Kui me mõtleme arvutid kosmoses Kipume ette kujutama futuristlikke paneele, holograafilisi ekraane ja võimatuid protsessoreid, mis oleksid ulmefilmi väärilised. Tegelikkus on palju vähem toretsev... ja palju huvitavam: riistvara, mis hoiab kosmoseaparaate ja sonde elus, on tavaliselt vana, karm ja obsessiivselt usaldusväärne.
Rahvusvahelise mehitatud kosmoselendude päevaga kokku langedes tasub üle vaadata, milline on kosmoseuuringud tänapäeval. arvutid, mis reisivad atmosfäärist kaugemaleMis vahe on neil ja meie koduarvutitel, kuidas neid surmava keskkonna eest kaitstakse ja kuidas kõik muutub andmekeskuste ja tehisintellekti orbiidile jõudmisega?
Millised on pardaarvutid tegelikult?
Kui me saaksime avada tänapäevase kosmoselaeva elektroonikakapi, ei näeks see, mida me näeksime, sugugi välja nagu mänguarvuti: raske metallkast mõne värvilised pistikud ja USB, ekraani või klaviatuuri jälgi poleVälimus on peaaegu vananenud, kuid see vastab väga selgele loogikale: iga element on loodud nii, et see võimalikult vähe rikkeid teeks.
Nende süsteemide tuum koosneb tavaliselt vahetatavatest moodulitest: protsessor, mälu ja sisend-/väljundseadmed Need on kokku pandud nagu klotsid, mida saab purunemise korral suhteliselt kiiresti välja vahetada. See modulaarne disain on ülioluline, sest kosmosekiirgus karistab elektroonikat halastamatult, põhjustades aja jooksul vigu ja komponentide halvenemist.
Rahvusvahelises kosmosejaamas (ISS) on sõna otseses mõttes kümneid arvuteid, mis on laiali pillutatud üle kogu konstruktsiooni, sealhulgas mõned väljaspool seda. Igal aastal peab meeskond sekkuma, et parandama või vahetama umbes kakskümmend seadetPaljud neist on kosmosekäikudel, kus logistika on kõike muud kui tühine.
Vastupidavuse kinnisidee tähendab ka ebavajaliku keerukuse vältimist: mida vähem on porte, vähem mehaanilisi osi, vähem ekraane ja vähem dekoratiivset tarkvara, seda lihtsam on süsteemi aastaid töökorras hoida keskkonnas, kus keegi ei saa nurgapealsesse arvutipoodi minna.
Arvutusvõimsus: vähem lihaseid, rohkem aju
Üks suurimaid üllatusi kõigile, kes kosmosearvutusega tegelevad, on avastamine, et paljud missioonid kasutavad endiselt protsessorid, mida meie Maal peame eelajaloolisteksNäiteks ISS-il oli aastaid tööhobuseks Intel 80386SX, kiip, mis oli aastakümneid tagasi koduarvutites populaarne.
Tänapäevase videomänguri vaatenurgast tundub see jõudlus naeruväärne. Laeva kriitilised ülesanded – trajektoori juhtimine, elutoetussüsteemide haldamine, andurite jälgimine – ei vaja aga 3D-graafikat ega suurejoonelisi liideseid: need vajavad täpsed, püsivad ja täielikult prognoositavad arvutusedSelleks on tagasihoidlik protsessor enam kui piisav.
Nende veterankiipide edasiseks kasutamiseks on veel üks mõjuv põhjus: kosmosearvuti väljatöötamine võib olla pikk. palju aastaid, isegi aastakümneidMissiooni spetsifikatsioonid vormistatakse väga varakult, valitakse tõestatud tehnoloogia ja see sertifitseeritakse lõputu testimisega. Selleks ajaks, kui kosmoselaev lõpuks õhku tõuseb, on see, mis lendab, juba tehnoloogiliselt vananenud... aga see on teadaolevalt usaldusväärne.
Lisaks sellele on oluline ka energiakulu: laos, kus on eelistatav vanem, lihtsam ja väikese energiatarbega protsessor Iga elektrienergia vatt on arvesse võetudTarbijakoletise loomisel pole mõtet, kui see ei too missioonile selget kasu.
