела в НИИ-4 пошли быстрее. Нельзя утверждать, что без него полет не случился бы. Но, скорее всего, дату пришлось бы подвинуть на более позднюю.
Смешные скорости
Электронная вычислительная машина «Стрела» была разработана в Москве в 1953 году. Коллектив разработчиков в 1954 году получил за труды Сталинскую премию. Кстати, эта премия стала последней из врученных, потому что сам Сталин умер в 1953-м, не оставив завещания, а денежный фонд формировался из его гонораров за публикации статей и книг.
ЭВМ «Стрела» занимала площадь 300 квадратных метров и потребляла 150 КВт энергии (половина шла на охлаждение и вентиляцию). Круглосуточно работать «Стрела» не могла, максимальное время непрерывной работы составляло 18 часов, после чего ее требовалось выключать на 6-8 часов.
Хороших фотографий "Стрелы" осталось мало, потому что и камеры тогда были не у каждого, и само фотографирование важных узлов, мягко говоря, не поощрялось
Хороших фотографий "Стрелы" осталось мало, потому что и камеры тогда были не у каждого, и само фотографирование важных узлов, мягко говоря, не поощрялось
Быстродействие "Стрелы" составляло 2000 операций в секунду. Просто для сравнения, любой бытовой процессор в ноутбуке сейчас выполняет миллиарды операций в секунду, потребляя при этом несколько ватт. Но в 1953 году и такая скорость была потрясающей.
В «Стреле» было 6200 электровакуумных ламп и 60 000 полупроводниковых диодов. Оперативная память на электронно-лучевых трубках вмещала 2048 43-разрядных слов. Постоянное запоминающее устройство было на полупроводниковых диодах, а внешнее – на двух накопителях на магнитной ленте. Ввод данных осуществлялся с перфокарт и с магнитной ленты, а вывод на магнитную ленту, перфокарты и даже на широкоформатный принтер (!). Самый последний вариант «Стрелы», который поставили в НИИ-4, использовал память на магнитном барабане (4096 слов), вращающемся со скоростью 6000 оборотов в минуту.
Всего было изготовлено семь экземпляров «Стрелы». Один из них достался мехмату МГУ, а остальные применялись в военных и космических целях.
Дальше – больше
Вопреки распространенному мнению о шельмовании компьютерной науки в СССР, собственное производство компьютеров и разработка платформ в стране шла весьма бодро. Наследница «Стрелы» под названием М-20 была в десять раз быстрее и потребляла в три с половиной раза меньше энергии, хотя разработана была всего пять лет спустя.
К сожалению, потом было принято решение об отказе от самобытного развития и копирования западных разработок, что привело к существенному отставанию. Тем не менее, сейчас даже как-то трудно представить, что всего 30 лет назад даже в Пензе существовало производство ПК полностью из отечественных компонентов.
Военные компьютеры частично из собственных деталей Россия уже потихоньку делать научилась. Интересно, дойдет ли снова до массового сегмента.
Подробнее о технических особенностях «Стрелы» можно почитать здесь .
P.S. Наш читатель Гавриил Григорьевич Чернобельский прислал рассказ о своем опыте работы на «Стреле»:
Одна из машин была у нас. Мне позволили делать на ней расчеты при изготовлении дипломной работы. Тогда уже на ней работала программа численного интегрирования уравнений движения ИСЗ, но еще только в сферическом описании фигуры Земли. Потом мне поручили значительно расширить правые части уравнений для учета влияния несферичности Земли, влияния атмосферы Земли и притяжения Луны, а также учета влияния на движение ИСЗ управляющих импульсов скорости. Все это было необходимо для подготовки полета первых маневрирующих спутников » Полет 1″ и «Полет 2» . Особенно нравилось печатающее устройство . Там цифропечать производилась на узкий рулон бумаги (вроде теперешней туалетной), на которую накладывалась такой же ширины тканевая лента, пропитанная чернилами. Так как эта лента часто пересыхала, то у печатающего устройства стоял один из программистов с консервной банкой, в которой были налиты чернила, и палкой с намотанной на нее тряпкой постоянно подмазывал эту ленту. Поэтому на ленте цифропечати иногда появлялась огромная клякса… и тогда нужно было проводить весь расчет заново, начиная со ввода колоды перфокарт с текстом программы. Помню и последнюю ночь работы на ней. В вестибюле у машинного зала уже стояли ящики с новой М-20. Когда утром я приехал на работу, в машинном зале уже вовсю кипел апгрейд. Одни мужики на тачках вывозили радиолампы от «Стрелы», другие ломами выдирали из шкафов сверкающие золотом листы латуни, а третьи резали на куски железные шкафы. Уже через 2 недели работала М-20
В апреле этого года на Марс высадился ровер Perseverance. Он стоил NASA 2,2 миллиарда долларов и на сегодняшний день это самый современный и продвинутый робот за пределами Земли. Однако, для многих может стать реальным сюрпризом, что работает такая дорогая и продвинутая штука на процессоре с частотой всего 200 МГц. И фактически это модифицированная версия PowerPC 750, который стоял в разноцветных iMac G3 - не последних тоненьких, а тех, что еще из конца 90-х годов с электронно-лучевой трубкой. Многие из вас может еще не родились, когда их выпустили. Также на бортовом компьютере марсохода всего 256 МБ оперативной памяти и всего 2 ГБ флеш-памяти.
