स्पेस-क्लास प्रोसेसर: अंतरिक्ष में अधिक कंप्यूटिंग शक्ति कैसे भेजें?

विकिरण समस्याओं को हल करना "अंतरिक्ष इलेक्ट्रॉनिक्स के इतिहास में एक महत्वपूर्ण मोड़" था।

आधुनिक रूस की सबसे महत्वाकांक्षी अंतरिक्ष परियोजनाओं में से एक फोबोस-ग्रंट 2012 की शुरुआत में समुद्र में गिर गई थी। यह अंतरिक्ष यान जर्जर मार्टियन चंद्रमा फोबोस की सतह पर उतरना था, मिट्टी के नमूने एकत्र करना और उन्हें पृथ्वी पर वापस लाना था। लेकिन इसके बजाय, उसने इंजनों को शुरू करने से पहले ऑन-बोर्ड कंप्यूटर की विफलता के कारण कम पृथ्वी की कक्षा (डीओई) में कई हफ्तों तक असहाय रूप से बहाव किया, जो जहाज को मंगल की ओर भेजने वाले थे।

एक बाद की रिपोर्ट में, रूसी अधिकारियों ने गैलेक्टिक कॉस्मिक किरणों में भारी आवेशित कणों को आरोपित किया, जो SRAM चिप्स से टकराए और चिप के प्रवाह में अत्यधिक प्रवाह के कारण विफल हो गए। इस समस्या से निपटने के लिए, कंप्यूटर पर चलने वाले दो प्रोसेसर, कंप्यूटर ने रिबूट शुरू किया। उसके बाद, जांच पृथ्वी से कमांड के लिए सुरक्षित स्टैंडबाय मोड में चली गई। दुर्भाग्य से, कोई निर्देश प्राप्त नहीं हुआ।

जहाज के डीओई के चले जाने के बाद संचार एंटेना संचालन के डिजाइन मोड तक पहुंचने वाले थे। हालांकि, किसी ने मना नहीं किया, जिसकी वजह से जांच इस स्तर पर नहीं पहुंची। कणों से टकराने के बाद, फोबोस-ग्रंट एक अजीब गतिरोध में था। ऑनबोर्ड इंजन शुरू करना एंटेना की तैनाती को ट्रिगर करना था। इंजन केवल पृथ्वी से एक कमांड के साथ शुरू किया जा सकता है। और यह कमांड नहीं आ सका, क्योंकि एंटेना तैनात नहीं थे। कंप्यूटर त्रुटि के कारण मिशन का पतन हुआ, जो कई दशकों से तैयारी कर रहा था। विशेष रूप से, गैर-सरकारी संगठन एनजीओ टीम के सदस्यों की देखरेख के लिए दोषी हैं। डिवाइस के निर्माता लैवोककिन। विकास के दौरान, यह सूचीबद्ध करना आसान था कि उनके कंप्यूटर पर क्या काम नहीं कर रहा था। हालांकि, उनके द्वारा की गई हर छोटी गलती एक क्रूर अनुस्मारक बन गई कि अंतरिक्ष-श्रेणी के कंप्यूटरों को विकसित करना बहुत जटिल है। एक बार जब आप ठोकर खाते हैं, और अरबों डॉलर जल जाते हैं।

डेवलपर्स ने अंतरिक्ष में कंप्यूटर की कठिनाइयों को कम करके आंका।

इतना धीमा क्या है?

जिज्ञासा, प्रिय मार्टियन ऑल-टेरेन वाहन, दो BAE RAD750 प्रोसेसर पर चलता है, जिसमें 200 मेगाहर्ट्ज तक की घड़ी आवृत्ति होती है। इसमें 256 एमबी रैम और 2 जीबी एसएसडी है। 2020 की पूर्व संध्या पर, RAD750 सबसे उन्नत सिंगल-कोर स्पेस-क्लास प्रोसेसर है। आज यह सबसे अच्छा है जिसे हम गहरे अंतरिक्ष में भेज सकते हैं।

लेकिन, दुर्भाग्य से, हमारी जेब में स्मार्टफोन की तुलना में, RAD750 के प्रदर्शन से केवल दया आ सकती है। इसकी सर्किट्री पावरपीसी 750 पर आधारित है, जो एक प्रोसेसर है जो आईबीएम और मोटोरोला ने 1997 में इंटेल पेंटियम II के प्रतिद्वंद्वी के रूप में पेश किया था। इसका मतलब है कि आज अंतरिक्ष में उपलब्ध सबसे तकनीकी रूप से उन्नत अंतरिक्ष उपकरण समस्याओं के बिना पहले स्टारक्राफ्ट (1998) को अच्छी तरह से लॉन्च कर सकते हैं, हालांकि, यह कंप्यूटिंग शक्ति पर कुछ अधिक मांग के कारण समस्याओं का सामना करेगा। Crysis में मंगल खेलने के बारे में भूल जाओ।

उसी समय, RAD750 की कीमत लगभग $ 200,000 है। लेकिन आप केवल अपने iPhone में नहीं फेंक सकते हैं और इसके साथ समाप्त हो सकते हैं? गति के संदर्भ में, कई पीढ़ियों के iPhones ने RAD750 को छोड़ दिया और इसकी कीमत केवल $ 1,000 थी, जो $ 200,000 से बहुत कम थी। फोबोस-ग्रंट टीम ने कुछ ऐसा ही करने की कोशिश की। उन्होंने गति बढ़ाने और बचाने की कोशिश की, लेकिन अंत में वे बहुत दूर चले गए।

