Кад помислимо рачунари у свемиру Склони смо да замишљамо футуристичке панеле, холографске дисплеје и немогуће процесоре достојне научнофантастичног филма. Стварност је много мање блистава... и далеко занимљивија: хардвер који одржава свемирске летелице и сонде у животу је обично стар, оштар и опсесивно поуздан.
Поклапајући се са Међународним даном људских летова у свемир, вреди се осврнути на то какво је истраживање свемира данас. рачунари који путују ван атмосфереКоје су разлике између њих и наших кућних рачунара, како су заштићени од смртоносног окружења и како се све мења доласком дата центара и вештачке интелигенције у орбиту?
Какви су заправо уграђени рачунари?
Када бисмо могли да отворимо ормар за електронику у модерном свемирском броду, оно што бисмо видели не би нимало личило на лаптоп за игре: тешка, метална кутија са неколико обојени конектори и нема трага од УСБ-а, екрана или тастатуреИзглед је готово застарео, али одговара веома јасној логици: сваки елемент је дизајниран да што мање отказује.
Језгро ових система обично чине заменљиви модули: процесор, меморија и улазно/излазне јединице Склапају се попут блокова који се могу релативно брзо заменити ако се нешто поквари. Овај модуларни дизајн је од виталног значаја јер свемирско зрачење немилосрдно кажњава електронику, узрокујући грешке и деградацију компоненти током времена.
На Међународној свемирској станици (МСС) буквално постоје десетине рачунара раштрканих по целој структури, укључујући и неке на спољашњости. Сваке године посада мора да интервенише да би поправити или заменити око двадесет комада опремеМноги од њих су на свемирским шетњама, где логистика није ништа друго до тривијална.
Опсесија робусношћу такође подразумева избегавање непотребних сложености: што је мање портова, мање механичких делова, мање екрана и мање декоративног софтвера, лакше је одржавати систем у раду годинама у окружењу где нико не може да оде до продавнице рачунара на углу.
Рачунарска снага: мање мишића, више мозга
Једно од највећих изненађења за свакога ко се бави свемирским рачунарством јесте откриће да многе мисије и даље користе процесоре које ми на Земљи сматрамо праисторијскимНа пример, на МСС је дуги низ година главни радни коњ био Intel 80386SX, чип популаран у кућним рачунарима пре неколико деценија.
Из перспективе модерног играча видео игара, тај учинак делује смешно. Међутим, критични задаци брода - контрола путање, управљање системима за одржавање живота, праћење сензора - не захтевају 3Д графику или спектакуларне интерфејсе: они захтевају прецизни, константни и потпуно предвидљиви прорачуниЗа то је скроман процесор више него довољан.
Постоји још један убедљив разлог за наставак коришћења ових ветеранских чипова: развој свемирског рачунара може бити дуготрајан много година, чак и деценијаСпецификације мисије се финализују веома рано, бира се доказана технологија и сертификује се бескрајним тестирањем. До тренутка када летелица коначно полети, оно што лети је већ технолошки застарело... али је познато као поуздано.
Томе се додаје и енергетски фактор: старији, једноставнији и процесор са малом потрошњом енергије може бити пожељнији у складишту где Сваки ват електричне енергије се рачунаНема смисла стварати потрошачко чудовиште ако то неће донети јасне користи мисији.
Дизајн система: што једноставније, то боље
Парадоксално, иако је свемирска летелица инжењерско чудо са хиљадама подсистема, део доношења одлука је обично намерно једноставан. Уграђени рачунари су организовани у веома основне модуле који Они обављају смањени скуп операцијаОва једноставност побољшава и стабилност и могућност дијагностиковања и изоловања кварова.
Нешто слично се дешава и у софтверу: свемирски рачунари не користе Windows или macOS за контролу мотора и вентила, већ оперативни системи у реалном времену (RTOS)Ови системи жртвују погодност за кориснике у замену за осигуравање да се свака инструкција извршава у тачно очекивано време, без „размишљања“ о томе или давања приоритета позадинским процесима као што то ради десктоп систем.