Подобным же образом обстоят дела и с другими космическими миссиями. Совершенно обычная ситуация, когда в часах у вас на руке железо стоит более продвинутое и мощное, чем в научных инструментах в миллионах километров от Земли за миллиарды долларов. Даже если это часы на Android Wear.
Так что сегодня будем разбираться в том, какие процессоры и прочие железки устанавливают в космических аппаратах, почему там не используют самые современные AMD Ryzen, Intel Xeon и Apple Silicon, и что бывает, если к подбору компонентов относиться без должного уважения.
Это наш совместный сюжет с автором подкаста “Теория Большой Бороды” и канала “Давайте Разбираться” - Антоном Поздняковым.
Время разработки
Действительно, космические технологии, которые вроде как должны быть на пике всего, что существует в мире. Зачастую они могут использовать процессоры, которые в консьюмерском мире могут считаться устаревшими на пару десятков лет. Но, естественно, это делается не просто так и на то есть серьезные причины.
Во-первых, в космических делах довольно много зависит от планирования. Космическая индустрия крайне инертная и неторопливая. От проекта до запуска может легко пройти несколько десятков лет. То есть какой-нибудь зонд, который будет запущен в этом десятилетии мог начать разрабатываться, когда условного iPhone еще даже в проекте не было. А некоторые миссии могут потом еще и лететь до своей цели довольно долго.
Например, зонд Новые Горизонты, который прислал нам замечательные фотографии Плутона, был запущен в 2006 году, а долетел аж через девять лет, в 2015 году. В его бортовом компьютере, кстати, был установлен процессор на невероятных 12 МГц, который являлся модифицированной версией 32-битного R300, версия которого стояла еще в самой самой первой PlayStation.
Тот же марсоход Perseverance, который мы приводили в пример, тоже начали разрабатывать очень давно. Вообще у него очень много общего с Curiosity полетевшего к Марсу еще в 2012, а работа над его хардверной и софтверной частью вообще завершилась в далеком 2008 году. И, получается, что начиналось то планирование этих миссий не так уж далеко от момента, как были представлены те самые iMac G3 на PowerPC 750.
Отчасти именно поэтому в космических миссиях летает такое старое железо, ведь оно должно закладываться на ранних стадиях планирования. Вокруг бортовых компьютеров наращиваются дополнительные системы, научные приборы, пишется специфический софт, прорабатываются средства связи с Землей и так далее. А перед запуском нельзя просто взять и поменять процессор на другой побыстрее. Тут слишком много рисков. Вот и получается, что зачастую летит та железка, которую запланировали в ходе проекта за несколько десятков лет до непосредственной работы.
Температурный режим
Но долгое планирование далеко не единственная причина не самого мощного железа. Не стоит забывать, что космос это очень суровое место, где все должно выживать в очень жестких условиях.
Например, космический компьютер должен выдерживать очень большие перепады температуры. Многие наверняка слышали, что в космосе всегда абсолютный ноль, но это не совсем так. Температура это ведь мера среднего движения частиц. А так как частиц в космосе очень мало, то и определение температуры как бы теряет смысл.
Вообще, как в открытом космосе, так и, например, на Луне, проблема перегрева стоит гораздо острее, чем проблема переохлаждения. Инструменты сами греются, а еще на них может светить Солнце.