Süsteemide disain: mida lihtsam, seda parem
Paradoksaalsel kombel, kuigi kosmoselaev on tuhandete alamsüsteemidega inseneriteaduse ime, on otsuste langetamise osa tavaliselt tahtlikult lihtne. Pardal olevad arvutid on korraldatud väga lihtsateks mooduliteks, mis Nad teostavad vähendatud hulga toiminguidSee lihtsus parandab nii stabiilsust kui ka vigade diagnoosimise ja isoleerimise võimet.
Midagi sarnast juhtub ka tarkvaras: kosmosearvutid ei kasuta mootorite ja ventiilide juhtimiseks Windowsi ega macOS-i, vaid reaalajas operatsioonisüsteemid (RTOS)Need süsteemid ohverdavad kasutajamugavuse vastutasuks selle eest, et iga käsk täidetakse täpselt oodatud ajal, ilma sellele "mõtlemata" või taustaprotsesse tähtsuse järjekorda seadmata, nagu seda teeb lauaarvuti süsteem.
Filosoofia on mitte midagi raisata: lennutarkvara on kirjutatud tarbib võimalikult vähe RAM-i ja koormab protsessorit minimaalseltEi mingeid animatsioone, ebavajalikke teenuseid ega telemeetriat, mis väärtust ei lisa. Mida vähem elemente võrrandis on, seda väiksem on tõenäosus, et midagi ahelat katkestab.
Parandused ja plaastrid miljonite kilomeetrite pealt
Ükskõik kui hoolikad insenerid ja programmeerijad ka poleks, pole ükski tarkvara täiuslik. Ja kui rikkis arvuti on miljonite miilide kaugusel, muutuvad asjad veidi keerulisemaks kui lihtsalt Windowsi uuesti installimine. Seetõttu pöörduvad nad enne paranduse saatmist uurimisele... Maal oleva riistvara identsed koopiad kus probleemi simuleeritakse detailselt.
Kuulus näide on Voyager 2 sond. See saadeti orbiidile 70. aastatel ja on aastakümneid Päikesest eemaldunud. 2010. aastal hakkas see andmeid tagasi saatma. rikutud andmed ja vastuolulised signaalidSee oli sümptom, et vananeva elektroonikaga oli midagi valesti. Projekti laboris hoidis NASA rikke taasesitamiseks pardaarvuti koopiat töös.
Pärast mitmeid katseid avastasid nad, et mälusektor oli kahjustatud, mis polnud haruldane pärast nii pikka aega kosmilise kiirgusega kokkupuudet. Lahenduseks oli valmistada ette tarkvara plaaster mis möödus kahjustatud segmendist ja konfigureeris süsteemi ümber. Parandus saadeti raadio teel, sond paigaldas selle ja jätkas kehtivate teadusandmete edastamist tähtedevahelise ruumi äärelt.
Midagi sarnast juhtus ka Marsi kulguriga Spirit, mis sai samuti mälu ja salvestusruumi probleemide haldamiseks kaugvärskendusi. Lõppkokkuvõttes on need missioonid pigem meie koduarvutite moodi, kui me arvame: Nad elavad tänu parandustele, taaskäivitustele ja suurele kannatlikkusele.ainult mõne valgusminutilise viivitusega.
Kinnisidee mitte kaotada ühtegi killukest
Iga kosmoses kogutud andmebait maksab varanduse aja, raha ja inimtööjõu näol. Seepärast on kosmosearvutus loodud ühe selge ideega: Teabe kaotus on vastuvõetamatuKui absoluutset katastroofi välja arvata, siis kui katse ettevalmistamine on kestnud aastaid ja mälu, kuhu tulemusi salvestatakse, lakkab töötamast, siis kogu see töö kaob.
Selle riski minimeerimiseks kasutatakse lähenemisviisi „ära usalda midagi ega kedagi”: rongisisesed süsteemid salvestavad sama teabe tavaliselt samaaegselt mitmele andmekandjale. välkmälu magnetlintidega või muul viisil, nii et kui üks salvestustüüp rikki läheb, saab andmed salvestada teine.
