C'est surprenant, mais les engins spatiaux modernes sont équipés de processeurs obsolètes qui ont été développés au XXe siècle. Dans cet article, nous vous dirons quelle est la raison de cet état de fait.
Les vaisseaux spatiaux sont de véritables merveilles de technologie, équipés de toutes sortes d'électronique. Bien sûr, cela inclut également les processeurs, grâce auxquels l'équipement peut effectuer des calculs très complexes. Cependant, les puces utilisées dans le développement de la NASA et d'autres agences spatiales peuvent souvent ressembler à des appareils obsolètes qui sont depuis longtemps hors de production.
Lorsque nous parlons de processeur, les blocs de nos ordinateurs de bureau nous viennent probablement immédiatement à l'esprit. De nombreuses puces ont influencé l'industrie technologique. Actuellement, de puissants supercalculateurs dotés d'une énorme puissance de calcul ont déjà été développés. Il serait logique d'utiliser des équipements similaires dans un domaine technologique aussi complexe que la recherche spatiale. Atterrir sur la lune ou lancer et manœuvrer une sonde spatiale à des millions de kilomètres de notre planète nécessite certainement beaucoup de puissance de calcul. Il s'avère que ce n'est pas tout à fait le cas, et beaucoup d'entre vous seront probablement surpris de voir à quel point il en faut peu pour contrôler, disons, une station spatiale. Soit dit en passant, le nouveau rover Persévérance, qui a récemment atterri avec succès sur la planète rouge, est basé sur le processeur RAD750, qui est une version spéciale du PowerPC 750 - le cœur des ordinateurs iMac G3 sortis il y a plus de 20 ans . Et l'hélicoptère Ingenuity, qui opère également actuellement sur Mars, est équipé d'un processeur Snapdragon 801. Ces engins spatiaux, effectuant les opérations de calcul les plus complexes, fonctionnent sur de tels microprocesseurs "ordinaires", voire obsolètes. Mais il est peu probable que cet état de choses change, même à l'avenir. Découvrons pourquoi les scientifiques de la NASA et d'autres agences spatiales sont obligés d'utiliser des SoC aussi faibles.
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Les processeurs spatiaux sont étonnamment lents
Commençons par un exemple qui devrait être bien connu de tous. Nous parlons de l'événement survenu le 16 juillet 1969. Ce jour-là, dans le cadre de la mission Apollo 11, le lanceur SA-506 a sorti le vaisseau spatial Apollo de l'atmosphère terrestre. Et 4 jours plus tard, les astronautes américains Buzz Aldrin et Neil Armstrong posaient le pied sur la surface de la Lune pour la première fois dans l'histoire de l'humanité. La mission a été réalisée avec succès avec l'aide de l'AGC (Apollo Guidance Computer), développé en 1966. La conception était assez intéressante du point de vue de la technologie informatique, mais en regardant les caractéristiques techniques de cet appareil, on ne peut qu'être surpris que la mission ait réussi. Pensez-y, la puce embarquée fonctionnait avec une fréquence d'horloge de seulement 2,048 MHz et disposait d'une RAM de seulement 2048 mots. Oui, exactement les mots. Autrement dit, cela semble maintenant tout simplement incroyable, mais à cette époque, c'était l'un des ordinateurs les plus modernes.
Il convient de noter qu'un ordinateur personnel offrait des performances similaires Apple II, sorti quelques années plus tard. En d'autres termes, à cette époque, le vaisseau spatial disposait d'un équipement technique en avance sur son temps.
Cependant, cet état de fait a duré jusqu'à un certain point, il est vite devenu clair qu'un appareil plus performant n'est pas forcément la meilleure solution, et parfois cela peut être plus dangereux. Le tournant de l'histoire de l'électronique spatiale a été la détermination des valeurs exactes du rayonnement cosmique et de son impact sur la technologie. Mais comment les radiations affectent-elles le processeur lui-même ?
Lorsque le vaisseau spatial Gemini, équipé d'un simple ordinateur de bord, a été lancé dans l'espace, les technologies utilisées pour le créer étaient, à ce jour, extrêmement primitives. Cependant, dans l'espace, cela s'est avéré être un gros avantage.
De nos jours, lors de la création de nouveaux processeurs, des processus technologiques plus modernes sont utilisés, maintenant nous pouvons facilement acheter, pratiquement, des processeurs microscopiques fabriqués par lithographie 7 nm. Plus la puce est petite, moins il faut de tension pour l'allumer et l'éteindre. Dans l'espace, cela peut causer de sérieux problèmes. Le fait est que sous l'influence de particules de rayonnement, il existe une possibilité de commutation non planifiée de l'état dans lequel se trouvera le transistor. Ceci, à son tour, peut amener ce dernier à cesser de fonctionner au moment le plus inattendu, ou les calculs effectués à l'aide d'un tel processeur seront inexacts. Et dans l'espace, cela est inacceptable et peut avoir des conséquences tragiques.