Но основная причина в том, что там нет воздуха - почему это важно - сейчас объясним! В привычных нам условиях остывание происходит за счет конвекции. Тепло передается воздуху, он нагревается, улетает, на его место приходит холодный и так далее. В космосе такой роскоши нет.
Единственный способ там остывать — с помощью инфракрасного излучения, что не так и эффективно. Например, если внимательно посмотреть на МКС, то можно увидеть вовсе не солнечные батареи, а как раз радиаторы для отвода тепла. Без них станция просто перегреется, несмотря на то, что вокруг нее вроде как почти космос с абсолютным нулем.
И даже на Марсе, где есть разреженная атмосфера, тоже очень жесткие перепады температуры от ночи ко дню — с суточным разбросом больше сотни градусов Цельсия.
Поэтому, собственно, и чипы, которые устанавливаются в космические аппараты, да и всё остальное оборудование, должны выдерживать как очень низкие, так и очень высокие температуры.
Для процессора на Perseverance это окно составляет от -55 до 125 градусов Цельсия.
Коммерческие процессоры довольно быстро загнулись бы в таких условиях. Так что тут во главе угла надежность, ведь никто не хотел бы потерять миссию, над которой работали 15 лет и вложили в нее 2 миллиарда, просто потому что отказал недостаточно надежный процессор.
Радиация и техпроцесс
Все так, но температурный режим - далеко не самая большая опасность, которую космос несет для чипов. Куда неприятнее радиация, которой в космосе довольно много. Она прилетает как от галактического фона, так и от Солнца. Это высокоэнергетические космические лучи, которые прошивают все на своем пути, и не только разбивают живые клетки и ломают молекулы ДНК, но и приборы тоже совершенно не щадят.
На Земле от нее нас защищает магнитное поле и атмосфера. Собственно, поэтому, например, на МКС, которая летает на высоте около 400 километров, люди могут довольно спокойно оставаться порядка года, а также там используют вполне себе современные железки вроде ноутбуков, фотоаппаратов и так далее.
Но за пределами магнитного поля всё сложнее. Космические лучи, пролетая через чип, могут вызывать кучу неприятностей, которые могут быть как обратимы, так и необратимы.
Они могут менять состояние ячеек памяти или регистра, внося неразбериху в данные, а также навсегда выводить их из строя, что может сказаться на работоспособности всего чипа, а следовательно и представлять угрозу для вообще всей миссии.
Ионизирующая радиация может создавать электромагнитный шум или внезапные электрические импульсы, что может защелкивать транзисторы в неправильном положении или даже повреждать дорожки проводников.
Поэтому, кстати, процессоры сделанные по очень маленькому техпроцессу могут не подходить для космоса в принципе, ведь при достаточно близком расположении, их гораздо легче замкнуть между собой пролетающим космическим лучом.
Вообще для использования в космосе процессоры проходят очень серьезную подготовку для противостояния радиации. Например, на подложку вводят специальный слой из оксида кремния или сапфира для изоляции. Используют специальные транзисторы с более высоким током переключения. Вместо DRAM на конденсаторах используют более защищенную, но и более дорогую SRAM. Сами камни процессоров делаются более большими и покрываются специальной изоляцией на основе бора.
Кроме физических защит также используют и разные программные трюки вроде системы коррекции ошибок, независимых дублирующих элементов, хранения одних и тех же битов в нескольких физических копиях и так далее.
Тот самый чип RAD750 на компьютерах марсоходов Perseverance и Curiosity — а на каждом ровере их, к слову, по две штуки дублирующих друг друга — хоть и сделан на основании PowerPC 750, но фактически он полностью переизобретен в плане защиты. Кроме температурных режимов он может выдержать 1 миллион Рад, что на 6 порядков больше типичных консьюмерских процессоров.
Кристал защищенной версии почти вдвое больше, чем у оригинального камня, а в производстве использовались техпроцессы в 150 и 250 нанометров. И вся эта процедура совсем недешевая. Один такой процессор от BAE Systems стоил почти четверть миллиона долларов — такие процессоры стоили безумных денег еще пока это не стало мейнстримом с текущим дефицитом полупроводников.
Но такая стоимость тоже не берется с потолка и если пренебречь безопасностью, то все может пойти очень сильно не так в прямом смысле этого слова. И такие примеры тоже были.