Idee ei erine kuigi palju koduste fotode ja muusika varundamisest välisele kõvakettale ja pilve. Suur erinevus seisneb selles, et kosmosemissioonidel võib andmete kaotamine unikaalsest vaatlusaknast olla katastroofiline. aastakümneid kestnud planeerimine.
ISS-il hõljuvatest ThinkPadidest orbiidil veebis surfamiseni
Rahvusvahelise Kosmosejaama sees on ühendatud ülispetsiifiline varustus arvutitega, mis on üsna sarnased meie omadega. Igal astronaudil on Lenovo ThinkPadi sülearvuti mida saab jaamaspetsiifilise siini kaudu erinevate süsteemidega ühendada, toimides juhtimis- või päringuterminalina.
Aastaid töötasid need sülearvutid Windows XP-ga, kuni 2013. aastal otsustati migreeruda Linuxile (Debian 6 „Squeeze“). Ametlik põhjus oli selge: nad vajasid stabiilne, usaldusväärne ja väga hästi juhitav operatsioonisüsteemmida sai soovi korral parandada, kohandada ja muuta ilma kolmandate osapoolte abita. Enne seda migratsiooni olid juba kasutusel teaduslikud distributsioonid, näiteks CERNi ja Fermilabi hallatav Scientific Linux, mis hiljem andsid teed CentOS-i teaduslikele variantidele.
Astronautidel on ka varustust isiklikuks kasutamiseks, veebis surfamiseks ja perega videokõnede tegemiseks. Siiski See võrk on kriitilistest süsteemidest täielikult isoleeritudtulemüüride ja spetsiifiliste mehhanismidega, et vältida pahavara sattumist jaama turvalisuse ohtu.
Tegelikult avastati pahavara „Gammima” astronaudi sülearvutil juba 2007. aastal. Sellest ajast alates võttis NASA seda probleemi palju tõsisemalt. viirusetõrje ja turvapoliitikad Kosmosesse lendava varustuse puhul. Üks asi on see, kui viirus rikub teie sülearvuti kodus, ja hoopis teine asi on see, kui see imbub orbiidil olevasse laborisse.
NASA Maal: superarvutitest kontorisülearvutiteni
Lisaks pardaarvutitele tehakse suur osa raskest arvutustööst ära Maal. Silmatorkav näide on Aitken, üks NASA Amesi uurimiskeskuse superarvutitest, enam kui 4.000 m² suuruses moodulrajatises, mis on valmis moodulite kaupa kasvama.
Aitken toodi turule Intel Xeon Gold "Cascade Lake" protsessoritega ja hiljem laiendati seda 16 rackiga, mis põhinesid HPE toodetud AMD EPYC "Rome" protsessoritel. Tulemuseks on masin, millel on rohkem kui 300.000 XNUMX protsessori südamikkuUmbes 1,27 petabaidi muutmälu ja enam kui 13 petaflopi teoreetilise võimsusega kuulub see TOP500 nimekirja kohaselt maailma 100 võimsaima superarvuti hulka.
See töötab koos SUSE Linux Enterprise ServerSee kasutab kiireid InfiniBandi võrke, Altair PBS Professionali ajastajat ning Inteli ja GCC kompilaatoreid C++ ja FORTRAN programmide jaoks. See on süsteem, mida kasutatakse aerodünaamika, trajektooride, planeedi kliimamudelite ja mis tahes muu numbrilise hulluse simuleerimiseks, mida NASA võib vajada.
Kuid asi pole ainult arvutimonstrumites: agentuuri insenerid ja töötajad töötavad iga päev üsna tavalised sülearvutid ja tööjaamadLenovo ThinkPad T61p ja selle järeltulijad, HP Zbook 15 ja muud sarnased mudelid on tavaliselt varustatud Windows 10 või 11 operatsioonisüsteemiga. Linuxit kasutatakse ka mõnes teadusrühmas ja teatud aegadel isegi PowerPC või Intel protsessoritega Macides, eriti sellistes osakondades nagu reaktiivmootorite labor.