भारी आवेशित कणों से क्षतिग्रस्त फोबोस ग्रंट SRAM मेमोरी चिप को WS512K32V20G24M लेबल किया गया था। उन्हें अंतरिक्ष उद्योग में अच्छी तरह से जाना जाता था क्योंकि 2005 में इन चिप्स को टी। पेज और जे। बेनेटेटो द्वारा ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में कण त्वरक में परीक्षण किया गया था ताकि यह जांचा जा सके कि विकिरण के संपर्क में आने पर वे कैसे व्यवहार करते हैं। शोधकर्ताओं ने इन चिप्स को "बेहद कमजोर" बताया, और उनकी असफलता ब्रुकवेन में उपलब्ध न्यूनतम ऊर्जा जोखिम के तहत भी हुई। परिणाम आश्चर्यजनक नहीं था, क्योंकि WS512K32V20G24M को अंतरिक्ष के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया था। वे सैन्य विमानन के लिए विकसित किए गए थे। हालांकि, वे खोजने में आसान थे और वे अंतरिक्ष-श्रेणी के मेमोरी चिप्स की तुलना में सस्ता थे, इसलिए फोबोस-ग्रंट के डेवलपर्स ने उन्हें लेने का फैसला किया।

अमेरिकी वायु सेना अनुसंधान प्रयोगशाला के शोधकर्ता टायलेट लवली ने कहा, "अंतरिक्ष में विभिन्न प्रकार के विकिरणों की मौजूदगी की खोज, इलेक्ट्रॉनिक्स पर इस विकिरण के प्रभाव और चिप को मजबूत करने और नुकसान को कम करने वाली प्रौद्योगिकियों के विकास की समझ के साथ-साथ अंतरिक्ष इलेक्ट्रॉनिक्स के इतिहास में सबसे महत्वपूर्ण मोड़ बन गई है।" इस विकिरण के मुख्य स्रोत कॉस्मिक किरणें, सौर प्रक्रियाएँ और प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों की बेल्टें हैं जो पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र की सीमा पर स्थित हैं, जिसे वान एलन विकिरण बेल्ट के रूप में जाना जाता है। पृथ्वी के वायुमंडल से टकराने वाले कणों में से 89% प्रोटॉन हैं, 9% अल्फा कण हैं, 1% भारी नाभिक हैं, 1% मुक्त इलेक्ट्रॉन हैं। उनकी ऊर्जा 10 ¹⁹ ईवी तक पहुंच सकती है। चिप्स का उपयोग करने के लिए जो एक जांच में अंतरिक्ष के लिए उपयुक्त नहीं है जिसे कई वर्षों तक अंतरिक्ष के माध्यम से यात्रा करना है, जिसका मतलब है कि परेशानी के लिए पूछना। अख़बार क्रास्नाया ज़्वेद्दा ने लिखा कि फ़ोबोस-ग्रंट पर इस्तेमाल किए जाने वाले चिप्स में से 62% का उपयोग अंतरिक्ष में उपयोग के लिए नहीं किया गया था। 62% के लिए जांच योजना में "चलो एक iPhone वहाँ पेंच" भावना शामिल थी।

विकिरण एक समस्या बन जाता है

आज, अंतरिक्ष-श्रेणी के कंप्यूटर बनाते समय कॉस्मिक किरणों को ध्यान में रखा जाता है। लेकिन हमेशा ऐसा नहीं था। पहला कंप्यूटर 1960 के दशक में जेमिनी वाहनों में से एक में अंतरिक्ष में चला गया था। कार को उड़ान भरने की अनुमति प्राप्त करने के लिए, मुझे सौ से अधिक विभिन्न परीक्षणों से गुजरना पड़ा। इंजीनियरों ने परीक्षण किया कि यह कंपन, वैक्यूम, अत्यधिक तापमान, आदि के जवाब में कैसे व्यवहार करता है। इनमें से किसी भी परीक्षण ने विकिरण के प्रभावों को ध्यान में नहीं रखा। और फिर भी, ऑन-बोर्ड कंप्यूटर "मिथुन" ने बहुत अच्छी तरह से काम किया, बिना किसी समस्या के। ऐसा इसलिए क्योंकि वह इनकार करने के लिए बहुत बड़ी थी। सचमुच। 19.5 KB मेमोरी में 11 लीटर का एक बॉक्स और 12 किलो वजन था । और पूरे कंप्यूटर का वजन 26 किलो था।



कंप्यूटर उद्योग में, प्रोसेसर की प्रगति आमतौर पर घटक आकार को कम करने और घड़ी की गति बढ़ाने के लिए हुई है। हमने ट्रांजिस्टर को छोटा और छोटा कर दिया, जो 240 एनएम से 65 एनएम तक, फिर 14 एनएम और पहले से 7 एनएम से आधुनिक स्मार्टफोन तक जा रहा था। ट्रांजिस्टर जितना छोटा होगा, उतना कम वोल्टेज उसे चालू और बंद करना होगा। इसलिए, विकिरण व्यावहारिक रूप से बड़े घटकों के साथ पुराने प्रोसेसर को प्रभावित नहीं करता था - अधिक सटीक रूप से, तथाकथित एकांत में गड़बड़ी । पर्याप्त बड़े कंप्यूटर के संचालन को प्रभावित करने के लिए कण के साथ टकराव द्वारा बनाया गया वोल्टेज बहुत छोटा था। लेकिन जब अंतरिक्ष में आकांक्षी लोग प्रति चिप को अधिक ट्रांजिस्टर चमकाने के लिए घटकों के आकार को कम करने लगे, तो वोल्टेज द्वारा बनाए गए कण समस्या पैदा करने के लिए पर्याप्त हो गए।

अधिक सामान्यतः, प्रोसेसर के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए इंजीनियर अपनी घड़ी की गति बढ़ाते हैं। इंटेल 386SX में, जिसके नियंत्रण में स्वचालन ने अंतरिक्ष शटल नियंत्रण केबिन में काम किया, उसने 20 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर काम किया। आधुनिक प्रोसेसर चरम पर 5 GHz तक पहुंच सकते हैं। घड़ी की आवृत्ति प्रसंस्करण चक्र की संख्या निर्धारित करती है कि प्रोसेसर समय की प्रति इकाई में सक्षम है। विकिरण के साथ समस्या यह है कि एक कण के साथ टकराव से प्रोसेसर की मेमोरी (L1 या L2 कैश) में कुछ समय के लिए डेटा बर्बाद हो सकता है। यह पता चलता है कि हर एक सेकंड में एक चार्ज कण में समस्याएँ पैदा करने के लिए सीमित संख्या में अवसर होते हैं। छोटी घड़ी की गति वाले प्रोसेसर में, यह संख्या काफी कम थी। लेकिन आवृत्ति में वृद्धि के साथ, एक बार में इन समय की संख्या बढ़ गई, जिसने प्रोसेसर को विकिरण के प्रति अधिक संवेदनशील बना दिया। इसलिए, उन्नत विकिरण प्रतिरोध वाले प्रोसेसर वाणिज्यिक समकक्षों की तुलना में लगभग हमेशा धीमा होते हैं। ब्रह्मांडीय प्रोसेसर मुख्य कारण इतनी धीमी गति से काम करता है क्योंकि लगभग सभी विधियां उन्हें गति प्रदान कर सकती हैं जो उन्हें अधिक संवेदनशील बनाती हैं।

सौभाग्य से, इस समस्या को दरकिनार किया जा सकता है।

हम विकिरण से निपटते हैं

"पहले, विकिरण को एक संशोधित अर्धचालक प्रक्रिया द्वारा कम किया गया था," रोलाण्ड वेइगैंड, VISI / ASIC इंजीनियर यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी में कहते हैं। "यह प्रोसेसर के वाणिज्यिक कोर को लेने और उस पर एक प्रक्रिया लागू करने के लिए पर्याप्त था जो विकिरण प्रतिरोध को बढ़ाता है।" इस विनिर्माण विकिरण सुरक्षा प्रौद्योगिकी ने नीलम या गैलियम आर्सेनाइड जैसी सामग्रियों का उपयोग किया, जो सिलिकॉन के विपरीत विकिरण के लिए इतनी प्रतिक्रिया नहीं करते थे। इस तरह से निर्मित प्रोसेसर उच्च विकिरण वाले वातावरण में अच्छी तरह से काम करते हैं, उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष में, लेकिन उनके उत्पादन के लिए पूरे कारखाने को फिर से लैस करना आवश्यक था।

“प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए, मुझे अधिक से अधिक उन्नत प्रोसेसर का उपयोग करना पड़ा। एक आधुनिक अर्धचालक कारखाने की लागत को देखते हुए, विनिर्माण प्रक्रिया में विशेष परिवर्तन अंतरिक्ष जैसे एक आला बाजार के लिए व्यावहारिक होना बंद हो गया है, ”वीगैंड कहते हैं। नतीजतन, यह मजबूर इंजीनियरों ने वाणिज्यिक प्रोसेसर का उपयोग करने के लिए मजबूर किया जो एकल गड़बड़ी के अधीन थे। "इस प्रभाव को कम करने के लिए, हमें विकिरण प्रतिरोध को बढ़ाने के लिए अन्य तकनीकों पर स्विच करना पड़ा - जिसे हम डिज़ाइन विकिरण सुरक्षा कहते हैं," वीगैंड कहते हैं।

डिजाइन सुरक्षा ने मानक CMOS निर्माण प्रक्रिया का उपयोग करने के लिए निर्माताओं को सक्षम किया। इस तरह के स्पेस-क्लास प्रोसेसर कमर्शियल फैक्ट्रियों में तैयार किए जा सकते हैं, जिससे उनकी लागत कम हो सकती है और स्पेस मिशन डेवलपर्स को कमर्शल ऑफर्स के साथ थोड़ी मदद मिल सकती है। इंजीनियरिंग जीनियस का उपयोग करके विकिरण से निपटा गया था, न कि केवल भौतिक गुणों का। "उदाहरण के लिए, ट्रिपल मॉड्यूलर अतिरेक (TMI) एक चिप को विकिरण से बचाने के लिए सबसे लोकप्रिय तरीकों में से एक है, अन्य मामलों में यह पूरी तरह से मानक है," वीगैंड ने समझाया। "प्रत्येक सूचना की तीन समान प्रतियां हर समय स्मृति में रखी जाती हैं।" पढ़ने के स्तर पर, तीनों पढ़े जाते हैं और सही संस्करण बहुमत द्वारा चुना जाता है। ”

यदि सभी तीन प्रतियां समान हैं, तो जानकारी को सही माना जाता है। एक ही बात तब होती है जब दो प्रतियाँ समान होती हैं, और उनमें से एक अलग होती है - सही प्रतिलिपि अधिकांश मतों द्वारा चुनी जाती है। लेकिन जब तीनों प्रतियां अलग-अलग होती हैं, तो सिस्टम एक त्रुटि लॉग करता है। यह विचार एक ही जानकारी को चिप पर तीन अलग-अलग स्थानों पर स्थित तीन अलग-अलग मेमोरी पतों पर संग्रहीत करना है। डेटा को खराब करने के लिए, दो कणों को एक साथ उन स्थानों से टकरा जाना चाहिए, जहां सूचना के एक ही कण की दो प्रतियां संग्रहीत की जाती हैं, जो बेहद संभावना नहीं है। इस दृष्टिकोण के नकारात्मक पक्ष प्रोसेसर के लिए अनावश्यक कार्य की उपलब्धता है। उसे प्रत्येक ऑपरेशन को तीन बार करने की आवश्यकता है, जिसका अर्थ है कि वह अपनी गति के केवल एक तिहाई तक पहुंच जाएगा।

इसलिए सबसे नया विचार स्पेस-क्लास प्रोसेसर के प्रदर्शन को अपने वाणिज्यिक समकक्षों के करीब लाने के लिए आया था। इंजीनियरों ने विकिरण से एक चिप पर पूरे सिस्टम की रक्षा करने के बजाय, यह तय किया कि यह सुरक्षा सबसे अधिक प्रासंगिक कहां है। और आप इसे कहां मना कर सकते हैं। यह डिजाइन प्राथमिकताओं को महत्वपूर्ण रूप से बदलता है। पुराने अंतरिक्ष प्रोसेसर विकिरण के प्रति असंवेदनशील थे। नए प्रोसेसर इसके प्रति संवेदनशील हैं, लेकिन वे उन सभी त्रुटियों के साथ स्वचालित रूप से सामना करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं जो विकिरण का कारण बन सकते हैं।

उदाहरण के लिए, LEON GR740 नवीनतम यूरोपीय स्पेस-क्लास प्रोसेसर है। यह उम्मीद की जाती है कि वह प्रति दिन 9 एकल गड़बड़ी का अनुभव करेगा जबकि पृथ्वी की भूस्थैतिक कक्षा में। चाल यह है कि वे सभी सिस्टम द्वारा वापस आयोजित किए जाएंगे और परिचालन त्रुटियों को जन्म नहीं देंगे। GR740 को डिज़ाइन किया गया है ताकि इस पर एक कार्यात्मक त्रुटि हर 300 वर्षों में एक बार से अधिक न हो। और इस मामले में भी, वह सिर्फ रिबूट कर सकता है।

यूरोप खुलापन चुनता है

स्पेस-क्लास प्रोसेसर की LEON SPARC लाइन यूरोप के लिए सबसे लोकप्रिय विकल्प है। "90 के दशक में, जब स्पार्क विनिर्देश चुना गया था, यह उद्योग में बहुत गहराई से एम्बेडेड था," वीगैंड कहते हैं। "सन माइक्रोसिस्टम्स ने अपने सफल वर्कस्टेशन पर इसका इस्तेमाल किया है।" उनके अनुसार, SPARC में परिवर्तन के प्रमुख कारण तब सॉफ्टवेयर का समर्थन और मंच का खुलापन था। “ओपन आर्किटेक्चर का मतलब था कि हर कोई लाइसेंस के मुद्दों के बिना इसका इस्तेमाल कर सकता है। यह महत्वपूर्ण था क्योंकि अंतरिक्ष के रूप में इस तरह के एक संकीर्ण जगह में, लाइसेंस की लागत को कम संख्या में उपकरणों के बीच वितरित किया जाता है, जो उनकी लागत को गंभीरता से बढ़ाता है, ”वे बताते हैं।

परिणामस्वरूप, ईएसए ने लाइसेंसिंग मुद्दों के साथ कड़वे अनुभव के माध्यम से सीखा। पहला यूरोपीय स्पेस SPARC प्रोसेसर - ERC32, जो आज तक इस्तेमाल किया जाता है - वाणिज्यिक प्रोसेसर। यह एक खुली वास्तुकला पर आधारित था, लेकिन प्रोसेसर सर्किटरी मालिकाना था। “इससे समस्याएं पैदा हुईं। आमतौर पर स्वामित्व प्रणालियों के स्रोत कोड तक कोई पहुंच नहीं होती है, इसलिए विकिरण सुरक्षा को बढ़ाने के लिए आवश्यक प्रोजेक्ट में बदलाव करना मुश्किल है, ”वीगैंड कहते हैं। इसलिए, अगले चरण में, ईएसए ने अपने स्वयं के प्रोसेसर, LEON पर काम करना शुरू कर दिया। "उनकी परियोजना पूरी तरह से हमारे नियंत्रण में थी, और आखिरकार हमें उन सभी विकिरण सुरक्षा तकनीकों का उपयोग करने का अवसर मिला जो हम चाहते थे।"

LEON प्रोसेसर लाइन में नवीनतम विकास क्वाड-कोर GR740 है, जो लगभग 250 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर काम कर रहा है। (वीगैंड कहते हैं कि उन्हें उम्मीद है कि 2019 के अंत तक पहली शिपमेंट वितरित की जाएगी)। GR740 65 एनएम प्रक्रिया प्रौद्योगिकी का उपयोग कर निर्मित है । यह एक चिप-आधारित प्रणाली है जिसे SPARC32 वास्तुकला के आधार पर सामान्य प्रयोजन के उच्च गति कंप्यूटिंग के लिए डिज़ाइन किया गया है। वेइगैंड कहते हैं, "जीआर 740 बनाने का लक्ष्य अधिक गति और एकीकृत सर्किट में अतिरिक्त उपकरणों को जोड़ने की क्षमता को प्राप्त करना था, जबकि पिछले यूरोपीय अंतरिक्ष-वर्ग के प्रोसेसर के साथ संगतता है।" GR740 की एक अन्य विशेषता इसकी उन्नत गलती सहिष्णुता प्रणाली है। प्रोसेसर विकिरण के कारण महत्वपूर्ण त्रुटियों का सामना कर सकता है, और अभी भी सॉफ्टवेयर का निर्बाध संचालन सुनिश्चित कर सकता है। प्रत्येक इकाई और GR740 फ़ंक्शन उच्चतम गति के लिए अनुकूलित है। इसका मतलब है कि जो घटक एकल गड़बड़ी के प्रति संवेदनशील हैं, वे दूसरों से सटे हैं जो आसानी से सामना कर सकते हैं। और सभी संवेदनशील घटकों का उपयोग एक सर्किट में किया जाता है जो अतिरेक के माध्यम से त्रुटियों के प्रभाव को कम करता है।

उदाहरण के लिए, GR740 पर कुछ ट्रिगर्स नियमित रूप से व्यावसायिक CORELIB FF हैं। उन्हें इस चिप पर उपयोग के लिए चुना गया था क्योंकि वे कम जगह लेते हैं, जिससे कम्प्यूटेशनल घनत्व बढ़ जाता है। नकारात्मक पक्ष यह है कि वे एकल गड़बड़ी के अधीन हैं, लेकिन उन्होंने टीएमआई ब्लॉकों की मदद से यह पता लगाया। इन ट्रिगर्स से पढ़ी जाने वाली प्रत्येक जानकारी की पुष्टि सभी मॉड्यूलों के बीच वोटिंग द्वारा की जाती है, जो इतनी दूर स्थित है कि एक घटना कई बिट्स को प्रभावित नहीं करती है। एसआरएएम कोशिकाओं से मिलकर प्रोसेसर कैश एल 1 और एल 2 के लिए भी इसी तरह की योजनाएं लागू की जाती हैं, यह भी एकल गड़बड़ी के अधीन है। जब ऐसी योजनाओं ने प्रदर्शन को बहुत अधिक प्रभावित करना शुरू किया, तो ईएसए इंजीनियरों ने गड़बड़ी-प्रतिरोधी एसकेवाईआरओबी ट्रिगर्स पर स्विच किया। हालांकि, वे कोरेलिबी के रूप में दो गुना अधिक जगह लेते हैं। अंतरिक्ष में कंप्यूटर की कंप्यूटिंग शक्ति बढ़ाने की कोशिश करते समय, आपको हमेशा कुछ समझौता करना होगा।

अब तक, GR740 ने कई विकिरण परीक्षणों को बहुत अच्छी तरह से पारित किया है। चिप को रेखीय ऊर्जा हस्तांतरण (एलईटी) के साथ भारी आयनों के साथ निकाल दिया गया था, 125 मेव * सेमी ² / मिलीग्राम तक पहुंच गया, और उन्होंने एक भी विफलता के बिना काम किया। तुलना करने के लिए कुछ करने के लिए, बहुत एसआरएएम चिप्स, जिसके कारण फोबोस-ग्रंट गिर गया, केवल 0.375 मेव * सेमी ² / मिलीग्राम के साथ विफल रहा जब एलईटी के साथ कण हिट हुए। GR740 300 गुना अधिक शक्तिशाली विकिरण के साथ निकला। एकल गड़बड़ी के लिए लगभग पूर्ण प्रतिरक्षा के अलावा, जीआर 740 अपने जीवनकाल के दौरान 300 चोरी विकिरण को अवशोषित कर सकता है। परीक्षणों के दौरान, वीगैंड की टीम ने प्रोसेसर में से एक को 293 डिग्री तक फैला दिया, लेकिन इसके बावजूद, चिप ने काम किया, हमेशा की तरह, गिरावट के संकेत दिखाए बिना।

फिर भी, सही अधिकतम आयनीकरण खुराक दिखाने वाले परीक्षण जो GR740 को अवशोषित करने में सक्षम हैं, अभी तक किया जाना है। इन सभी आंकड़ों को एक साथ संकेत मिलता है कि यह प्रोसेसर, पृथ्वी की भूस्थैतिक कक्षा में काम कर रहा है, प्रत्येक 350 वर्षों में एक कार्यात्मक त्रुटि उत्पन्न करनी चाहिए। कम कक्षा में, यह अवधि बढ़कर 1310 वर्ष हो जाती है। और यहां तक ​​कि ऐसी त्रुटियां GR740 को नहीं मारेंगी। उसे केवल रिबूट करना है।

अमेरिका पेटेंट समाधान चुनता है

"संयुक्त राज्य अमेरिका में विकसित किए जा रहे स्पेस-क्लास प्रोसेसर पारंपरिक रूप से स्वामित्व प्रौद्योगिकी जैसे कि पावरपीसी पर आधारित हैं, क्योंकि लोगों को उनके साथ काम करने का अधिक अनुभव था और सभी प्रकार के सॉफ़्टवेयर द्वारा समर्थित किया गया था," अमेरिकी वायु सेना के अनुसंधान प्रयोगशालाओं की लवली ने कहा। आखिरकार, 1960 के दशक में मिथुन मिशनों के लिए आईबीएम द्वारा विकसित डिजिटल प्रोसेसर के साथ अंतरिक्ष कंप्यूटिंग का इतिहास शुरू हुआ। और आईबीएम ने मालिकाना तकनीक के साथ काम किया।

आज तक, BAE RAD प्रोसेसर पावरपीसी पर आधारित हैं, जो IBM, Apple और Motorola के कंसोर्टियम के काम की बदौलत पैदा हुआ था। स्पेस शटल के कॉकपिट और हबल टेलीस्कोप के कंप्यूटरों में काम करने वाले प्रोसेसर इंटेल द्वारा प्रदान किए गए x86 आर्किटेक्चर पर आधारित थे। पावरपीसी और x86 दोनों मालिकाना तकनीक थे। इस परंपरा को जारी रखते हुए, इस क्षेत्र में नवीनतम परियोजना भी बंद प्रौद्योगिकी पर आधारित है।हाई स्पीड स्पेस फ़्लाइट कंप्यूटर ( HPSC ) पावरपीसी और x86 से अलग है जिसमें बाद वाले डेस्कटॉप प्रोसेसर के रूप में जाने जाते थे। और एचपीएससी एआरएम आर्किटेक्चर पर आधारित है जो आज ज्यादातर स्मार्टफोन और टैबलेट पर काम करता है।

HPSC नासा द्वारा विकसित किया गया था, अमेरिकी वायु सेना अनुसंधान प्रयोगशाला और बोइंग, उत्पादन के लिए जिम्मेदार है। HPSC चार-कोर ARM Cortex A53 प्रोसेसर पर आधारित है। उसके पास एएमबीए बस से जुड़े दो ऐसे प्रोसेसर होंगे, जो अंत में एक आठ-कोर सिस्टम देगा। इसलिए इसकी गति, 2018 में मिड-रेंज स्मार्टफ़ोन जैसे सैमसंग गैलेक्सी J8 या विकास बोर्डों जैसे HiKey Lemaker या रास्पबेरी पाई के क्षेत्र में होगी। सच है, ये संकेतक विकिरण से सुरक्षा से पहले दिए गए हैं - यह इसकी गति को दो बार से अधिक कम कर देगा। हालाँकि, हमें अब सुस्त सुर्खियों को नहीं पढ़ना है कि क्यूरियोसिटी रोवर के 200 प्रोसेसर एक आईफोन के साथ नहीं पकड़ेंगे। एचपीएससी के लॉन्च के बाद, इन चिप्स में से केवल तीन या चार की आवश्यकता होगी एक iPhone के साथ गति की तुलना करने के लिए।

लवली कहते हैं, "चूंकि हमारे पास अभी तक परीक्षणों के लिए एक वास्तविक एचपीएससी नहीं है, इसलिए हम केवल इसके प्रदर्शन के बारे में उचित अनुमान लगा सकते हैं।" पहले ध्यान से अध्ययन किए गए पैरामीटर घड़ी की आवृत्ति थी। कोर्टेक्स ए 53 वाणिज्यिक आठ-कोर प्रोसेसर आमतौर पर 1.2 गीगाहर्ट्ज (हाईके लेमेकर के मामले में) से 1.8 गीगाहर्ट्ज (स्नैपड्रैगन 450 की तरह) पर चलते हैं। यह जानने के लिए कि विकिरण सुरक्षा के बाद HPSC घड़ी की आवृत्ति क्या होगी, लवली की तुलनाअपने वाणिज्यिक समकक्षों के साथ विभिन्न अंतरिक्ष-श्रेणी के प्रोसेसर। "हमने तय किया कि प्रदर्शन में इसी तरह की कमी की उम्मीद करना उचित होगा," वे कहते हैं। लवली ने 500 MHz पर HPSC घड़ी की गति का मूल्यांकन किया। और फिर भी यह स्पेस-क्लास चिप के लिए एक असाधारण उच्च गति होगी। यदि यह आवृत्ति वास्तव में ऐसी है, तो HPSC स्पेस-क्लास प्रोसेसर के बीच घड़ी की आवृत्ति में चैंपियन होगा। हालांकि, कंप्यूटिंग शक्ति और अंतरिक्ष में घड़ी की आवृत्ति में वृद्धि आमतौर पर गंभीर समस्याओं में बदल जाती है।

आज, सबसे शक्तिशाली विकिरण-संरक्षित प्रोसेसर BAE RAD5545 है। यह 45 एनएम विनिर्माण प्रक्रिया द्वारा बनाई गई 64-बिट चार-कोर मशीन है, जो 466 मेगाहर्ट्ज की एक घड़ी की आवृत्ति पर काम कर रही है और 20 डब्ल्यू तक बिजली का प्रसार करती है; और 20 वाट सभ्य है। 13 "मैकबुक प्रो 2018 में क्वाड कोर i5 28 वाट को विघटित करता है। यह एल्यूमीनियम के मामले को बहुत अधिक तापमान तक गर्म कर सकता है, उन तक जो उपयोगकर्ताओं के लिए समस्या पैदा करना शुरू कर देता है। उच्च कम्प्यूटेशनल लोड के दौरान, प्रशंसक तुरंत पूरे सिस्टम को ठंडा करने के लिए चालू करेंगे। लेकिन केवल अंदर। प्रशंसकों को अंतरिक्ष में मदद नहीं मिलेगी, क्योंकि कोई हवा नहीं है जो एक गर्म चिप पर उड़ सकती है। अंतरिक्ष यान से गर्मी निकालने का एकमात्र संभव तरीका विकिरण है, और इसमें समय लगता है। बेशक, गर्मी पाइप से गर्मी को दूर करने में मदद मिलेगी। प्रोसेसर, लेकिन यह गर्मी अंततः कहीं जाना चाहिए।कुछ मिशनों में बहुत सीमित ऊर्जा बजट होता है, और वे बस RAD5545 जैसे शक्तिशाली प्रोसेसर नहीं दे सकते। इसलिए, यूरोपीय GR740 विघटित ऊर्जा शक्ति केवल 1.5 वाट है। यह सबसे तेज़ उपलब्ध नहीं है, लेकिन सबसे प्रभावी है। यह आपको प्रति वाट कंप्यूटिंग की अधिकतम राशि देता है। एक 10 डब्ल्यू एचपीएससी दूसरे स्थान पर इसके करीब है, लेकिन हमेशा नहीं।