Фобос-Грунт
Вот, например, в 2011 году Роскосмос запустил миссию Фобос-Грунт, которая, как нетрудно догадаться, должна была тоже лететь в сторону Марса и предметно исследовать один из его двух спутников. Однако, до своей цели станция так и не долетела, не покинув даже орбиту Земли.
Так что вместо Фобоса, Фобос-Грунт полетел, так сказать, исследовать наш земной океан, где он был затоплен и остается там до сих пор.
Причиной отказа аппарата признали SRAM чип с вот таким не слишком запоминающимся названием - WS512K32V20G24M. Его как раз и пробил космический луч, после чего процессор ушел в безопасный режим и вся миссия закончилась толком не начавшись. А все дело в том, что этот чип был сделан и протестирован не для космоса, а для самолетов. Пусть военных, но все же самолетов.
По информации военной газеты «Красная Звезда» в сборке Фобос-Грунта было использовано 95 тысяч различных чипов, и аж 62% из них не были должным образом сертифицированы для использования в космосе. На самом деле довольно мутная история, но официальная версия именно такая.
Так что погоня за большей производительностью и более дешевыми чипами, как видите, может привести вообще к нулевому результату и потери всей миссии.
Curiosity
Но даже если у тебя все сделано по жестким стандартам, проблемы все равно могут быть. Так, например, ровер Curiosity, младший брат Perseverance тоже их не избежал.
Дело в том, что материнские платы компьютеров Curiosity защищены по менее жесткому стандарту, чем сам процессор, что и становилось причиной неполадок. Хорошо, что на каждом марсоходе установлено по два компьютера — А и Б.
Дублирующий нужен на случай, если что-то пойдет не так. И, собственно, на 200-е марсианские сутки миссии компьютер А ушел в бутлуп из-за поврежденного сектора памяти. После этого команда управляющая Curiosity перевала ровер на дублирующий компьютер Б.
Однако в октябре 2018 года похожие проблемы настигли и второй компьютер, после чего команде пришлось возвращаться обратно на вариант А, где были изолированы поврежденные участки памяти, то есть и производительность была немного снижена.
А в 2019 году ровер снова переключился на дублирующий компьютер после очередного сбоя в работе. Так что, к сожалению, причиной будущего окончания миссии может оказаться вовсе не отказ колес или истощение источника электричества, которым там выступает плутониевый РИТЭГ, а именно сбой в управляющих компьютерах.
Ingenuity
Но с защитой процессоров бывают и исключения из правил и одно из них произошло как раз в миссии марсохода Perseverance.
Дело в том, что в этот раз ровер полетел не один, а с небольшим пассажиром — вертолетиком Ingenuity. Это такой proof-of-concept, главной задачей которого было показать возможность полетов в условиях крайне разреженной атмосферы Марса, что он уже с успехом сделал.
Давление на Марсе очень низкое, а поэтому крутить своими двумя пропеллерами ему нужно очень быстро — 24000 оборотов в минуту, при этом всему аппарату нужно быть очень легким — на всё про всё всего 1,8 килограм. И хотя 38% земной гравитации немного упрощают задачу, это все равно был серьезный технологический вызов для разработчиков.
Но так как вертолетик в состав миссии марсохода добавили относительно поздно, а его работа не была критичной для остальных научных задач, то делали его по космическим меркам быстро и дешево.
Поэтому, как ни парадоксально, на нем стоит очень мощный по космическим меркам процессор. Фактически, это всем нам знакомый Qualcomm Snapdragon 801 — тот самый, который был установлен, например, в самом первом OnePlus One. Так что в каком-то смысле у компании Qualcomm есть монополия планетарного масштаба на ARM-чипы.
Правда, вероятно, именно он и станет причиной, по которой однажды вертолетик больше не взлетит. Но, тем не менее, на сегодня он уже совершил десяток полетов и пока что не планирует останавливаться.
Будущее чипов в космосе
Но конечно же, в космических железках прогресс тоже не стоит на месте, пусть и отстает от потребительских гаджетов. Для космоса тоже разрабатывают обновленные модели, причем разные агентства подходят к этому вопросу по-разному. Например, ESA, Европейское Космическое Агентство, придерживается опенсорсной архитектуры SPARK и линейки процессоров LEON. Тот же чип GR740 построен уже по 65-нанометровому техпроцессу и в ходе испытаний выдержал бомбардировку тяжелыми ионами примерно в 300 раз больше, чем тот самый проблемный чип на Фобос-Грунте. А еще для работы ему нужно всего 1,5 Ватта, что зачастую очень важно для космических миссий, у которых очень ограничен энергетический бюджет. На сегодняшний день это вообще лучший результат по производительности на Ватт среди всех космических железок.
