Почему в спутниках и марсоходах процессор слабее, чем в умных часах. Парадокс XX века

Три вышеупомянутых проекта (и многие другие) объединяет не только космическая стоимость, у них есть одна общая черта. Все эти аппараты работают на процессоре RAD750, в основе которого лежит PowerPC 750 — процессор, представленный IBM и Motorola в конце 1997 года для конкуренции с Pentium II от Intel. К слову, именно PowerPC 750 стал основой для первого iMac из 1998 года — тогда процессор без проблем справлялся с оригинальной игрой Starcraft, но по современным меркам его производительность просто смехотворна. Настолько, что её вряд ли стоит сравнивать даже с чипсетами в современных умных часах.

💡На самом деле, в том же марсоходе Perserverance три процессора RAD750: основной, резервный и для анализа изображений.

Так почему учёные оснащают свои новейшие и дорогущие аппараты настолько старым и слабым процессором?

Причина в радиации — атмосфера Марса очень слабо защищает от неё

В космосе есть множество различных видов радиации, которая не страшна на Земле благодаря её «фильтрующей» атмосфере, но критически опасна за её пределами. Основными источниками радиации считаются космические лучи и протонный шторм (вызываемый солнечными вспышками). Она вредит не только живым организмам, но и технике — это происходит потому, что частицы при ударе об элементы электроники создают определённое напряжение.

Особенность современных процессоров в том, что в них используются транзисторы меньшего размера — это позволяет уменьшить габариты элементов и увеличить тактовую частоту, то есть производительность чипсета. Для наглядности: PowerPC 750 производился при 250- или 150-нанометровом техпроцессе, а современные чипсеты перешли уже на 4-нанометровую технологию — то есть прогресс в 37,5–62,5 раза.

Однако есть ещё одна особенность новых моделей — с меньшим техпроцессом нужно меньшее напряжение для включения и поддержания работы чипсетов. Это и стало камнем преткновения, поскольку современные чипы намного чувствительнее к радиации — напряжение, создаваемое ударами частиц, оказывается достаточным для того, чтобы вывести компоненты из строя. А вот старые процессоры с крупными техпроцессами легче переживают такие столкновения, поскольку создаваемого ударами напряжения недостаточно для серьёзного влияния на работу.

Тем не менее есть и другая проблема, почему современные чипсеты непригодны для использования за пределами Земли. Она кроется в высокой тактовой частоте — например, использовавшийся в космических челноках Intel 386SX работал на частоте примерно в 20 МГц, в то время как производительность современных процессоров превышает планку в 5 ГГц. Но для космоса это плохо, и дело снова в радиации.

Удар частицы может повредить данные, хранящиеся в памяти процессора (например, в кэше L1 или L2) — но стоит учитывать, что это столкновение происходит чрезвычайно быстро. Проблема чипсетов с высокой тактовой частотой в том, что они обрабатывают больше информации за единицу времени, чем аналоги с низкой тактовой частотой. Иными словами, за те мгновения, в которые частица сталкивается с компонентами, в современных процессорах успеет повредиться больше информации, тем самым критичнее нарушив работу всей системы.

Из этого последовал парадокс — практически все мыслимые способы сделать процессоры для космических аппаратов производительнее сделают их ещё и уязвимее.

Впоследствии решение нашли.

В космических аппаратах используются специальные процессоры для космоса

В современных устройствах задействуется не оригинальный PowerPC 750 из первого iMac, а именно RAD750 — основанная на нём специальная версия, пригодная для условий работы в космосе. Одна из адаптаций кроется в снижении тактовой частоты — производительность космических процессоров намеренно сильно лимитируют по вышеописанной причине.

Впрочем, есть и другие особенности, в числе которых специальная защита для работы в космосе — RAD750 выдерживает поглощённую дозу в 2000–10000 грей и температуру от -55 °C до 125 °C.