Macidel oli oluline roll näiteks Marsil asuva Curiosity kulguri arendamisel, kus neid kasutati MacBookid OS X-i, Parallels Desktopi ja selliste tööriistadega nagu XcodeHiljuti on mõned insenerid pidanud maadlema sisemise tarkvara kohandamisega uuele Apple Siliconile, mis tõestab, et isegi NASA pole arhitektuurisõdade suhtes immuunne.
Kosmoserobotid ja ROS: kui Linux juhib humanoide
Robootika on veel üks valdkond, kus kosmoses olevad arvutid on üliolulised. Hea näide on Robonaut 2 (R2)NASA ja General Motorsi poolt ISS-il töötamiseks ühiselt välja töötatud humanoidrobot. Selle eesmärk on täita lihtsaid ja korduvaid ülesandeid, olla astronautide assistent ning olla tulevaste robotitehnoloogiate katsealuseks. Kuu ja Marsi jaamad.
R2 töötab koos ROS (robotite operatsioonisüsteem)ROS on avatud lähtekoodiga tarkvararaamistik, mis on loodud erinevate tarkvarasõlmede, andurite ja ajamite vahelise suhtluse hõlbustamiseks. ROS korraldab komponendid master/slave arhitektuuris: master-sõlm koordineerib mitut "slave"-sõlme, mis esindavad roboteid, käsi, kaameraid või tehisintellekti algoritme.
ROS-i ilu seisneb selles, et see äratab austust. ühised suhtlusstandardidSee võimaldab tarkvarakomponente taaskasutada, ühendada ja siluda lihtsamalt. See kasutab sõnumite vahetamiseks selliseid protokolle nagu TCP/IP või HTTP, sisaldab standardset teeki tavaliste robootikafunktsioonidega ning võimsat diagnostika- ja simulatsioonitööriistade komplekti.
ROS-i kogukond on tohutu, mis sobib ideaalselt NASA-suguse organisatsiooni jaoks: paljud inimesed testivad, siluvad ja laiendavad raamistikku. Lisaks saavad insenerid seda avatud lähtekoodina oma vajadustele kohandada. Orbiidil oleva roboti äärmuslikud nõudmised ilma et oleks seotud kindla tarnijaga.
Satelliidid, kulgurid ja kiirguskindlad protsessorid
Kui mõtleme satelliitidele või kulguritele nagu Juno, Curiosity või Voyager, on lihtne ette kujutada, et neil on uusimad kommertsprotsessorid. Miski ei saaks olla tõest kaugemal: paljud neist missioonidest kasutavad äärmiselt lihtsad ja ennekõike väga hästi testitud kiibid, näiteks Zilog Z80 mõnes vanemas satelliidis või PowerPC protsessorite karastatud variandid.
Klassikaline näide on BAE RAD750, mis on PowerPC 750 derivaat, mis on loodud Kosmoseklassi protsessorNeid kiipe ei erista mitte võimsus, vaid võime aastaid üle elada ioniseeriva kiirguse, äärmuslike termiliste tsüklite ja kõrge energiaga osakeste mõju, millega nad kokku puutuvad nii Maa madalal orbiidil kui ka teistel planeetidel.
Paljud kulgurid ja sondid kasutavad Linuxi-põhiseid operatsioonisüsteeme või spetsiaalselt ehitatud patenteeritud RTOS-e. Oluline on tagada, et kosmilise kiirguse põhjustatud väike pööre ei põhjusta pöördumatut riket. Siin tulebki mängu terve distsipliin: „kiirguskindel“ disain.
Kiirguskindlad (RD) pooljuhid on valmistatud spetsiifiliste tehnikate ja materjalide abil, et taluda tohutuid kiirgusdoose, mis ulatuvad kümnete tuhandete Grayde suurusjärku ja on võrdne tuhandete aastate Maa taustkiirgusega. See saavutatakse ... abil. vaakumkapseldamine, klaasist kapseldamine, metalliseerimine ja muud tehnikad, mis kaitsevad kiipi kiirguse, niiskuse, kuumuse ja staatilise elektri eest.
Lisaks spetsiaalsele riistvarale rakendatakse ka rikketaluvuse strateegiaid: mälud ECC, pariteedibittide, tõrkekindla tarkvara ja koondamise abil kõigil tasanditel. Kui üks moodul hakkab talitlushäireid tekitama, võtab üle identne. See süsteemide dubleerimise või kolmekordistamise loogika on iga kriitilise lennuarhitektuuri konstant.
BYOD, mobiilseadmed ja turvalisus sellises agentuuris nagu NASA
Lisaks rangelt kosmosega seotud riistvarale peab NASA haldama ka tuhandeid isiklikke ja mobiilseadmeid Maal. See määratles juba ammu poliitika, mis BYOD (kaasake oma seade) lubada töötajatel tööl oma sülearvuteid ja nutitelefone kasutada, alati rangete turvareeglite kohaselt.
Sellel lähenemisviisil on eeliseid: saate kasu Paindlikkus ja mugavus töötajaleEttevõtte seadmete kulud vähenevad ja hea haldamise korral saab krüpteerimise, kaughaldustarkvara ja võrgu segmenteerimise abil säilitada kõrge turvalisuse taseme. Vastutasuks nõuab see töötajatelt seadmete ajakohasena hoidmist ja organisatsiooni teatud määral kontrolli aktsepteerimist.
NASA enda mobiiltelefonide puhul ei sobi ükski mudel. Agentuur käitleb äärmiselt tundlikku teavet ja kasutab volitatud seadmete valgeid ja musti nimekirju. Ajalooliselt on paljusid neist nähtud iPhone'id avalikel missioonidel osalevate töötajate käesKuigi ka teisi mudeleid sertifitseeriti. Huvitaval kombel oli esimene kosmosesse reisinud nutitelefon Google Nexus One, millel oli Android ja mida kasutati andurite ja side katsetes.
Olukord meenutab USA presidendi omi, kelle nutitelefonide kasutamist piiratakse ja auditeeritakse riskide vähendamiseks. Mõlemal juhul on prioriteediks ennetada... turvarikkumine isikliku seadme kaudu võivad lõpuks kahjustada kriitilisi süsteeme või salastatud teavet.
Andmekeskused kosmoses: kaugest ideest reaalse infrastruktuurini
Aastaid kõlas orbiidil olevate andmekeskuste üle rääkimine igavese toruunenäona. Nüüd näitavad mitmed ettevõtted, et see... Orbitaalarvutustest on saamas käegakatsutav äriHiljutine näide on Kepler Communications, mis on kasutusele võtnud kosmoses praegu tegutseva suurima arvutusklastri.
Kepleri ettepanek ei ole üksik orbiidil olev makrojaam, vaid hajutatud tähtede tähtkuju. 10 satelliiti, mis on varustatud umbes 40 Nvidia Orini graafikaprotsessoriga suunatud serval andmetöötlusele. Need satelliidid ühenduvad omavahel läbi laserlingidmoodustades võrgu, mis on võimeline ruumilises keskkonnas andmeid peaaegu reaalajas liigutama ja töötlema.
Praktiline väärtus on selge: kõiki andmeid ei ole alati mõistlik Maale töötlemiseks tagasi saata. Paljude rakenduste puhul, näiteks täiustatud andurite, peaaegu reaalajas jälgimise või teiste kosmoselaevade toetamise puhul, on eelistatav... töötlevad suure osa infost kohe sealsamas ära ja laadige alla ainult kõige asjakohasemad tulemused.
Keplerit defineeritakse täpsemalt järgmiselt: side- ja töötlemisinfrastruktuur teiste missioonide jaoks traditsioonilises mõttes "orbitaalsete andmekeskuste" pakkujana. Selle võrgustik võiks olla aluseks tulevastele ühenduvus- ja arvutusteenustele erinevate kosmosevarade vahel, alates vaatlussatelliitidest kuni Kuu orbiidil asuvate jaamadeni.