“प्रत्येक एचपीएससी कोर के पास एक एकल कमांड स्ट्रीम, कई डेटा स्ट्रीम, ओकेएमडी का अपना मॉड्यूल है(एकल निर्देश एकाधिक डेटा, SIMD)। ओकेएमडी तकनीक का उपयोग अक्सर व्यावसायिक डेस्कटॉप और मोबाइल कंप्यूटर में 90 के दशक से किया जाता रहा है। यह वीडियो गेम में प्रोसेसर को बेहतर छवि और ध्वनि प्रसंस्करण में मदद करता है। मान लीजिए कि हमें चित्र को हल्का करने की आवश्यकता है। इसमें कई पिक्सेल हैं, और उनमें से प्रत्येक में एक चमक है जिसे दो से बढ़ाने की आवश्यकता है। ओकेएमडी के बिना, प्रोसेसर को क्रमिक रूप से, एक के बाद एक पिक्सेल को यह सब समेटना होगा। OKMD का उपयोग करके, इस समस्या को समानांतर किया जा सकता है। प्रोसेसर कई डेटा बिंदुओं को स्वीकार करता है - छवि में सभी पिक्सेल का चमक मान - और उनके साथ एक ही निर्देश निष्पादित करता है, एक ही समय में सभी के लिए एक ड्यूज जोड़ रहा है। और चूंकि कॉर्टेक्स ए 53 प्रोसेसर को स्मार्टफोन और टैबलेट के लिए डिज़ाइन किया गया था जो बड़ी मात्रा में मीडिया सामग्री को संभालते हैं, एचपीएससी भी इसके लिए सक्षम है।

"यह छवि संपीड़न, प्रसंस्करण, या स्टीरियो दृष्टि जैसे कार्यों में विशेष रूप से फायदेमंद है," लवली कहते हैं। - ऐसे एप्लिकेशन जो इस सुविधा का उपयोग नहीं करते हैं, HPSC GR740 और अन्य फास्ट स्पेस प्रोसेसर की तुलना में थोड़ा बेहतर काम करता है। लेकिन जब इसका इस्तेमाल किया जा सकता है, तो चिप अपने प्रतिद्वंद्वियों से बहुत आगे है। ”

अंतरिक्ष की खोज के लिए विज्ञान कथा को वापस लाना

संयुक्त राज्य अमेरिका के चिप डेवलपर्स अधिक शक्तिशाली होते हैं, लेकिन नासा के मिशनों के बाद से ऊर्जा प्रोसेसर पर अधिक मांग है, रोबोट और मानव दोनों, आमतौर पर अपने यूरोपीय समकक्षों की तुलना में बड़े पैमाने पर होते हैं। यूरोप में, लोगों या सभी इलाकों के वाहनों को चंद्रमा या मंगल ग्रह पर कार के आकार भेजने के लिए भविष्य के लिए कोई योजना नहीं है। आज, ईएसए जांच और उपग्रहों पर ध्यान केंद्रित कर रहा है, आमतौर पर एक सीमित ऊर्जा बजट के साथ काम कर रहा है, इसलिए कुछ हल्का और अधिक ऊर्जा कुशल, जैसे कि जीआर 740 को चुनना, अधिक समझ में आता है। HPSC को मूल रूप से नासा की विज्ञान-कल्पना महत्वाकांक्षाओं को स्थानों पर लाने के लिए डिज़ाइन किया गया था।

उदाहरण के लिए, 2011 में, नासा के गेम चेंजिंग डेवलपमेंट प्रोग्राम ने एक अध्ययन शुरू किया कि अंतरिक्ष में कंप्यूटिंग अनुरोध 15-20 वर्षों में कैसे दिखाई देंगे। एजेंसी के विभिन्न केंद्रों के विशेषज्ञों की एक टीम ने उन कार्यों की एक सूची तैयार की है जो उन्नत प्रोसेसर मानवयुक्त और रोबोट मिशन में हल कर सकते हैं। उनके द्वारा पहचाने गए पहले कार्यों में से एक उपकरण की स्थिति की निरंतर निगरानी थी। यह कार्य सेंसर की उपस्थिति को उबालता है जो लगातार महत्वपूर्ण घटकों की स्थिति की निगरानी करता है। इन सभी सेंसरों से उच्च आवृत्ति डेटा प्राप्त करना तेज प्रोसेसर की आवश्यकता होती है। यदि कोई डेटा हर 10 मिनट में कहीं आता है, तो एक धीमा कंप्यूटर शायद काम करेगा, लेकिन अगर दक्षता प्राप्त करने के लिए आपको प्रति सेकंड कई बार सभी उपकरणों की जांच करने की आवश्यकता होती है,वास्तविक समय की निगरानी जैसा दिखने वाला, आपका प्रोसेसर बहुत तेज चलना चाहिए। यह सब विकसित करने की आवश्यकता है ताकि अंतरिक्ष यात्री नियंत्रण कक्ष के सामने बैठ सकें, जो जहाज की वास्तविक स्थिति को प्रदर्शित करेगा, आवाज अलर्ट और सुंदर ग्राफिक्स जारी करने में सक्षम है। ऐसे ग्राफिक्स का समर्थन करने के लिए, तेज कंप्यूटर की भी आवश्यकता होती है।

हालांकि, विज्ञान कथा लक्ष्य कॉकपिट के साथ समाप्त नहीं होते हैं। अन्य दुनिया की खोज करने वाले अंतरिक्ष यात्रियों के लिए अपने हेलमेट में निर्मित एक संवर्धित वास्तविकता प्रणाली होने की संभावना है। उनका वातावरण कंप्यूटर द्वारा उत्पन्न वीडियो, ध्वनियों और जीपीएस डेटा द्वारा पूरक होगा। सिद्धांत रूप में, संवर्धित वास्तविकता शोधकर्ताओं की प्रभावशीलता में सुधार करेगी, संभावित खतरनाक स्थितियों की खोज और चेतावनी के लायक क्षेत्रों को चिह्नित करेगी। बेशक, हेलमेट में संवर्धित वास्तविकता को एम्बेड करना कई संभावनाओं में से एक है। अध्ययन में उल्लिखित अन्य विकल्पों में पोर्टेबल डिवाइस हैं, जैसे कि स्मार्टफ़ोन, और कुछ अस्पष्ट रूप से "जानकारी प्रदर्शित करने के लिए अन्य संभावनाएं" के रूप में वर्णित हैं। इस तरह की कंप्यूटिंग सफलताओं के लिए तेजी से स्पेस-क्लास प्रोसेसर की आवश्यकता होगी।