К слову, все эти изменения над повышением устойчивости процессора приводят к ощутимому росту стоимости чипсета. В 2002 году RAD750 оценивался в 200 000 долларов, что по состоянию на 2023 год эквивалентно примерно 335 000 долларов.

Опыт неправильного выбора процессора уже был

В 2011 году Россия запустила в космос «Фобос-Грунт» — автоматическую межпланетную станцию (АМС), предназначавшуюся для доставки образцов грунта с Фобоса (спутника Марса) на Землю и осуществления различных исследований. Эта разработка стала чуть ли не самой амбициозной для космической сферы России, но она потерпела провал — АМС не смогла покинуть окрестности Земли и осталась на низкой околоземной орбите, а спустя 2 месяца сгорела в земной атмосфере.

💡 Стоимость «Фобос-Грунт» составила около 5 млрд рублей.

Причина в том, что бортовой компьютер вышел из строя — это произошло прямо перед тем, как нужно было запустить двигатели для отправки аппарата по направлению к Фобосу. В своём последующем докладе учёные назвали основной причиной проблем именно радиацию — тяжёлые заряженные частицы в космических лучах, попавшие в SRAM-чипы и приведшие к сбою из-за чрезмерного тока. Это стало фатальной неисправностью, поскольку запуск бортовых двигателей должен был привести к развёртыванию антенн. В то же время, после поломки бортового компьютера, запустить двигатели можно было только по команде наземного пункта управления — однако это было невозможным, поскольку антенны не были развёрнутыми.

По сути, всех проблем можно было бы избежать, если бы специалисты оценили риски от использования компонентов, не предназначенных для космоса, — они установили более производительные и дешёвые, но непригодные для таких условий элементы.

💡 Вскоре после неприятного происшествия издание «Красная звезда» писало, что около 62% из 95 тысяч микросхем, использованных в «Фобос-Грунте», не были пригодны для работы в космических условиях.

Космическая индустрия обречена навсегда остаться с технологиями прошлого?

В прошлом с радиационным воздействием боролись путём изменения подхода к производству полупроводников — описывая простыми словами, специалисты заменяли кремний в стандартных процессорах на радиационно прочные материалы, такие как сапфир и арсенид галлия. Единственным существенным недостатком этого метода была необходимость перестраивать весь литейных цех под производство, по сути, совершенно других чипсетов — с развитием полупроводниковой промышленности и переходом на новые (более дорогие и сложные) технологии, это стало нецелесообразным.

Тогда учёные начали искать новые подходы, заключающиеся в «радиационном упрочнении путём проектирования» (RHBD), когда с радиацией борются благодаря инженерной изобретательности, а не физическим свойствам материала. При этом процессоры производят в стандартных литейных цехах, то есть цены чипсетов оказываются приемлемого уровня и могут догнать стандартные коммерческие чипы.

В пример можно привести подход под названием «тройная модульная избыточность» (Triple Modular Redundancy) — один из самых популярных в современности способов добиться повышенной радиационной стойкости стандартного чипа. Идея заключается в хранении в памяти трёх идентичных копий каждого отдельного бита информации — на этапе обработки считываются все три копии, и правильный вариант выбирается бо́льшим числом голосов. На практике это означает, что если все три копии идентичны, то исследуемый бит считается верным. Если две копии одинаковы, а третья отличается, то правильными данными считаются те, у которых больше голосов. Если все три копии отличаются, то система регистрирует ошибку.

При реализации Triple Modular Redundancy копии хранятся по разным адресам в памяти, которая расположена в разных местах чипа — чтобы повредить данные, заряженные частицы должны одновременно поразить именно те места, где хранятся копии одного и того же бита, а это крайне маловероятно. Однако у такого подхода есть большой недостаток — поскольку процессору приходится проводить каждую операцию трижды, его производительность снижается в три раза.

