Svemirske letelice koriste procesore jednostavnije i sporije od standardnih računarskih čipova na Zemlji, što ih čini otpornijim na kosmičko zračenje.
Moderni, brzi procesori su previše osjetljivi na radijaciju jer male čestice mogu izazvati greške u radu ili oštetiti podatke.
Svemirske letelice su složene konstrukcije u kojima elektronika igra ključnu ulogu. Procesori na njima često obavljaju veoma složene proračune. Iako možda zvuči neobično, NASA i druge svemirske agencije često koriste integrisana kola koja danas deluju zastarelo. Međutim, ona su idealno prilagođena uslovima koji vladaju tokom svemirskih misija.
Kada govorimo o procesorima, verovatno mislimo na one koje poznajemo iz desktop računara. Tokom istorije postojali su brojni čipovi koji su snažno uticali na tehnološku industriju. Danas koristimo moćne superračunare sa ogromnom računarskom snagom. Deluje logično koristiti sličan hardver i u svemiru. Na kraju krajeva, sletanje na Mesec ili upravljanje sondom milionima kilometara daleko od Zemlje deluje kao zadatak koji zahteva ogromnu procesorsku moć.
Ipak, nije baš tako. Mnogi će se iznenaditi koliko je malo snage potrebno za upravljanje, na primer, čitavom svemirskom stanicom.
Svemirski procesori su iznenađujuće spori
Počnimo primerom poznatim svima. Dana 16. jula 1969. raketa SA-506 iznela je letelicu Apolo iz Zemljine atmosfere u okviru misije Apolo 11. Samo četiri dana kasnije, Buzz Aldrin postao je prvi čovek koji je kročio na Mesec. Misija je uspešno izvedena zahvaljujući, između ostalog, računaru Apollo Guidance Computer (AGC), dizajniranom 1966. godine.
Njegove specifikacije danas deluju gotovo neverovatno skromno. Procesor je radio na frekvenciji od svega 2,048 MHz i imao je 2048 reči RAM memorije. Kućni računar Apple II, predstavljen nekoliko godina kasnije, nudio je slične performanse.
Do određenog trenutka tehnologija svemirskih procesora bila je u nekim aspektima naprednija od onoga što smo viđali na tržištu „zemaljskih” čipova. Međutim, ubrzo je postalo jasno da snažniji procesor nije nužno i bolje rešenje — zapravo, mogao je biti mnogo opasniji.
Prekretnica u istoriji svemirske elektronike bilo je razumevanje uticaja radijacije na hardver. Ali kakve veze zračenje ima sa procesorima?
Kada je svemirska letelica Gemini, opremljena jednostavnim računarom, lansirana u svemir, tehnologija korišćena za njenu izradu bila je, iz današnje perspektive, izuzetno primitivna. Ono što danas deluje kao mana, zapravo je ogromna prednost u svemiru.
Moderni procesori proizvode se sve naprednijim tehnološkim procesima. Danas lako možemo kupiti čipove izrađene u 7-nanometarskoj litografiji, gde su tranzistori mikroskopski mali. Što je tranzistor manji, potreban je niži napon da bi se uključio ili isključio.
U svemiru to predstavlja ozbiljan problem - čestice kosmičkog zračenja mogu izazvati neželjenu promenu stanja tranzistora. Zbog toga procesor može prestati da radi u najgorem trenutku ili da daje netačne rezultate.
Zanimljiv primer je procesor Intel 386SX (pojednostavljena verzija Intel 80386), koji je pokretao takozvani „glass cockpit”. Radio je na oko 20 MHz. Čak i u vreme kada je korišćen u svemirskim sistemima, nije bio naročito brz.
Ali upravo je njegova mala brzina bila prednost. Čestice zračenja mogu oštetiti podatke u keš memoriji procesora, ali se to dešava u veoma kratkom vremenskom intervalu. Niža frekvencija rada značajno smanjuje verovatnoću takvih grešaka. Drugim rečima, brži sistemi su osetljiviji na radijaciju.
Razorno zračenje
Jedno vreme problem radijacije rešavan je promenama u procesu proizvodnje čipova, korišćenjem materijala poput galijum-arsenida. Međutim, takva rešenja bila su veoma skupa - svemirski procesori proizvode se u malim količinama i u specijalizovanim fabrikama.
Tek uvođenje RHBD tehnologije omogućilo je korišćenje standardnog CMOS procesa za izradu čipova otpornih na zračenje. Koriste se tehnike poput trostruke redundanse, gde se svaki bit podataka čuva u tri identične kopije. Kada je potrebno, sistem bira najispravniju verziju.
Rusi su možda najteže naučili koliko radijacija može biti pogubna tokom neuspele misije Phobos-Grunt. Čip WS512K32V20G24M, dizajniran za vojne avione, oštećen je teškim jonima kosmičkog zračenja. Povećana struja oštetila je računar koji je prešao u bezbednosni režim rada. Problemi u komunikaciji sprečili su njegovo ponovno pokretanje, što je na kraju dovelo do pada i sagorevanja sonde u atmosferi.
Pouzdanost je važnija od brzine
Sistemi projektovani za dug radni vek koriste izuzetno robusne procesore. Hubble teleskop je prvobitno koristio 8-bitni Rockwell Autonetics DF-224 na 1,25 MHz. To se brzo pokazalo kao loše rešenje, pa je NASA kasnije zamenila čip Intel procesorom.
Godine 1993. teleskop je prilagođen za Intel 386, a tokom servisne misije 1999. godine kombinacija DF-224 i Intel 386 zamenjena je Intel 486 procesorom.
Možda biste očekivali da Međunarodna svemirska stanica koristi izuzetno moćne računare. Međutim, njen glavni računar zasnovan je upravo na Intel 386 procesoru. Zapravo postoje dva sistema po tri računara, jedan ruski i jedan američki.
Sonda New Horizons, koja je 2015. proletela pored Plutona i nastavila ka Kajperovom pojasu, koristila je Mongoose-V čip na 15 MHz, vredan oko 40.000 dolara. Njegove performanse bile su uporedive sa procesorom iz prve PlayStation konzole.
Čak i kod modernih svemirskih letelica koriste se tehnologije stare više decenija. Rover Curiosity, koji je sleteo na Mars, imao je procesor BAE RAD750 na samo 200 MHz -unapređenu verziju IBM PowerPC 750 čipa.
Korisnicima Apple računara taj procesor može biti poznat iz iMac računara, a predstavljao je i osnovu mikroprocesora u Nintendo Wii konzoli, koja nije bila poznata po velikim performansama. Da bi mogao da radi u uslovima jakog zračenja, njegova radna frekvencija smanjena je više od tri puta.
Budućnost svemirskih čipova
To što se koriste stari procesori ne znači da se novi ne razvijaju. Problem je u tome što je izrada svemirskih čipova veoma komplikovana.
Svaki procesor namenjen radu u svemiru mora da zadovolji standard MIL-STD-883. To znači prolazak više od 100 testova koje je razvilo Ministarstvo odbrane SAD, uključujući termalne, mehaničke, električne testove i proveru kvaliteta samog čipa.
Većina procesora koji prođu ove testove proizvodi se iz centralnog dela silicijumske ploče, jer se upravo tamo najređe javljaju defekti na ivicama materijala.