Привет, Хабр! Сегодня мы хотим поговорить про процессоры, которые работают в космосе. Кстати, вполне возможно, многие из вас пользовались техникой, которая работала на чипах точно такой же архитектуры. В этом посте вы узнаете, был ли у вас смартфон или приставка на “космическом” процессоре, и сколько в реальности вбухивают космические агентства в чипы для роверов, марсолетов, зондов и других устройств. Под катом — немного подробностей о работе техники в космосе, а также размышления о конструкции и стоимости космических процессоров. 

Космос — дорогое мероприятие. Каждый вылет стоит (как минимум) десятки миллионов долларов. Так что о “туристических” поездках в космос мы еще только мечтаем. А когда речь идет о миссии — то есть о серьезной науке — здесь стоимость может составлять уже сотни миллионов долларов или даже миллиарды. 

И дело не только в стоимости запуска и цене самой ракеты. Взять, например. ставшие регулярными миссии на Марс. Марсоходы и прочие аппараты стоят очень дорого, и используются там специальные компоненты. И вот что интересно, какой же процессор стоит в марсоходе? Сколько он стоит? Можно ли его купить?

Два года назад на поверхности Марса высадился Rover Perseverance. Стоимость миссии — 2 миллиарда долларов! На поверхность красной планеты высадили ровер с огромным количеством исследовательского оборудования — многочисленные сенсоры, датчики, микроскопы, анализаторы и все остальное. Также на Марс прилетел (вместе с ровером, конечно — не своим ходом) небольшой вертолет, который совершил уже десятки полетов над поверхностью красной планеты.

На чем же работает марсоход Rover Perseverance? Его “сердце” — это процессор PowerPC 750 с тактовой частотой 200 МГц. 200 МГц, Карл! Это чип с 256 Мбайт оперативки. Кто-то вспомнил древний iMac G3? Да, в нем был установлен тот же самый процессор. Знакомые с этим антикварным на сегодня чипом, возможно, в далеком прошлом разгоняли PowerPC 750 до 275 Мгц. Это его максимум. Но сами понимаете, такой буст мало что изменит в вопросах реальной производительности. 

И это не исключение — другие миссии работают на железе примерно того же поколения. Кстати, эти процессоры до сих пор можно купить. В одном только каталоге xcom-shop — куча чипов по цене буквально от 150 рублей! И если отсортировать их в порядке возрастания цены, то до современных CPU, которые стоили хотя бы 10 тысяч рублей, будет несколько страниц! Так что, может быть NASA затаривается процессорами подешевле в интернет-магазинах? Шутка, конечно…

Подготовка к миссии — долгий путь

Настоящие космические запуски, а тем более исследовательские миссии — это совсем не то, что показывает нам Илон Маск со своими красивыми ракетами, и не хроника в стиле Интерстеллар. 

Космические миссии готовят десятилетиями. И то, что запускается в космос сегодня, вполне может быть создано…в прошлом веке! Судя по PowerPC 750, работа над Perseverance началась еще в конце 90-х. 

И полет на Марс — это еще цветочки. Некоторые миссии дают результаты с еще большей отсрочкой. Например, космическим зондам часто приходится долго лететь до своей цели. Так, зонд Новый Горизонт, который отправился к плутону в 2006 году, начал присылать снимки в 2015 году. Учитывая время на разработку и тестирование, в Новом Горизонте железо будет в лучшем случае 90-х годов…а может быть и 80-х. Представляете, фотки Плутона в 2015 скинул аппарат, который слабее вообще любой электроники, которую мы используем сегодня.

А если точнее…в его основе лежит один очень известный чип. И если у вас сохранилась Playstation первого поколения, поздравляю! Вы имеете прямое отношение к электронике, которая использована в Новом Горизонте. Ну или почти прямое…ведь в космическом аппарате чип был модернизирован и разогнан….до 12 МГц! Вот это силища!

Малейшая проблема может привести к краху

Любой космический аппарат создается вокруг основы, в состав которой входят базовые платы, модули памяти и, конечно, центральный процессор. К процессору подключается большое количество оборудования, которое создается, как правило, специально для конкретной космической миссии: системы связи, системы безопасности. Все это нужно многократно проверить банально на совместимость, а также на комплексную устойчивость к вибрациям и прочим воздействиям. 

Заменить его перед вылетом на более новый нельзя — иначе весь цикл тестирования придется пройти заново. Действительно, а вдруг какая-то небольшая особенность нового чипа приведет к фатальным для дорогостоящей миссии последствиям?