Впрочем, именно в подобных идеях и заключается главное отличие современного подхода к созданию начинки для космических аппаратов. Раньше инженеры разрабатывали процессоры так, чтобы те были невосприимчивыми к радиации. Сейчас же у современных чипсетов нет какой-либо особой защиты, но они спроектированы так, чтобы справляться со всеми видами ошибок, появляющимися в результате воздействия радиации.

На данный момент новейшим космическим чипом, построенным по «новым» стандартам, является европейский процессор LEON GR740, который полноценно представили в июне 2021 года. Он способен выдерживать до 9 однократных обратимых сбоев памяти (Single Event Upsets, SEU) в день. При этом чипсет рассчитан на одну функциональную ошибку раз в 300 лет (или около того), причём он сможет восстановиться простой перезагрузкой.

Лицензионные отчисления всё портят

Трудности с процессорами, вызванные суровыми условиями эксплуатации, усложняют ещё и юридические моменты, из-за которых космическим агентствам приходится чуть ли не самостоятельно проектировать чипсеты. Всё дело в лицензировании, и та же Европейская космическая ассоциация (ESA) узнала об этой проблеме на собственном опыте.

Упомянутый выше LEON GR740, как и вся линейка LEON в целом, построен на архитектуре SPARC. ESA выбрала её ещё в 1990-х годах во многом благодаря открытому исходному коду. Первым европейским SPARC-процессором космического класса стал ERC32, который задействуется и по сей день. Хоть его архитектура и открыта, в нём используются коммерческие ядра обработки информации. В этом заключается настоящая проблема, поскольку при использовании проприетарных разработок у инженеров нет доступа к исходному коду, в связи с чем вносить свои изменения, необходимые для радиационной защиты, довольно сложно.

По сути, именно поэтому и зародилась серия процессоров LEON — чипсетов и с открытым исходным кодом, и с дизайном без чужой лицензии. Отсутствие каких-либо внешних помех позволило учёным оптимизировать каждый блок и функцию своих чипсетов (в частности, новейшего GR740), чтобы они демонстрировали наилучшую производительность даже в условиях подверженности радиации. На данный момент главной гордостью европейских инженеров является именно 65-нанометровый LEON GR740 с четырьмя ядрами и тактовой частотой около 250 МГц.

А вот американская NASA, в отличие от ESA, сделала выбор в пользу проприетарных разработок — в 2017 году агентство выбрало Boeing для реализации проекта High Performance Spaceflight Computing (HPSC) по производству чиплетов. В отличие от старых процессоров на архитектуре PowerPC или x86, новые чипсеты построят на ARM — той же архитектуре, что используется в однокристальных системах смартфонов и планшетов.

В основе HPSC два четырёхъядерных процессора Cortex-A53, соединённых шиной — то есть цельный чиплет имеет восемь ядер. Поскольку готового HPSC ещё нет, производительность такого чипа можно оценить только примерно: она должна быть сопоставима с мощностью Raspberry Pi или среднебюджетного смартфона из 2018 года наподобие Samsung Galaxy J8 — но стоит учитывать, что после «радиационной закалки» производительность снизится более чем в два раза. Обычно тактовая частота Cortex-A53 варьируется от 1,2 до 1,8 ГГц, однако, если судить по другим моделям, адаптация под условия работы в космосе снизит тактовую частоту HPSC до уровня примерно в 500 МГц.

Такой показатель будет впечатляющим, если оценивать по меркам космической индустрии, и станет рекордным. В самой NASA хвалятся, что такой чиплет в 100 раз быстрее обработает операцию при потреблении такого же количества энергии, что современные ориентированные на космос разработки. Ожидается, что энергопотребление составит 10 Вт.

В будущем пригодятся оба подхода

На данный момент самым производительным «космическим» процессором является 64-битный RAD5545, изготовленный по 45-нанометровому техпроцессу с тактовой частотой 466 МГц — его энергопотребление составляет 20 Вт, а это очень много. На процессорах с таким потреблением работают современные ноутбуки, которые приходится охлаждать вентиляторами. Но проблема в том, что в космосе вентиляторы бесполезны — там нет воздуха, которым можно было бы продуть горячий чип. Конечно, существуют теплотрубки, но тепло тоже нужно куда-то уводить, да и некоторые миссии не обладают достаточным энергетическим бюджетом, чтобы задействовать такой процессор.