Un exemple intéressant est, par exemple, le processeur Intel 386SX (une version réduite de l'Intel 80386), qui contrôlait la soi-disant cabine en verre. Il fonctionnait à une vitesse d'horloge d'environ 20 MHz, ce qui signifie qu'il pouvait effectuer des tâches à 20 000 cycles par seconde. Déjà au moment de ses débuts dans la construction spatiale, la puce n'avait pas une vitesse particulièrement élevée, mais plus important encore, grâce à la faible fréquence d'horloge, le processeur était sûr.
Lorsqu'elles sont exposées à des radiations, ses particules peuvent endommager les données stockées dans la mémoire cache du processeur. Ceci est possible dans une fenêtre très courte - une synchronisation faible la réduit considérablement, ce qui signifie que les circuits plus rapides sont plus exposés aux rayonnements. En termes simples, les radiations peuvent éventuellement affecter le stockage des données et endommager le processeur lui-même. Ceci est inacceptable dans les conditions de fonctionnement d'une station spatiale, d'un lanceur ou d'une sonde. Personne ne risquera un projet d'un million de dollars.
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Rayonnement destructeur
À une époque, l'impact des radiations était compensé par des changements dans le processus de production lui-même, par exemple, des matériaux tels que l'arséniure de gallium étaient utilisés. Cependant, chaque modification coûtait très cher. De plus, des systèmes pour véhicules spatiaux sont créés dans des usines spécialisées en petites quantités. Seule l'utilisation de la technologie RHBD a permis d'utiliser le procédé CMOS standard dans la production de microcircuits résistants aux radiations. Des techniques telles que la triple redondance, qui permet de stocker à tout moment trois copies identiques du même bit, ont également été utilisées. Lorsqu'ils sont nécessaires, le meilleur est choisi.
Les effets destructeurs des radiations sur les systèmes d'engins spatiaux ont autrefois causé l'échec de la mission russe Phobos-Grunt. La puce WS512K32V20G24M, conçue pour les avions militaires, a été endommagée par les ions lourds des rayons cosmiques. Un courant excessif a endommagé l'ordinateur et il est passé en mode sans échec. En raison de problèmes de communication, le redémarrage n'a pas été possible, ce qui a entraîné l'entrée de la sonde dans l'atmosphère et sa combustion.
Par conséquent, pour les projets à longue durée de vie, des blocs vraiment durables sont utilisés. Par exemple, le télescope Hubble était à l'origine équipé d'une unité Rockwell Autonetics DF-8 224 bits avec une fréquence d'horloge de 1,25 MHz. Il est vite devenu clair que c'était une mauvaise idée, et la NASA a dû passer par le processus de remplacement de la puce par une puce Intel. En 1993, le télescope a été adapté pour prendre en charge Intel 386, et lors de la mission de service 3A en 1999, la paire de puces DF-224 et Intel 386 a été remplacée par une puce Intel 486.
Nous avons déjà donné ici l’exemple de la station spatiale. Il semblerait qu’une structure aussi vaste et complexe doive disposer d’un système très efficace à son bord. Cependant, ce n'est pas le cas. On sait que l'ordinateur principal de la Station spatiale internationale (ISS) fonctionne sur le bloc Intel 386 déjà mentionné. Fondamentalement, deux ensembles de trois ordinateurs sont utilisés - un russe et un américain. Jetons également un coup d'œil au vaisseau spatial New Horizons, beaucoup plus récent, qui a survolé Pluton en 2015 et a ciblé la ceinture de Kuiper. La puce Mongoose-V résistante aux radiations avec une fréquence d'horloge de 15 MHz, capable d'effectuer des tâches à une vitesse de 40 000 cycles par seconde, était responsable de la plupart des fonctions de cet appareil. Ses performances sont proches des performances du processeur sur lequel fonctionne la console PlayStation.
Quand on regarde des engins spatiaux même très modernes, on constate que les concepteurs utilisent des solutions qui datent souvent de plusieurs décennies. Récemment, le monde entier a assisté à l'atterrissage du rover Curosity sur Mars. Peu de gens auraient deviné qu'à l'intérieur se trouvait un processeur BAE RAD750 cadencé à seulement 200 MHz, une version améliorée de la puce IBM PowerPC 750. Si vous avez déjà possédé un ordinateur Apple, vous connaissez peut-être ce processeur de la série iMac. De plus, il utilisait également le microprocesseur moins efficace de la console Nintendo Wii. En raison des exigences de fonctionnement dans des conditions de rayonnement accru, sa fréquence d'horloge a été réduite de plus de trois fois.