Tehisintellekt ja orbitaalne superarvuti: Sophia Space'i hüpe
Selle uue ökosüsteemi sees tekib Sophia Space, idufirma, mis panustab suuresti ideele Kosmosearvutid on optimeeritud tehisintellekti andmekeskuste jaoks Maa orbiidil. See, mis mõni aasta tagasi oleks kõlanud ulmena, esitletakse nüüd väga pragmaatilise vastusena kahele tänapäevase tehisintellekti probleemile: energia ja jahutus.
Maapealses andmekeskuses kulub märkimisväärne osa energiatarbimisest masinate soojuse eemaldamisele, kusjuures jahutussüsteemid võivad moodustada kuni 40% kogu energiakulustSeevastu kosmosevaakumis on võimalik kujundada passiivseid jahutusarhitektuure, kasutades radiaatoreid, mis hajutavad soojust otse kosmosesse, vähendades drastiliselt termilise aspekti keerukust.
Sophia Space arendab kosmosearvuteid Passiivne jahutus, mis on spetsiaalselt loodud tehisintellekti töökoormuste jaoksSelle orbitaalse superarvutite arhitektuur tugineb pidevale juurdepääsule päikeseenergiale, ilma atmosfääri poolt iseloomustatud päeva-öö tsükliteta ja modulaarsele topoloogiale: iga satelliit toimib iseseisva sõlmena või osana suuremast hajutatud klastrist.
See ettevõtmine on äratanud NVIDIA tähelepanu ning idufirma on sõlminud strateegilise liidu. Selline leping mitte ainult ei anna projektile tehnilist usaldusväärsust, vaid näitab ka suunda, kuhu asjad liiguvad: suured tootjad näevad Kosmosemajandus kui tehisintellekti infrastruktuuri loomulik jätk järgmiseks kümnendiks.
Orbiidil tehisintellekti arvutuste eeliste hulka kuuluvad optimeeritud latentsus teatud piirkondade suhtes, sõltumatus maapealsest infrastruktuurist kaugetes asukohtades, väiksem keskkonnajalajälg (jahutamiseks ei kulu vett) ja võimalus töödelda suuri Maa vaatlusandmete mahtusid allikal.
Kohesed kasutusjuhud hõlmavad koolitust suured keelemudelidSatelliidipiltide peaaegu reaalajas töötlemine põllumajanduse või keskkonna jaoks, servandmetöötluse rakendused halva ühenduvusega piirkondadele ja isegi plokiahela infrastruktuurid, mis taotlevad radikaalsemat füüsilist detsentraliseerimist.
Kuid see pole ainult eelised: väljakutseteks on endiselt stardikulud, komponentide vastupidavus kiirgusele, hoolduslogistika ja riistvara elutsükkel ise. väga tõsised väljakutsed, millele Sophia Space ja teised ettevõtted peavad lahenduse leidma enne kui orbitaalsest superarvutist saab sama tavaline asi kui pilveteenuse rentimine.
Igal juhul on liikumine selge: SpaceX räägib tehisintellekti satelliitvõrkudest, Google katsetab orbiidil päikeseenergial töötavate kiipidega, Blue Origin on teatanud omaenda tähtkujudest ja teistel ettevõtetel, nagu Starcloud või Aetherflux, on tipptasemel GPU-sõlmed töös. Kosmosearvutus ei ole enam ainult avalik-õiguslike asutuste pärusmaa. ja annab teed uuele tehnoloogiakihile idufirmade ja suurkorporatsioonide jaoks.
Pärast kõige ülevaatamist alates Apollo kosmoselaeva klaviatuurita metallkastidest kuni Maa madalal orbiidil asuvate GPU-klastriteni saab üsna selgeks, et Kosmoses olevad arvutid moodustavad väga omapärase ökosüsteemiVanad ja vastupidavad masinad eksisteerivad koos tipptasemel superarvutitega; Linux, RTOS ja kohandatud püsivara on segamini kommertssülearvutitega; ja kuigi sondid tuginevad endiselt tagasihoidlikele protsessoritele, püüab tehisintellekt muuta kosmose hiiglaslikuks hajutatud andmekeskuseks. Kõik see on konstantne: selles keskkonnas, rohkem kui üheski teises, ei ole tõeliselt oluline mitte toores jõud, vaid võime toimida päevast päeva, miljonite miilide kaugusel kodust.
