Warum schirmen wir vorhandene CPUs nicht vor Strahlung ab, anstatt neue zu entwerfen?

Denn die Abschirmung gegen Strahlung ist schwer, und Gewicht ist der Feind, wenn es darum geht, Dinge in den Weltraum zu bringen.

CPUs sind ziemlich strahlungsempfindlich, und einige Arten von Strahlung (kosmische Strahlung) können nicht nur die meisten Dinge ziemlich gut durchdringen, sondern verursachen auch eine Kaskade von Sekundärstrahlung. Ein Gerät vor dem Durchdringen dieser Strahlung zu schützen, ist keine leichte (leichte) Aufgabe. An einem bestimmten Punkt ist es wirtschaftlicher, die CPU so umzugestalten, dass sie gegenüber einigen Stößen toleranter ist, da Sie kein Bit-Flip-Ereignis ausschließen müssen, wenn Sie 1 pro Zyklus tolerieren.

Ein paar ergänzende Gedanken:

• Ein Teil der Kosten hat mit der Einmaligkeit von Weltraumhardware und der Notwendigkeit von Tests usw. zu tun. Selbst wenn die CPU frei hergestellt werden könnte, wäre sie zu dem Zeitpunkt, zu dem sie fluggetestet und von BAE gebracht worden wäre, groß Dollar.

• Neue CPU-Architektur ist nicht die einzige Möglichkeit, Chips weniger empfindlich zu machen. Zum Beispiel: „Eine Möglichkeit, schnellere Consumer-CPUs im Weltraum zu nutzen, besteht darin, einfach dreimal so viele CPUs zu haben, wie man benötigt: Die drei CPUs führen die gleiche Berechnung durch und stimmen über das Ergebnis ab Fehler, die anderen beiden stimmen trotzdem zu, gewinnen also die Abstimmung und geben das richtige Ergebnis.". Dies ist der Ansatz, der von einem NASA-Programm Environmentally Adaptive Fault-Tolerant Computing oder "EAFTC" verwendet wird. Die EAFTC-Computer dienen dem gleichen Zweck. Sie gelten jedoch immer noch nicht als so zuverlässig wie dedizierte strahlungsgeschützte CPUs. Es wird erwartet, dass diese oder ähnliche Systeme verwendet werden, um einen Teil der Arbeit von strahlungsfesten CPUs zu entlasten. Ich weiß aber nicht, wie der Stand hier ist.

Du stellst wirklich eine sehr gute Frage. Und die Antwort lautet: Wir machen beides, je nach Bedarf.

Die NASA tendiert dazu, sich für das Ultra-Zuverlässige zu entscheiden, und strahlungstolerante Komponenten sind zuverlässiger, daher ist dies ihr bevorzugter Weg. Viele kommerzielle Satelliten verwenden jedoch nicht weltraumtaugliche Komponenten, die leicht abgeschirmt sind, und mit Software und Hardware, die so aufgebaut sind, dass 2 CPUs dieselbe Berechnung durchführen können, wenn sie unterschiedliche Ergebnisse erhalten, berechnen sie sie neu. Für den Speicher ist eine dreifache Redundanz üblich, bei der der Speicher dreimal in verschiedenen Chips gespeichert wird und die Antworten verglichen werden. Die empfindlichsten und wichtigsten Komponenten sind in der Regel immer noch strahlungstolerant, aber dies ist eine relativ kleine Teilmenge von Komponenten in einem Satelliten, das schwere Heben kann sich auf eine strahlungsempfindlichere und viel kostengünstigere Komponente verlassen.

Wirf etwas grobe Mathematik auf die Frage und lasse mich gerne von jemandem mit tatsächlichen Zahlen korrigieren.

Das Härten erhöht den Strahlungspegel zum Auslösen von Fehlern um mehrere Größenordnungen, nennen Sie es 1000 dafür.

Um die Strahlung um den Faktor 1000 auf einen 10-cm-Würfel zu senken, würde etwa ein halber Millimeter Blei benötigt, was sich auf etwa 250 g summiert. Die meisten Computermodule sind größer und ungeschickter geformt als die paar Kilo Abschirmung.

Eine Abschirmung wäre also erreichbar, würde aber ein Instrument oder ein Sicherungselement aus dem endgültigen Design kosten.

Was möglicherweise fehlt, ist, wer tatsächlich für die radikal gehärtete CPU bezahlt hat und was eine abgeschirmte, aber herkömmliche CPU zum Testen gekostet hätte. Die gehärteten CPUs werden größtenteils aus Militärausgaben und nicht aus der Weltraumforschung geboren (damit die NASA das eingesparte Geld nicht erhalten würde) und kommen mit viel Papierkram an, der nicht nur die Strahlungshärtung, sondern die „kostenlose“ Härtung gegen extreme Temperaturen und Vibrationen spezifiziert.

Eine handelsübliche CPU müsste in das strahlungsgehärtete Gehäuse verpackt und dann vor dem Start den entsprechenden Tests unterzogen werden. Es würde wahrscheinlich versagen und müsste mehrmals überarbeitet und erneut getestet werden, um es richtig zu machen. Die endgültigen Kosten wären also wahrscheinlich günstiger, könnten sich aber als viel höher herausstellen oder die Dinge sogar so weit verzögern, dass das Startfenster verpasst wird, und das wäre zum Planungszeitpunkt unbekannt. Wobei die strahlengehärtete Einheit in Bezug auf Preis, Gewicht und Leistung von Anfang an im Designprozess eine bekannte Größe wäre.

Wenn Sie also eine Familie von LEO-Sats herstellen, bei der es sich leisten kann, dass das erste Paar fehlschlägt, und die Testkosten auf den Rest der Familie verteilen, kann dies funktionieren, und tatsächlich können viele Satelliten der aktuellen Generation (insbesondere Cube / Smallsats) funktionieren. geh diesen Weg.

Wenn Sie eine Raumsonde mit einem Budget von einer halben Milliarde Dollar entwerfen und jahrzehntelang fliegen, dann sieht es besser aus, ein paar Millionen gegen genug Gewicht einzutauschen, um einen weiteren Sensor hinzuzufügen. Vor allem, wenn Sie die Computer für weniger als den Ticketpreis bekommen und es als Forschungs- / Öffentlichkeitsarbeitsprojekt für die Agentur bezeichnen können, die sie entwickelt hat.

Das ist also Mathematik, die in beide Richtungen gehen kann, was stark von den Details abhängt.