В NASA же работают с проприетарными технологиями, в частности линейкой HPSC. Они уже основаны на ARMовских ядрах Cortex A53. Исходя из того, что земные чипы на такой архитектуре могут работать на частотах до 1,8 ГГц, предполагается, что после защиты от радиации этот показатель может упасть всего до 500 МГц, что довольно много по космическим меркам. Довести до ума HPSC-процессоры NASA обещает к 2023-2024 году, как раз когда должна стартовать пилотируемая часть программы Артемида по возвращению людей на Луну. Но это уже тема для отдельного ролика. Обязательно напишите в комментариях, если хотите, чтобы мы осветили эту тему.
Интересно, а если космическая техника — это самая совершенная техника в мире, то и компьютеры на космических кораблях ставятся самые лучшие и мощные? Игры и программы на них, наверное, просто «летают»! Так давайте же познакомимся с «компьютерной» стороной космонавтики!
Первый компьютер на первом корабле
Юрий Алексеевич Гагарин, первый человек, побывавший в космосе, совершил свой полёт 12 апреля 1961 года. Но на самом деле всем процессом полёта руководил компьютер, а точнее программно-временное устройство (ПВУ). Это специальный электронный блок, который генерирует сигналы управления для каждой из подсистем корабля в строго заданные временные отрезки (чем-то напоминает сложный таймер). Этапы полёта (взлёт, движение по орбите, посадка) описывались специальной программой, которая носила название циклограмма, и хранились в предусмотренном накопителе информации. ПВУ контролировало положение корабля в пространстве по Солнцу и инфракрасному излучению Земли. Существовала и возможность ручного управления кораблем, но только в самых чрезвычайных ситуациях.
Компьютер в «Буране»
По сравнению с первыми советскими космическими аппаратами, корабли последующих поколений получали всё более и более продвинутые вычислительные машины и компьютеры. Перспективный многоразовый космический корабль «Буран», разработка которого велась в СССР в 1980-е годы, оснащался самым современным на тот момент бортовым комплексом управления, который был основан на. базе американского компьютера IBM System/370! Кроме этого на «Буране» находились два комплекта бортовых цифровых вычислительных машин «Бисер-4» и ещё четыре аппаратно-параллельных компьютера! Программное обеспечение для этих систем самостоятельно разрабатывалось советскими инженерами. Благодаря таким сложным компьютерам на борту «Буран» мог, в отличие от американского «Шаттла», приземляться из открытого космоса полностью в автоматическом режиме.
Международный космический компьютер на Международной космической станции
По мере совершенствования космической техники непрерывно развивались и «космокомпьютеры». МКС оснащается самыми современными компьютерными системами, созданными на базе микропроцессора Intel 386. Не слишком ли устаревший «камушек» для передовой научной лаборатории, которая находится в открытом космосе? На самом деле, этот процессор — идеальный вариант! Простой, хорошо знакомый любому «технарю», потребляющий сравнительно мало энергии, да и вычислительной мощности для управления и ориентирования МКС за глаза. Ведь в 1950-е годы все траектории полёта ракет рассчитывались вообще на огромных ламповых ЭВМ. Помимо этого, Intel 386 куда устойчивее нежной современной техники к суровым условиям радиоактивного космоса, ведь большая часть компьютеров закреплена на внешней обшивке станции. И, тем не менее, в год приходится ремонтировать или менять пару десятков «машин».
А чем же пользуются сами космонавты на МКС при проведении экспериментов и опытов, при общении с Землей? Ноутбуками! Причем вполне себе «земными», поставщиком является китайская компания Lenovo. Начинка этих компьютеров куда более современная, нежели у основных бортовых устройств на МКС, но, опять же, от современных домашних ПК по вычислительной мощности отстают лет на десять. Почему же так? Ответ довольно прост: избыточная мощность просто-напросто не нужна на МКС, ведь компьютеру нет необходимости «рисовать» продвинутую графику, которая есть, например, в современных компьютерных играх. И снова: простая конструкция – залог надежности. А вот программное обеспечение на этих ноутбуках особое, специально разработанное для научной работы, хотя есть и несколько ПК под управлением Windows.
