Warum sind Raumfahrzeugcomputer beim Start veraltet?

Es gibt eine Reihe von Gründen, warum die Elektronik von Raumfahrzeugen typischerweise mehrere Jahre hinter dem zurückbleibt, was im Handel erhältlich ist.

Strahlungstoleranz

Elektronik ist sehr anfällig für Strahlungsphänomene, vor denen terrestrische Elektronik durch die Erdatmosphäre und das Magnetfeld weitgehend geschützt ist. Übliche strahlungsbasierte Fehlermechanismen sind Single-Event Event/Upset (SEE/SEU) – am häufigsten als umgedrehtes Bit, Latch-up – bezeichnet, bei dem ein Bit in einem bestimmten Zustand hängen bleibt und das Teil heruntergefahren werden muss B. Reset, Burn-out – wenn ein hochenergetisches Teilchen (z. B. Proton oder Neutron) das Teil zerstört, und Gesamtdosis – wenn eine langfristige Exposition (eher als ein ungewöhnliches Ereignis) das Teil zerstört. Mit der Weiterentwicklung von Chips und Schaltungen und der dichteren Packung von Transistoren steigt die Wahrscheinlichkeit dieser Ereignisse.

Es gibt mehrere Techniken und Testverfahren, um zu demonstrieren, ob elektronische Baugruppen in Weltraumstrahlungsumgebungen robust sind, aber diese Tests sind teuer. Sobald sie also für ein Teil, eine Komponente oder eine Baugruppe erledigt sind, muss der Handel oft mit weniger Leistung leben und die Kosten für erneute Tests sparen und das Risiko eines vollständigen Missionsausfalls vermeiden.

Verlässlichkeit

Es ist einfacher, Wartungsarbeiten an einem terrestrischen Computer durchzuführen, und die Ausfallkosten sind oft viel geringer als bei Raumfahrzeugen. Bodensysteme haben auch nicht die gleichen knappen Leistungs-, Größen- und Massenbudgets wie Weltraumsysteme, was die machbare Redundanz begrenzt. Eine Lösung besteht darin, weiterhin Teile zu verwenden, die sich als sehr zuverlässig erwiesen haben. Eine andere Möglichkeit, die Zuverlässigkeit zu erhöhen, besteht darin, Teile-Screening und viele Elektroniktests durchzuführen (z. B. Ausheizen, um Kindersterblichkeit festzustellen, zufällige Vibrationstests, um Startumgebungen nachzuahmen, Schocktests, um pyrotechnische Ereignisse wie das Abwerfen von Verkleidungen nachzuahmen, und thermische Vakuumtests). Raum nachahmen. Diese Prüfung kostet Zeit und ist teuer. Allein die Zeitverzögerung lässt die meisten Raumfahrtsysteme mindestens einen Moore'schen Gesetzzyklus hinter den neuesten Verbraucherteilen zurück.

Bauzeit für Satelliten

Ganz zu schweigen von der Avionik, der Bau von Satelliten dauert lange. Selbst wenn die Computer fertig sind, muss der Rest des Fahrzeugs zusammengebaut und getestet werden. Bei großen Raumfahrzeugen kann dies Jahre dauern. Inzwischen wird der Computer nicht jünger und aus (oft berechtigter) Risikoaversion würde ein Upgrade viele dieser Tests wiederholen lassen.

Energieverbrauch

Im Laufe der Zeit hilft das Mooresche Gesetz den Chips, die Verarbeitungsleistung zu erhöhen und den Stromverbrauch zu verringern, aber im Allgemeinen verbrauchen leistungsstärkere Chips im Vergleich zu zeitgenössischen Teilen mehr Strom. Raumfahrzeuge sind fast überall leistungshungrig, daher gibt es wenig Anreiz, einen leistungshungrigeren Chip als unbedingt notwendig zu verwenden. Alles in einem Raumfahrzeug ist ein Kompromiss: Ein Watt Leistung, das für den Hauptflugcomputer verwendet wird, der ungenutzte Zyklen herumträgt, ist ein Watt, das nicht für die HF-Kommunikation oder die Stromversorgung einer Nutzlast verwendet werden kann (wenn diese Nutzlast dies nicht ist). Kommunikation) usw.

Papierkram

Papierkram und Prozesse können genauso dominierend sein wie alle anderen Gründe. Die Luft- und Raumfahrtindustrie als historisch hohe Eintrittsbarriere. Vernunft ist einst das Humankapital, das für den Bau und Start von Raumfahrzeugen erforderlich ist, aber ebenso wichtig ist das Weltraumerbe der Software und der Komponenten, die darin enthalten sind. Weltraumumgebungen sind in vielerlei Hinsicht anspruchsvoller als terrestrische Umgebungen und erfordern oft einzigartige Lösungen (für die Avionik ist die Abweisung von Wärme ohne Konvektionskühlung ein gutes Beispiel). Startumgebungen wurden oben diskutiert. Die Qualifizierung von Komponenten ist eine reale Hardware-zentrierte Aufgabe, aber es gibt einen Papierpfad, der diese Analyse untermauert und den Kunden eines Raumfahrzeugherstellers und dem Startanbieter Vertrauen gibt, dass das Fahrzeug während des Aufstiegs sicher ist und dass es in Betrieb sein wird Platz. Dies wird durch eine Kombination aus Tests, Analysen und Demonstrationen bewiesen, aber die meisten Personen, die sich darum kümmern, werden diese Aktivitäten nicht direkt miterleben oder beaufsichtigen, sodass sie sich auf ausgezeichnete Unterlagen verlassen, um dieses Vertrauen zu schaffen. Sobald Sie sich die Mühe gemacht haben, Buy-In für Widget X zu erhalten, ist der Aufwand, der mit einem Buy-In von Δ für Widget Y oder sogar X+ verbunden ist, schwerer zu rechtfertigen, wenn der ältere Teil noch funktioniert. Von Luft- und Raumfahrtlieferanten (Hauptauftragnehmer und die gesamte Lieferkette) wird häufig auch verlangt, dass sie über strenge Qualitätsprozesse verfügen – dh mehr Papierkram und Prozesse. All dies verlangsamt das Tempo von Innovation und Veränderung im Austausch für Vorhersagbarkeit. Daher verlassen sie sich auf ausgezeichnete Unterlagen, um dieses Vertrauen zu schaffen. Sobald Sie sich die Mühe gemacht haben, Buy-In für Widget X zu erhalten, ist der Aufwand, der mit einem Buy-In von Δ für Widget Y oder sogar X+ verbunden ist, schwerer zu rechtfertigen, wenn der ältere Teil noch funktioniert. Von Luft- und Raumfahrtlieferanten (Hauptauftragnehmer und die gesamte Lieferkette) wird häufig auch verlangt, dass sie über strenge Qualitätsprozesse verfügen – dh mehr Papierkram und Prozesse. All dies verlangsamt das Tempo von Innovation und Veränderung im Austausch für Vorhersagbarkeit. Daher verlassen sie sich auf ausgezeichnete Unterlagen, um dieses Vertrauen zu schaffen. Sobald Sie sich die Mühe gemacht haben, Buy-In für Widget X zu erhalten, ist der Aufwand, der mit einem Buy-In von Δ für Widget Y oder sogar X+ verbunden ist, schwerer zu rechtfertigen, wenn der ältere Teil noch funktioniert. Von Luft- und Raumfahrtlieferanten (Hauptauftragnehmer und die gesamte Lieferkette) wird häufig auch verlangt, dass sie über strenge Qualitätsprozesse verfügen – dh mehr Papierkram und Prozesse. All dies verlangsamt das Tempo von Innovation und Veränderung im Austausch für Vorhersagbarkeit. Von Luft- und Raumfahrtlieferanten (Hauptauftragnehmer und die gesamte Lieferkette) wird häufig auch verlangt, dass sie über strenge Qualitätsprozesse verfügen – dh mehr Papierkram und Prozesse. All dies verlangsamt das Tempo von Innovation und Veränderung im Austausch für Vorhersagbarkeit. Von Luft- und Raumfahrtlieferanten (Hauptauftragnehmer und die gesamte Lieferkette) wird häufig auch verlangt, dass sie über strenge Qualitätsprozesse verfügen – dh mehr Papierkram und Prozesse. All dies verlangsamt das Tempo von Innovation und Veränderung im Austausch für Vorhersagbarkeit.