10-ваттный HPSC от NASA станет экономнее, чем RAD5545, и при этом будет отлично подходить для реализации амбициозных миссий. Но даже 10 Вт — это всё равно много, поскольку тот же LEON GR740 потребляет всего 1,5 Вт. В этом смысле европейский чипсет самый эффективный, то есть у него наиболее высокая производительность в пересчёте на ватт. И его возможностей во многих случаях вполне достаточно — современное Европейское космическое агентство больше сосредоточено на зондах и спутниках, которые работают при ограниченном энергетическом резерве. В таких случаях бесспорно оптимальным выбором является именно LEON GR740.

И хотя HPSC ещё не готов, его незаменимость очевидна уже сейчас. Вернее, она была понятна уже давно — в 2011 году даже было исследование от NASA, предсказывающее потребности в космических вычислениях на ближайшие 15–20 лет с того момента. И хотя многие из упомянутых там сценариев похожи на научную фантастику даже сейчас, отрицать необходимость в более производительных чипсетах не приходится.

Например, один из сценариев — мониторинг здоровья космонавтов, отправляющихся в длительные полёты в дальний космос. Компьютерам старого образца, вероятно, подвластна эта задача, если данные со всех датчиков мониторинга будут собираться каждые 10 минут. Но если информация нужна несколько раз в секунду (для имитации отслеживания состояния в режиме реального времени), то для этой задачи не обойтись без куда более производительных чипсетов.

Другие примеры ещё более фантастические и описывают в том числе дополненную реальность, которая будет транслироваться в шлемы космонавтов, изучающих другие планеты, тем самым предупреждая их о возможных опасностях, выводя информацию об окружении и прочие полезные подсказки.

Впрочем, быстрые процессоры понадобятся не только людям, но и роботам. Один из основных примеров — проблема выбора места посадки ровера, являющаяся компромиссом между безопасностью миссии и научной ценностью. Причина в том, что самой безопасной площадкой для приземления является ровная плоскость без каких-либо скал и впадин. Однако в то же время наиболее интересной с научной точки зрения площадкой, как правило, является местность с разнообразием различных препятствий (которые можно исследовать).

Эту проблему могла бы решить система относительной навигации по рельефу (Terrain Relative Navigation, TRN). Оснащённые ею роверы смогли бы с помощью компьютерного зрения распознать важные ориентиры и засечь опасные препятствия, чтобы скорректировать радиус посадки в пределах 100 метров. Но у существующих процессоров не хватает производительности для такой системы. Учёные тестировали RAD750 и выяснили, что частота съёмки с одной камеры составляет 1 кадр в 10 секунд — к сожалению, в условиях падения на поверхность Марса это очень медленно. Чтобы контролируемо посадить ровер в пределах 100 метров, необходима скорость в 1 обновление кадра за секунду. А для точности в один метр нужна уже частота в 10 Гц, то есть 10 обновлений за секунду.

Вывод простой — условия космоса суровы, но индустрия не стоит на месте

Этот материал получился объёмным, но без всей упомянутой в нём информации он вряд ли вышел бы полноценным. Если подвести краткий итог, то на данный момент расклад дел отчётливо понятен: старые подходы к проектированию процессоров не позволяли повышать их производительность из-за космической радиации, но новые ориентированы именно на это. Правда, будущее ещё не наступило — европейская разработка уже готова, но не используется, а проект от NASA пока что только на стадии разработки.

Впрочем, совершенно очевидно, что учёные не перестанут работать в этом направлении, поскольку во многом от процессоров и их устойчивости зависит успех развития космической индустрии в целом.

Эта статья основана на материале Ars Technica.