аспирант кафедры истории и теории исторической науки РГГУ, научный сотрудник Центрального музея Вооруженных Сил Российской Федерации.
При просмотре фотографий и видеороликов, снятых на Международной космической станции, часто можно заметить, что интерьер станции кишит ноутбуками в специальных подставках. Как они используются в космосе?
Следующее легко счесть за рекламу, но это лишь факты. ThinkPad — единственный сертифицированный ноутбук для использования на МКС, в Lenovo это повторять просто обожают. Также в компании гордятся тем, что их ноутбуки являются основными у всех мировых космических агентств. Лэптопами ThinkPad на МКС пользуются с самого начала жизни станции, с 1998 года. С 1995 года ThinkPad слетали в космос на шаттлах более 50 раз.
Lenovo — китайская компания. При всей синофобии американской власти странного в этом ничего нет: брэнд ThinkPad на момент заключения контракта принадлежал IBM (корпорации из США), но был продан в 2005 году. Вполне вероятно, что в будущем будет больше проблем с регулирующими органами из-за страны происхождения ноутбуков.
Компьютеры для отправки в космос проходят разнообразные тесты: на радиацию, температуру, атмосферу, возгораемость. На них нанесена липучка для крепления. Кроме того, в системы их охлаждения внесён ряд изменений: горячий воздух в условиях микрогравитации вверх не поднимается, отличается и плотность воздуха. К ноутбуку прилагается адаптер для питания от бортовой сети в 28 вольт постоянного тока.
Установленное программное обеспечение зависит от решаемой задачи. На американском сегменте управление происходит с машинок под названием PCS (Portable Computer System, портативная компьютерная система). Обычно их 7. На ноутбуках запущен Linux, работа идёт через шину стандарта 1553 в качестве удалённого терминала.
В российском сегменте есть примерно столько же ноутбуков, которые в НАСА называют просто «российские ноутбуки». На них тоже крутится операционка на основе ядра Linux. С этих ноутбуков идёт управление российскими элементами станции.
У PCS и российских аналогов есть собственные графические интерфейсы, которые изображают МКС. Для управления достаточно просто кликнуть на модуль станции, а затем выбрать необходимый элемент. Интерфейсы отличаются, но они не настолько сложны для освоения, да и делать что-либо в чужой системе приходится редко.
Единого пользовательского интерфейса нет: своя система есть у 8 ноутбуков от Японского агентства аэрокосмических исследований, которые стоят в японских модулях, и у двух европейских лэптопов. Ещё есть примерно с десяток разных ноутбуков для различных операций.
Оставшиеся ноутбуки объединены в вычислительную сеть. Эти машинки называются Station Support Computers (SSC, компьютеры для поддержки станции), и они работают под Microsoft Windows. Как утверждает Фрост, более половины ноутов на борту работает под Windows, но к системе 1553 их не допускают. Предназначение этих компьютеров — ведение заметок, отсылка электронных писем, ведение видеоконференций, записи в блогах и микроблогах, просмотр данных, инвентаризация.
Если посмотреть на картинку до ката (она кликабельна и имеет размер ≈3.5 МиБ), то можно увидеть сразу три ноутбука. Самый близкий к голове Шеннон используется для мониторинга процедуры, которую она производит.
Тот, который выше и справа, и есть один из компьютеров SSC (компьютеры для личных целей), наверное, с него она читает график работ. Судя по заставке рабочего стола, на нём установлена Windows XP SP2. Это была экспедиция МКС-24, 2010 год, а Service Pack 3 вышел ещё в мае 2008. К слову о безопасности: в 2008 году из-за флэшки на компьютеры станции попал червь W32.Gammima.AG. В 2013 году была проведена миграция с Windows XP на Debian 6.
Фотография также интересна несколькими интерфейсами самой МКС: над люком расположена панель системы предупреждения, справа от лица Шеннон — система радио- и внутренней связи. Несколько мониторов перед её лицом с помощью камер за бортом станции показывают процесс работы с манипулятором.
Статусный экран с обзором основных показателей объединённой системы американской MCS и российской СУДН (системы управления движением и навигации). Отсюда экипаж может контролировать любое устройство систем навигации и положения станции и задавать режимы работы программных и аппаратных средств двигателей. Конечно же, командование российским сегментом осуществляется с российских ноутбуков.
Читайте также: