Space Computing, allgemeine Frage

Welche Art von Computern werden (im Allgemeinen) in Robotern (dh Raumsonden und Rover) im Vergleich zu menschlichen Fahrzeugen (wie der ISS, Sojus) verwendet?

Unterfrage: Welche technischen Daten sind wichtig für Computer, die im Weltraum betrieben werden sollen?

Ich frage, weil ich neugierig auf die Unterschiede zwischen beispielsweise den Laptops war, die sie manchmal auf der ISS und Raumsonden verwenden, und auch, welche Art von Elektronikprinzipien im Weltraum funktionieren und welche nicht (oder einfach nur effizient und nicht effizient).

Antworten (3)

Die Laptops auf der ISS können nur für nicht zeitkritische Zwecke verwendet werden. Diese Laptops werden für einige geschäftskritische Aufgaben verwendet, aber nur, wenn die Aufgabe die Zeit bewältigen kann, die erforderlich ist, um einen gerösteten Laptop durch einen anderen zu ersetzen. Diese Laptops sind kommerziell von der Stange und sie schneiden nicht gut gegen kosmische Strahlung ab. Die meisten Treffer der kosmischen Strahlung führen zu einer "Einzelereignisstörung", bei der Bits im Speicher umgedreht werden. Starten Sie den Computer neu und es ist normalerweise in Ordnung. Normalerweise. Einige Treffer der kosmischen Strahlung richten mehr Schaden an und der Computer ist wirklich geröstet.

Die meisten Flugcomputer, die zur Steuerung sicherheits- oder missionskritischer Aspekte eines Raumfahrzeugs oder eines Roboters verwendet werden, sind extrem teure, strahlungsgeschützte Computer, deren Gegenstücke am Boden in einigen früheren Jahrtausenden Stand der Technik (nicht Stand der Technik) waren.

Die einzige Ausnahme ist SpaceX (siehe http://aviationweek.com/blog/dragons-radiation-tolerant-design ), das die erforderliche Redundanz durch den Einsatz vieler Computer erreicht hat. Der Kompromiss ist eine etwas teurere Software, um all diese Computer synchron zu halten und diejenigen zu finden, die die Ranch verlassen haben, im Vergleich zu viel billigerer und viel, viel, viel leistungsfähigerer Computerhardware. SpaceX entschied sich für die Flugcomputer-Route von der Stange. Das Fliegen mit Computern, die vor fünfzehn bis zwanzig Jahren Stand der Technik waren, schränkt die Möglichkeiten an Bord stark ein.

Ran Ginosars „Survey of Processors for Space“ (2012, PDF ) bietet einen guten Überblick darüber, wie Strahlungsprobleme gehandhabt werden und einige der damit verbundenen Kompromisse.

Eingebaute NASA-Hardware

Die dedizierten Missionscomputer werden ausgiebig auf Vibrationsfestigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen kosmische und Sonnenstrahlung (sowohl Partikel als auch EM) und Magnetfelder getestet und werden auch für niedrigen Energieverbrauch und hohe Zuverlässigkeit priorisiert. Im Allgemeinen führt dies zu Prozessoren, die eine oder drei Generationen älter sind als aktuelle Desktops, und häufig zu größeren Architekturversionen und langsameren Geschwindigkeiten.

Darüber hinaus handelt es sich bei den Motherboards und Gehäusen häufig um kundenspezifische Designs, wie das aktualisierte AP-101B des Shuttles, das einen 400-kHz-Single-Core-Hauptprozessor und 24 dedizierte IO-Prozessoren in einem strahlungsbeständigen Gehäuse mit einem vibrationsbeständigen Motherboard und einem sehr kleinen verwendet Speichermenge - ein paar hundert Kilobyte.

Viele Satelliten verwenden handelsübliche Prozessoren; Jahrelang waren der Zilog Z-80, der Intel 8080 und der Motorolla 68000 Grundnahrungsmittel-Prozessoren, weil sie beide kostengünstig waren (nachdem sie die Patente überlebt hatten) und bereits die Testanforderungen der NASA bestanden hatten. Neuere Prozessoren haben sie seitdem im allgemeinen Gebrauch ersetzt, aber Missionen bis in die späten 1990er Jahre verwendeten NASA-spezifische 8080-Chips aus der Produktion. (Ein Top-End-Z80 ist 20 MHz, 8-Bit sauber, Single-Core und kostet 12 US-Dollar. Dies hat dazu geführt, dass einige Studenten es für Microsat-Projekte verwenden möchten - es ist billig und platzsparend.)