Филозофија је да се ништа не баца: софтвер за лет је написан да троше што је могуће мање РАМ-а и једва оптерећују процесорБез анимација, без непотребних услуга, без телеметрије која не додаје вредност. Што је мање елемената у једначини, мања је вероватноћа да ће нешто прекинути ланац.
Закрпе и поправке на милионима километара
Колико год инжењери и програмери били пажљиви, ниједан софтвер није савршен. А када је неисправан рачунар милионима километара далеко, ствари постају мало компликованије од пуке поновне инсталације Windows-а. Зато, пре него што пошаљу закрпу на испитивање, прибегавају... идентичне реплике хардвера на Земљи где је проблем детаљно симулиран.
Чувени пример је сонда Војаџер 2. Лансирана 70-их, она се деценијама удаљава од Сунца. 2010. године је почела да шаље податке назад. оштећени подаци и недоследни сигналиТо је био симптом да нешто није у реду са његовом застарелом електроником. У лабораторији пројекта, НАСА је држала копију уграђеног рачунара у раду како би репродуковала квар.
Након многих тестова, открили су да је меморијски сектор оштећен, што није неуобичајено након толико времена изложеног космичком зрачењу. Решење је било да се припреми софтверска закрпа који је заобишао оштећени сегмент и реконфигурисао систем. Закрпа је послата радиом, сонда ју је применила и наставила са преносом валидних научних података са ивице међузвезданог простора.
Нешто слично се догодило са марсоходом Спирит, који је такође добио даљинска ажурирања за управљање проблемима са меморијом и складиштењем. На крају крајева, ове мисије су више као наши кућни рачунари него што мислимо: Они преживљавају захваљујући закрпама, поновним покретањима и пуно стрпљења.само са закашњењем од неколико светлосних минута.
Опсесија да се не изгуби ни трунка
Сваки бајт података прикупљених у свемиру кошта богатство у времену, новцу и људском труду. Зато је свемирско рачунарство дизајнирано са једном јасном идејом на уму: Губитак информација је неприхватљивОсим ако дође до апсолутне катастрофе, ако се експеримент припрема годинама и меморија у којој се чувају резултати откаже, сав тај рад нестаје.
Да би се овај ризик минимизирао, користи се приступ „не веруј ничему и никоме“: системи у возилу обично истовремено снимају исте информације на више медија. Комбиновање флеш меморија са магнетним тракама или на други начин, тако да ако једна врста складиштења откаже, друга може да сачува податке.
Идеја се не разликује толико од прављења резервних копија наших фотографија и музике код куће на екстерни чврсти диск и у облак. Велика разлика је у томе што, у свемирским мисијама, губитак података из јединственог прозора за посматрање може бити катастрофалан. деценије планирања.
Од ThinkPad-ова који лебде на МСС до прегледања веба у орбити
Унутра, Међународна свемирска станица комбинује високо специјализовану опрему са рачунарима прилично сличним нашим. Сваки астронаут има Леново ТајнкПад лаптоп који се може повезати са различитим системима преко магистрале специфичне за станицу, делујући као контролни или упитни терминал.
Годинама су ови лаптопови радили на Windows XP-у, све док 2013. године није донета одлука о миграцији на Linux (Debian 6 „Squeeze“). Званични разлог је био јасан: био им је потребан стабилан, поуздан и високо контролисан оперативни системкоји се могао закрпити, подесити и модификовати по жељи без зависности од трећих страна. Пре те миграције, научне дистрибуције као што је Scientific Linux, који одржавају CERN и Fermilab, већ су биле у употреби, а које су касније уступиле место научним варијантама CentOS-а.
Астронаути такође имају опрему за личну употребу, прегледавање интернета и обављање видео позива са породицама. Међутим, Та мрежа је потпуно изолована од критичних системаса заштитним зидовима и специфичним механизмима за спречавање да било који злонамерни софтвер угрози безбедност станице.