Взять хотя бы проблему перегрева. Она стоит в космосе намного острее, чем на Земле. Ведь охлаждение работает тогда, когда есть чему передавать тепло. У нас в комнате для этого имеется воздух, но в космосе его нет! Да и на планетах с газовой средой тоже не все так просто с точки зрения охлаждения — другие параметры среды не позволяют использовать те же физические модели, которые прекрасно показывают себя в домашнем ПК или игровой консоли. 

Кстати, на МКС этой проблемы нет — на станции имеется воздух, который может нормально охлаждать обычные гаджеты. Поэтому космонавты пользуются ноутбуками без какого-либо стеснения.

Использовать всякую экзотику типа инфракрасных систем охлаждения разработчики космических аппаратов не стремятся, потому что они громоздкие и сильно усложняют конструкцию. Гораздо проще сделать так, чтобы процессор практически не нагревался. А для этого самое то использовать что-то винтажное и маловольтажное…точнее маломощное. А учитывая, что аппараты вынуждены довольствоваться той мощностью, которую дают солнечные батареи или другие энергосистемы, вычислительные модули уж точно должны быть очень энергоэкономичными.

Многие говорят о том, что у современных процессоров энергоэффективность намного выше, чем у старых моделей, но это не является аргументом. Сам запас мощности оказывается настолько избыточным, что даже при всем желании и даже самые энергоэкономичные чипы не так просто обеспечить нужным количеством электроэнергии для работы. 

Еще одна проблема — перегрузки и вибрации. Для работы в космосе чипы должны быть сверхпрочными, а компоновку необходимо делать так, чтобы она держалась намертво, и ее не мог разгрызть даже космический монстр. 

Печально известная миссия “Фобос-Грунт” показала, что проверка надежности компонентов очень и очень важна. Ведь из-за отказа чипа памяти был потерян аппарат, который готовили 20-30 лет. Также впустую были потрачены 2 миллиарда долларов.

Очень важно бороться с космическим излучением. На земле от него защищает атмосфера, а в космосе защиты нет. Воздействие различных волн может как вывести чип из строя, так и создавать помехи в работе оборудования. Поэтому процессоры должны быть надежно экранированы, а большой техпроцесс оказывается стабильнее, чем нанометровые микросхемы. Высокий ток переключения — лучше, чем низкий (поэтому вместо SRAM используется DRAM) и так далее.

Надежность — в готовности к сбоям

Исходя из всего, что мы написали выше, космические процессоры вполне оправдано основаны на старых чипах, которые раньше использовались в компьютерах и консолях. Но, конечно, они выходят в космос полностью переработанными, усиленными, а также отличаются дублированием всех имеющихся блоков. А еще вместе с ними разрабатывается защищенный софт, который заранее готов к помехам в разных сегментах процессора. 

Особая роль возлагается на операторов, которые управляют устройством удаленно с задержкой в 22 минуты. Кстати, Perseverance спасли именно с земли. Сначала у ровера отказал один блок управления, операторы переключили на второй. Когда и второй начал сбоить, пришлось отключать систему, перезагружать ее, переключаться на другую схему памяти со снижением производительности. И оно заработало…хотя могло и не получиться!

Сколько может стоить такой процессор?

Самый дорогой процессор в интернет-магазине сегодня стоит около 300 000 рублей. Но процессор для Perciverance стоил около 300 тысяч долларов! Согласитесь, интересно, что 30-летний дедушка-процессор стоит в 70 раз больше, чем самый дорогой современный. Вот такова цена надежности.

А вот еще интересный факт — Perseverance был укомплектован небольшим вертолетом. Он доказал, что на Марсе можно летать — нужен только минимальный вес и очень высокая скорость вращения винтов — 25-30 тысяч оборотов в минуту. В нем установлен Qualcomm Snapdragon 801 с частотой 2,5 ГГЦ. Он знаком нам по смартфонам HTC One E8, Sony Xperia Z3, Samsung Galaxy S5, LG G3 и OnePlus первого поколения.

Конечно, там тоже доработанная версия. Но почему ученые решились на установку такого современного чипа? В данном случае проблема выхода аппарата из строя была не так критична, его запустили скорее в комплекте с ровером. Но вертолет работает до сих пор, и совершил не один десяток вылетов. В его основе лежит Cortex A53 — энергоэффективный и современный чип. Он потребляет 1-2 Вт питания и, как видите, уже доказал возможность противостоять ионизирующему излучению. Так что, вероятно, новые миссии будут планировать именно на этих процессорах. А значит, они скоро полетят в космос — то есть через 20-30 лет.