Nous avons déjà mentionné que le rover Persévérance fonctionne également sur un processeur sorti il y a plus de 20 ans. En d'autres termes, rien n'a changé et les engins spatiaux coûtant des millions de dollars utilisent des microprocesseurs sortis au siècle dernier. Peu importe comment ça sonne, mais c'est vrai.
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Logiciels et ordinateurs exécutant Crew Dragon, Falcon et Starlink
Nous avons décidé de découvrir plus en détail ce qui est utilisé comme logiciel, en prenant l'exemple des célèbres Crew Dragon, Falcon et Starlink.
Lorsque nous entendons le nom du vaisseau spatial Crew Dragon, beaucoup de gens pensent aux trois écrans tactiles et à l'interface de contrôle bleue que nous avons vus lors des émissions. Il y a encore beaucoup de débats sur la possibilité de contrôler le vaisseau spatial à l'aide d'écrans tactiles au lieu de boutons, interrupteurs et manettes de jeu. SpaceX ont choisi cette option car leur objectif était de concevoir le navire de manière à ce qu'il ne nécessite aucun contrôle et, en même temps, que l'équipage ait toujours accès à autant d'informations que possible. Le navire est complètement autonome et la seule chose que les astronautes doivent contrôler se limite aux systèmes internes de la cabine, comme le volume du système audio. Le contrôle du vol du navire et de ses systèmes les plus importants par les astronautes ne devrait être effectué qu'en cas d'urgence, et SpaceX a essayé avec l'aide des astronautes eux-mêmes de développer la meilleure interface graphique pour ces tâches.
Cependant, il convient de noter que les fonctions clés du navire peuvent être contrôlées à l'aide des boutons situés sous l'écran. L'équipage a la possibilité de démarrer le système d'extinction d'incendie, d'ouvrir les parachutes lors de la rentrée dans l'atmosphère, d'interrompre le vol vers l'ISS, de démarrer une descente d'urgence depuis l'orbite, de réinitialiser les ordinateurs de bord et d'effectuer d'autres tâches d'urgence. Un levier sous l'écran central permet aux astronautes de démarrer le système d'évacuation. Ils ont également des boutons qui démarrent et annulent les commandes saisies à l'aide des écrans. De cette façon, si l'astronaute exécute une commande sur l'écran et qu'elle échoue, il a toujours la possibilité d'annuler la commande en appuyant sur un bouton sous l'écran. La clarté et la contrôlabilité des écrans ont également été testées dans des conditions de vibration, et les équipes de test et les astronautes ont effectué de nombreux tests avec des gants et des combinaisons spatiales scellées.
L'exigence la plus importante pour un système de contrôle de missiles et de navires est, bien sûr, la fiabilité. Dans le cas des fusées SpaceX, cela est assuré, tout d'abord, grâce à la redondance du système, c'est-à-dire grâce à l'utilisation de plusieurs composants identiques qui fonctionnent ensemble et peuvent se dupliquer et se compléter. En particulier, le Falcon 9 dispose au total de trois ordinateurs de bord distincts. Chacun de ces ordinateurs lit les données des capteurs et des systèmes de la fusée, effectue les calculs nécessaires, prend des décisions sur d'autres actions et génère des commandes pour prendre ces décisions. Les trois ordinateurs sont interconnectés et les résultats obtenus sont comparés et analysés.
Les ordinateurs sont basés sur des processeurs PowerPC double cœur. Encore une fois, les deux cœurs effectuent les mêmes calculs, les comparent les uns aux autres et vérifient la cohérence. Ainsi, alors que la redondance matérielle est triple, la redondance informatique logicielle est sextuple. Dans le même temps, vous pouvez remettre un ordinateur défectueux en état de fonctionnement, par exemple en redémarrant. Si l'ordinateur principal tombe en panne, l'un des ordinateurs restants prend le relais.
En cas de problèmes avec les ordinateurs ou d'autres systèmes, le sort de la mission dépend de la décision du système autonome de sécurité des vols (AFSS). Il s'agit d'un système informatique de bord complètement indépendant qui fonctionne sur un ensemble de plusieurs microcontrôleurs (petits ordinateurs), reçoit les mêmes données des capteurs, résultats de calcul et commandes des ordinateurs de bord et contrôle le déroulement sûr du vol.