У ствари, злонамерни софтвер „Gammima“ је откривен на лаптопу једног астронаута 2007. године. Од тада је НАСА много озбиљније схватила проблем. антивирусна заштита и безбедносне политике За опрему која путује у свемир. Једно је да вам вирус уништи лаптоп код куће, а сасвим друго да се инфилтрира у орбиталну лабораторију.
НАСА на Земљи: Од суперрачунара до канцеларијских лаптопова
Уз уграђене рачунаре, велики део тешког рачунарског посла се обавља на Земљи. Упечатљив пример је Аиткен, један од суперрачунара у НАСА-ином истраживачком центру Ејмс, у оквиру модуларног објекта површине преко 4.000 м², спремног за раст у модулима.
Aitken је лансиран са Intel Xeon Gold „Cascade Lake“ процесорима, а касније је проширен са 16 рекова базираних на AMD EPYC „Rome“ процесорима, које производи HPE. Резултат је машина са више од 300.000 ЦПУ језгараСа око 1,27 петабајта РАМ меморије и више од 13 петафлопса теоријске снаге, рангира се међу 100 најмоћнијих суперрачунара на свету према листи ТОП500.
Ради са СУСЕ Линук Ентерприсе СерверКористи брзе InfiniBand мреже, Altair PBS Professional распоређивач и Intel и GCC компајлере за C++ и FORTRAN програме. То је онакав систем који се користи за симулацију аеродинамике, трајекторија, планетарних климатских модела и било које друге нумеричке лудости која би НАСА-и могла затребати.
Али није све у рачунарским чудовиштима: инжењери и особље агенције свакодневно раде са прилично обични лаптопови и радне станицеУобичајено је пронаћи Lenovo ThinkPad T61p и његове наследнике, HP Zbook 15 и друге сличне моделе, обично са Windows 10 или 11. Linux се такође користи у неким научним тимовима, а понекад чак и на Mac рачунарима са PowerPC или Intel процесорима, посебно у одељењима као што је Лабораторија за млазни погон.
Макови су играли значајну улогу, на пример, у развоју ровера Кјуриосити на Марсу, где су коришћени MacBook-ови са OS X, Parallels Desktop-ом и алатима попут Xcode-аУ скорије време, неки инжењери су морали да се боре са прилагођавањем интерног софтвера новом Apple Silicon чипу, доказујући да чак ни НАСА није имуна на архитектурске ратове.
Свемирски роботи и ROS: када Линукс пилотира хуманоиде
Роботика је још једна област где су рачунари у свемиру кључни. Главни пример је Робонаут 2 (R2)Хуманоидни робот који су заједнички развили НАСА и Џенерал Моторс за рад на МСС. Његов циљ је да обавља једноставне и понављајуће задатке, да делује као асистент астронаутима и да служи као тестна платформа за будуће роботске технологије. лунарне и марсовске станице.
Р2 ради са РОС (Робот оперативни систем)ROS је софтверски оквир отвореног кода дизајниран да олакша комуникацију између различитих софтверских чворова, сензора и актуатора. ROS организује компоненте у мастер/роб архитектури: главни чвор координира више „роб“ чворова који представљају роботе, руке, камере или вештачку интелигенцију (AI) алгоритме.
Лепота РОС-а је у томе што улива поштовање. заједнички комуникациони стандардиОво омогућава лакшу поновну употребу, повезивање и дебаговање софтверских компоненти. Користи протоколе као што су TCP/IP или HTTP за размену порука, укључује стандардну библиотеку са уобичајеним функцијама роботике и моћан скуп алата за дијагностику и симулацију.
ROS заједница је огромна, што је савршено за организацију попут НАСА-е: постоји много људи који тестирају, отклањају грешке и проширују оквир. Штавише, будући да је отвореног кода, инжењери га могу прилагодити својим потребама. екстремни захтеви робота у орбити без везивања за одређеног добављача.
Сателити, ровери и процесори отпорни на зрачење
Када помислимо на сателите или ровере попут Јуноа, Кјуриоситија или Војаџера, лако је замислити да носе најновије комерцијалне процесоре. Ништа не може бити даље од истине: многе од ових мисија користе изузетно једноставни и, пре свега, веома добро тестирани чипови, као што је Zilog Z80 у неким старијим сателитима или ојачане варијанте PowerPC процесора.