Hardware von der Stange

Die NASA erlaubt seit etwa 1992 die Verwendung handelsüblicher IBM-Laptops für einige unternehmenskritische Anwendungen. Sie haben festgestellt, dass die Geräte im Orbit aufgrund von Magnetfeldschwankungen unzuverlässig sind. Dennoch sind sie zuverlässig genug, um für allgemeine, nicht flugwesentliche Zwecke eingesetzt zu werden.

Handrechner, einschließlich HP-41, wurden im Laufe der Jahre von mehreren Astronauten verwendet; Diese Geräte haben größere Schaltungen, langsamere Prozessoren, weniger Speicher und wurden immer nur für nicht unternehmenskritische Anwendungen verwendet. (Das HP-41 wurde auch verwendet, um das AP-101 zu simulieren. Es war auch der Backup-Plan im Falle eines Ausfalls des AP-101-Clusters.)

Verweise

http://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/flyout/flyfeature_shuttlecomputers.html
http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/shutref/orbiter/avionics/dps/gpc.html
http://hpinspace. wordpress.com/category/hp-41/
http://www.hq.nasa.gov/pao/History/computers/Ch4-6.html

Wie würden Magnetfeldschwankungen Unzuverlässigkeit verursachen?
@ Hobbes zwei Methoden: 1, indem mehr Partikelstrahlung zugelassen wird, und 2, schnelle Änderungen induzieren direkt Ströme. Nummer 1 ist das Hauptproblem. Nr. 2 ist fast kein Problem, aber beachten Sie, dass ich gesehen habe, dass bestimmte Prozessorgeräte mit geringem Stromverbrauch aufgrund von Stromleitungen unzuverlässig wurden. (Das Smartphone eines Freundes basierte auf einem 1,2-V-Prozessor und war nicht gut abgeschirmt – das Passieren unter zwei Hochspannungsleitungen würde einen Reset verursachen.)
Korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege, aber ich dachte, die handelsüblichen Z80, 8080 und 68000 seien alle NMOS/CMOS/HMOS, anfällig für Wechselwirkungen mit kosmischer Strahlung und daher ungeeignet für den Einsatz im Weltraum. Ich glaube jedoch, dass eine Reihe von "klassischen" CPU-Designs (vielleicht alle oben genannten) abgeleitete Implementierungen hatten, die strahlungsfest waren, aber diese Versionen wären neben den Originalen (nur als Sonderanfertigung produziert oder erst viel später "von der Stange" erhältlich) und wenn verfügbar, viel teurer gewesen wären.
@AnthonyX ALLE Halbleiter unterliegen Wechselwirkungen mit kosmischer Strahlung. CMOS ist nicht so sehr ein Problem wie die Spannung (5 V ist besser als die aktuellen High-End-1,5 V; eine induzierte Kaskade kann 1,5-V-Maschinen leichter überlasten) und die Größe der Verkabelung (die mit den gezogenen Ampere korreliert; ferner mehr Ampere und breiter Gates ist sowohl leistungsstärker als auch widerstandsfähiger gegen zufällige Einzelpartikel-Interaktionsfehler). Die neueren Versionen des Z80 sind aufgrund kleinerer Übergänge und niedrigerer Stromstärke und Spannung störanfälliger.
Es ist ein bisschen übertrieben zu sagen, dass der HP-Rechner den AP-101 simuliert hat. Es waren einfach einige der gleichen Gleichungen einprogrammiert. Und wenn der "Cluster" ausgefallen wäre, wäre das Shuttle verloren gegangen, da es sich um ein Fly-by-Wire-Design handelte. Kein Taschenrechner wäre in diesem Szenario von Nutzen.

Für missionskritische Computer (Flugsteuerung etc.) verwendet die ESA den LEON-Prozessor , basierend auf der SPARC- Architektur von Sun. Sie verwendeten vor LEON andere kundenspezifische Designs .

Es könnte erwähnenswert sein, dass LEON strahlungshärtendes Design (spezielle Schaltungstechniken et al.) anstelle eines strahlungsgehärteten Herstellungsprozesses verwendet, was es von etwas wie dem RAD750 unterscheidet. Die Verwendung von Hardened by Design ermöglicht die Verwendung weniger teurer und fortschrittlicherer gewöhnlicher Herstellungsverfahren auf Kosten einiger Fläche (die normalerweise durch das fortschrittlichere Verfahren mehr als kompensiert wird) und eines erheblichen Konstruktionsaufwands.
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