Pour s'assurer que tous les ordinateurs disposent toujours des données les plus fiables possibles, la plupart des capteurs sont redondants, tout comme les ordinateurs qui lisent ces données puis les envoient aux ordinateurs de bord. De la même manière, les ordinateurs qui contrôlent les sous-systèmes de missiles individuels (moteurs, gouvernails, tuyères de manœuvre, etc.) sont dupliqués par des commandes d'ordinateur de bord. Ainsi, Falcon 9 est contrôlé par toute une arborescence composée d'au moins 30 ordinateurs. En haut de l'arborescence se trouvent les ordinateurs embarqués qui gèrent un réseau d'ordinateurs subordonnés. Chacun a son propre canal de communication avec chaque ordinateur de bord séparément. Alors toutes les équipes viennent le voir trois fois.
Mais comme vous pouvez le constater, tous les ordinateurs de bord sont basés sur de simples micropuces, et non sur les microcircuits sophistiqués des supercalculateurs modernes.
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L'avenir des puces spatiales
L'utilisation de processeurs relativement anciens ne signifie pas que de nouveaux ne sont pas créés. C'est juste que le processus de création est très difficile et prend beaucoup de temps. Il faut également comprendre que chaque structure qui sera utilisée dans l'espace doit répondre aux exigences de la classe MIL-STD-883. Cela signifie réussir plus de 100 tests développés par le département américain de la Défense, y compris des tests thermiques, mécaniques, électriques et autres tests de puces. La plupart des processeurs qui ont réussi ce test sont fabriqués uniquement à partir de la partie centrale de la plaquette de silicium. C'est parce que c'est ici que les défauts de bord sont les moins susceptibles de se produire.
La liste des projets de futurs engins spatiaux comprend, entre autres, la série de systèmes HPSC développés par la NASA. Comme prévu, les processeurs devraient être prêts au tournant de 2023 et 2024. Leurs performances devraient être plus de 100 fois supérieures à celles des systèmes les plus rapides actuellement utilisés dans les engins spatiaux. Les Américains se concentrent sur le développement de puces qui peuvent aider à conquérir la Lune et Mars. Mais pour l'instant ce ne sont que des projets.
L'Agence spatiale européenne, qui développe depuis longtemps des puces basées sur l'architecture open-source SPARK, adopte une approche légèrement différente. Le dernier produit de ce type est le modèle GR740 de la famille LEON4FT. Ce processeur quadricœur cadencé à 250 MHz, équipé d'une carte réseau gigabit et de 2 Mo de cache L1000, devrait être une plate-forme appropriée pour les engins spatiaux et les satellites sans pilote. Selon les calculs des scientifiques, la conception et les caractéristiques du processeur devraient garantir son fonctionnement normal même après 300 ans. Les scientifiques garantissent qu'après 250 ans de fonctionnement de la puce, au moins une erreur peut se produire. Cela inspire confiance dans la solidité et la durabilité des engins spatiaux, car le vol vers le même Mars prendra environ 300 à XNUMX jours, et ce n'est qu'une trajectoire pratique. Les sondes errent parfois dans l'espace pendant des années.
Fait intéressant, il convient de mentionner qu'en 2017, HPE et la NASA ont lancé le premier ordinateur commercial hautes performances à bord de la fusée SpaceX Falcon 9. Un serveur HPE Apollo 40 à double socket avec des processeurs Intel Broadwell et un débit rapide de 56 Gbit/s. L'interface est arrivée à la Station spatiale internationale. Si l’on en croit les scientifiques, sa performance n’était que de 1 TFLOPS, mais c’était quand même beaucoup pour les conditions spatiales.
Cela montre à quel point il est difficile de concevoir des puces à utiliser en dehors de notre planète, et combien de travail doit être fait pour rattraper au moins les processeurs de PC domestiques grand public.
Mais les scientifiques font de gros efforts pour développer les micropuces les plus puissantes qui non seulement prendront en charge le fonctionnement des engins spatiaux, mais seront également protégées de manière fiable contre les radiations et les radiations spatiales. Peut-être que les ordinateurs quantiques vont changer la donne, mais c'est une autre histoire.
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Optoélectronique/ordinateurs quantiques ?
20 MHz correspond à 20000000 20000 20 opérations par seconde. XNUMX XNUMX correspond à XNUMX KHz.
"Ce processeur quad-core cadencé à 250 MHz, équipé d'une puce gigabit et de 2 Mo de cache LXNUMX."
Quel type de puce ?
C'est mon inattention. Merci d'avoir remarqué. Il s'agissait d'une carte réseau gigabit. Corrigé.
"Beaucoup d'entre vous seront probablement surpris par le peu de choses nécessaires pour contrôler, par exemple, une station spatiale" - Il est plutôt surprenant de voir combien de ressources les ordinateurs modernes consomment pour certaines des tâches les plus simples. Pour, par exemple, ouvrir une page sur Internet, il faut un processeur plus puissant et plus de mémoire que pour contrôler une station spatiale.