Класичан пример је BAE RAD750, дериват PowerPC 750 дизајниран као Процесор свемирског квалитетаОви чипови се не разликују по својој снази, већ по способности да годинама преживе јонизујуће зрачење, екстремне термалне циклусе и честице високе енергије са којима ће се сусрести како у ниској Земљиној орбити, тако и на другим планетама.
Многи ровери и сонде користе оперативне системе засноване на Линуксу или прилагођене власничке RTOS-ове. Важно је осигурати да мали преокрет изазван космичким зраком не изазивају неповратан квар. Ту долази до изражаја читава дисциплина: дизајн „отпоран на зрачење“.
Радијационо очвршћени (RD) полупроводници се производе коришћењем специфичних техника и материјала како би издржали огромне дозе зрачења, реда величине десетина хиљада Грејева, што је еквивалентно хиљадама година Земљиног позадинског зрачења. То се постиже употребом вакуумска енкапсулација, енкапсулација стакла, метализација и друге технике које штите чип од зрачења, влаге, топлоте и статичког електрицитета.
Поред специјалног хардвера, примењују се стратегије толеранције на грешке: меморије са ECC-ом, битовима парности, софтвером заштићеним од кварова и редундантношћу на свим нивоима. Ако један модул почне да не ради исправно, идентичан преузима контролу. Ова логика дуплирања или утростручавања система је константа у свакој критичној архитектури лета.
BYOD, мобилни уређаји и безбедност у агенцији попут НАСА-е
Поред хардвера који је искључиво везан за свемир, НАСА такође мора да управља хиљадама личних и мобилних уређаја на Земљи. Одавно је дефинисала политику БИОД (понесите свој уређај) да се запосленима омогући коришћење сопствених лаптопова и паметних телефона на послу, увек уз строга безбедносна правила.
Овај приступ има предности: добијате на Флексибилност и удобност за запосленогТрошкови корпоративне опреме се смањују, а уз добро управљање, висок ниво безбедности може се одржати путем шифровања, софтвера за даљинско управљање и сегментације мреже. Заузврат, то захтева од запослених да ажурирају своје уређаје и да прихвате одређени степен контроле од стране организације.
Што се тиче мобилних телефона у самој НАСА-и, није довољан било који модел. Агенција рукује изузетно осетљивим информацијама и користи беле и црне листе овлашћених уређаја. Историјски гледано, многи су виђени Ајфони у рукама особља на јавним мисијамаИако су и други модели били сертификовани. Занимљиво је да је први паметни телефон који је путовао у свемир био Google Nexus One са Андроидом, који се користи у експериментима са сензорима и комуникацијама.
Ситуација подсећа на ону са америчким председником, чија је употреба паметних телефона ограничена и под ревизијом како би се смањили ризици. У оба случаја, приоритет је спречити... кршење безбедности путем личног уређаја на крају угрозе критичне системе или поверљиве информације.
Центри података у свемиру: од удаљене идеје до стварне инфраструктуре
Годинама је прича о центрима података у орбити звучала као стални сан. Сада неколико компанија показује да... Орбитално рачунарство почиње да постаје опипљив посаоНедавни пример је компанија Kepler Communications, која је распоредила највећи оперативни рачунарски кластер тренутно у свемиру.
Кеплеров предлог није једна макро станица у орбити, већ дистрибуирана констелација 10 сателита опремљених са приближно 40 Nvidia Orin графичких процесора усмерени ка периферном рачунарству. Ови сателити се међусобно повезују путем ласерске везеформирање мреже способне за кретање и обрађивање података готово у реалном времену у просторном окружењу.
Практична вредност је јасна: нема увек смисла слати све податке назад на Земљу на обраду. За многе примене, као што су напредни сензори, праћење у скоро реалном времену или подршка другим свемирским летелицама, пожељније је... обрађују добар део информација одмах тамо и преузмите само најрелевантније резултате.