इसके अलावा, ऐसे प्रोसेसर को रोबोट मिशन में सुधार करना चाहिए। एक मुख्य उदाहरण एक कठिन भूभाग पर उतर रहा है। सतह पर लैंडिंग के लिए एक साइट चुनना हमेशा सुरक्षा और वैज्ञानिक मूल्य के बीच एक समझौता है। सबसे सुरक्षित स्थान पत्थरों, पहाड़ियों, घाटियों और चट्टानों के बहिर्वाह के बिना एक समतल विमान है। वैज्ञानिक दृष्टिकोण से, सबसे दिलचस्प जगह भौगोलिक रूप से विविध होगी, जिसका अर्थ है पत्थरों, पहाड़ियों, घाटियों और चट्टानों के बहिर्प्रवाह की बहुतायत। इस समस्या को हल करने का एक तरीका तथाकथित है। टेरेन बेस्ड नेविगेशन (NOM)। एनओएम प्रणाली से लैस ऑल-टेरेन वाहन महत्वपूर्ण संकेतों को पहचान सकते हैं, संभावित खतरे को देख सकते हैं और इसके चारों ओर जा सकते हैं, और यह लैंडिंग त्रिज्या को 100 मीटर तक सीमित कर सकता है। समस्या यह है कि आज मौजूद अंतरिक्ष-श्रेणी के प्रोसेसर इतनी गति से छवियों को संसाधित करने के लिए बहुत धीमी हैं।NASA की एक टीम ने RAD 750 पर NOM प्रदर्शन परीक्षण शुरू किया और पाया कि एक एकल कैमरे से अपडेट होने में लगभग 10 सेकंड का समय लगा। दुर्भाग्य से, यदि आप मंगल ग्रह की सतह पर आते हैं, तो 10 सेकंड बहुत है। 100 मीटर की त्रिज्या वाली साइट पर एक ऑल-टेरेन वाहन को उतारने के लिए, कैमरे से अपडेट को हर सेकंड संसाधित किया जाना चाहिए। प्रति मीटर साइट पर सटीक लैंडिंग के लिए, आपको प्रति सेकंड 10 अपडेट की आवश्यकता होगी।

नासा से अन्य कम्प्यूटेशनल इच्छाओं में एल्गोरिदम हैं जो सेंसर रीडिंग, बुद्धिमान रेखांकन, उन्नत स्वायत्तता, आदि के आधार पर आसन्न आपदाओं की भविष्यवाणी कर सकते हैं। यह सब वर्तमान स्पेस-क्लास प्रोसेसर की क्षमताओं से परे है। इसलिए, अध्ययन में, नासा के इंजीनियर ऐसे कार्यों का समर्थन करने के लिए आवश्यक कंप्यूटिंग शक्ति के अपने अनुमान देते हैं। उन्होंने पाया कि जहाज की स्थिति की निगरानी और कठिन परिस्थितियों में लैंडिंग के लिए 10 से 50 GOPS (प्रति सेकंड gigaoperations) की आवश्यकता होगी। फैशनेबल डिस्प्ले और उन्नत ग्राफिक्स के साथ फ्यूचरिस्टिक साइ-फाई फ्लाइट कंसोल 50-100 GOPS की आवश्यकता होगी। वही संवर्धित वास्तविकता हेलमेट या अन्य उपकरणों के लिए जाता है; वे भी 50 से 100 GOPS का उपभोग करते हैं।

आदर्श रूप से, भविष्य के अंतरिक्ष प्रोसेसर आसानी से इन सभी परियोजनाओं का समर्थन करने में सक्षम होंगे। आज, 7 से 10 वाट तक बिजली अपव्यय में कार्यरत HPSC, 9-15 GOPS देने में सक्षम है। यह पहले से ही चरम लैंडिंग को संभव बना सकता है, लेकिन एचपीएससी को डिज़ाइन किया गया है ताकि यह आंकड़ा काफी बढ़ सके। सबसे पहले, इन 15 GOPS में OKMD से प्राप्त प्रदर्शन लाभ शामिल नहीं हैं। दूसरे, यह प्रोसेसर अन्य HPSC और बाहरी उपकरणों के साथ मिलकर काम कर सकता है, उदाहरण के लिए, विशेष FPGA या GPU प्रोसेसर। इसलिए, भविष्य के अंतरिक्ष यान में समानांतर में काम करने वाले कई वितरित प्रोसेसर हो सकते हैं, और विशेष चिप्स कुछ कार्यों जैसे छवि प्रसंस्करण या सिग्नल से निपट सकते हैं।

भले ही गहरे अंतरिक्ष के बारे में मानव जाति के सपने कहां जाएं, इंजीनियरों को पहले से ही पता है कि वर्तमान कंप्यूटिंग शक्ति विकास के किस चरण में है। LEON GR740 इस साल के आखिर में ईएसए को उपलब्ध कराने के कारण है, और कुछ अतिरिक्त परीक्षणों को पारित करने के बाद, इसे 2020 में उड़ान भरने के लिए तैयार होना चाहिए। HPSC उत्पादन चरण, बदले में, 2012 में शुरू होना चाहिए और 2022 में समाप्त होना चाहिए। 2022 में परीक्षण करने के लिए कई महीने लगने चाहिए।

नासा को 2022 के अंत तक तैयार-टू-यूज़ एचपीएससी चिप्स प्राप्त करना चाहिए। इसका मतलब यह है कि, प्रगति को जटिल बनाने वाले अन्य कारकों को ध्यान में रखे बिना, कम से कम लौकिक सिलिकॉन भविष्य में एक गति से आगे बढ़ रहा है जो इसे 2024 तक चंद्रमा पर लोगों की वापसी के लिए तैयार करने की अनुमति देगा।