Кеплер је прецизније дефинисан као комуникациона и процесна инфраструктура за друге мисије као добављач „орбиталних центара података“ у традиционалном смислу. Његова мрежа би могла бити основа за будуће повезивање и рачунарске услуге између различитих свемирских средстава, од сателита за посматрање до станица у лунарној орбити.
Вештачка интелигенција и орбитално суперрачунарство: скок Софијиног свемира
Унутар овог новог екосистема појављује се Sophia Space, стартап који се у великој мери ослања на идеју Свемирски рачунари оптимизовани за центре података са вештачком интелигенцијом у Земљиној орбити. Оно што би пре неколико година звучало као научна фантастика сада се представља као веома прагматичан одговор на два проблема модерне вештачке интелигенције: енергију и хлађење.
У земаљском дата центру, значајан део потрошње енергије иде на одвођење топлоте из машина, а системи за хлађење могу да обухвате и до 40% укупних енергетских издатакаНасупрот томе, у вакууму свемира могуће је пројектовати пасивне архитектуре хлађења, користећи радијаторе који директно расипају топлоту у спољашњи простор, драстично смањујући сложеност термичког аспекта.
Софија Спејс развија свемирске рачунаре са пасивно хлађење посебно дизајнирано за радна оптерећења вештачке интелигенцијеЊегова орбитална суперрачунарска архитектура ослања се на континуирани приступ соларној енергији, без циклуса дан-ноћ обележених атмосфером, и на модуларну топологију: сваки сателит делује као независни чвор или део већег дистрибуираног кластера.
Овај подухват је привукао пажњу компаније NVIDIA, са којом је стартап формирао стратешки савез. Ова врста споразума не само да даје технички кредибилитет пројекту већ и указује на правац у ком ствари иду: главни произвођачи виде... Свемирска економија као природни продужетак инфраструктуре вештачке интелигенције за наредну деценију.
Међу предностима које нуди вештачка интелигенција у орбити су оптимизована латенција према одређеним регионима, независност од копнене инфраструктуре на удаљеним локацијама, мањи еколошки отисак (нема потрошње воде за хлађење) и могућност обраде великих количина података посматрања Земље на извору.
Непосредни случајеви употребе укључују обуку у велики језички моделиОбрада сателитских снимака у скоро реалном времену за пољопривреду или животну средину, апликације за edge computing за подручја са лошом повезаношћу, па чак и блокчејн инфраструктуре које траже радикалнију физичку децентрализацију.
Међутим, то нису све предности: трошкови лансирања, издржљивост компоненти на зрачење, логистика одржавања и сам животни циклус хардвера остају изазови. веома озбиљни изазови које Софија Спејс и друге компаније морају да реше пре него што орбитално суперрачунарство постане уобичајено као изнајмљивање cloud инстанце.
У сваком случају, покрет је јасан: SpaceX говори о сателитским мрежама за вештачку интелигенцију, Google експериментише са чиповима на соларни погон у орбити, Blue Origin је најавио сопствене констелације, а друге компаније попут Starcloud или Aetherflux имају покренуте врхунске GPU чворове. Свемирско рачунарство престаје да буде само домен јавних агенција. и уступа место новом слоју технолошког стека за стартапове и велике корпорације.
Након прегледа свега, од металних кутија без тастатуре Аполо летелице до ГПУ кластера у ниској Земљиној орбити, постаје сасвим јасно да је Рачунари у свемиру чине веома необичан екосистемСтаре, робусне машине коегзистирају са најсавременијим суперрачунарима; Линукс, RTOS и прилагођени фирмвер се мешају са комерцијалним лаптоповима; и док се сонде и даље ослањају на скромне процесоре, вештачка интелигенција се бори за простор како би постала гигантски дистрибуирани центар података. Све са једном константом: у овом окружењу, више него у било ком другом, оно што је заиста важно није сирова снага, већ способност да се настави са функционисањем, дан за даном, милионима километара од куће.