Startverzögerungen

Sobald das Raumschiff fertig ist, muss es gestartet werden, und Starts können Monate, wenn nicht Jahre dauern.

Ein großer Teil davon ist Zuverlässigkeit. Die NASA könnte wahrscheinlich einen Intel Xeon-Chip aus dem Jahr 2012 einbauen, der eine wahnsinnig hohe Rechenleistung hat.

Der verwendete Chip , der RAD750, hat jedoch jahrelange Experimente und Verwendung hinter sich, wie z. B. die Verwendung in einer Vielzahl von Raumfahrzeugen, darunter:

• Deep Impact Komet jagendes Raumschiff, gestartet im Januar 2005 – verwendet erstmals den RAD750-Computer.
• XSS 11, kleiner Versuchssatellit, gestartet am 11. April 2005
• Mars Reconnaissance Orbiter, gestartet am 12. August 2005.
• Der Satellit WorldView-1, gestartet am 18. September 2007, verfügt über zwei RAD750.
• Fermi Gamma-ray Space Telescope, ehemals GLAST, startete am 11. Juni 2008
• Kepler-Weltraumteleskop, gestartet im März 2009.
• Lunar Reconnaissance Orbiter, gestartet am 18. Juni 2009
• Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) gestartet am 14. Dezember 2009
• Solar Dynamics Observatory, gestartet am 11. Februar 2010
• Raumsonde Juno, gestartet am 5. August 2011
• Curiosity Rover, gestartet am 26. November 2011

Aufgrund der Verwendung seit '05 kann die NASA ziemlich sicher sein, dass der Chip nicht aufgrund von Strahlungsproblemen usw. ausfällt.

Wieso den? Nun, ich würde sagen, dass John Besins Antwort es ziemlich gut zusammengefasst hat, und ich werde nicht versuchen, es zu übertreffen:

Ich würde nicht glauben, dass dies überhaupt der Fall sein würde. Wenn überhaupt, würde die NASA Hardware (und Software) verwenden wollen, die im Laufe der Jahre ausgiebig getestet wurde, sowohl bei der NASA als auch in der Industrie insgesamt. Das Letzte, was die NASA will, ist, einen Fehler im System eines Raumfahrzeugs zu einem ungünstigen Zeitpunkt zu finden , und wenn Sie über Geräte sprechen, die möglicherweise Hunderttausende von Kilometern durch den Weltraum reisen müssen, gibt es viele ungünstige Momente .

Man könnte meinen, dass Raumfahrzeuge auf dem neuesten Stand der Technik sind.

Ich würde nicht glauben, dass dies überhaupt der Fall sein würde. Wenn überhaupt, würde die NASA Hardware (und Software) verwenden wollen, die im Laufe der Jahre ausgiebig getestet wurde, sowohl bei der NASA als auch in der Industrie insgesamt. Das Letzte, was die NASA will, ist, einen Fehler im System eines Raumfahrzeugs zu einem ungünstigen Zeitpunkt zu finden, und wenn es um Geräte geht, die potenziell Hunderttausende von Kilometern durch den Weltraum reisen müssen, gibt es viele ungünstige Momente.

Sie könnten diese Frage auch auf Programmers.SE interessant finden; Es behandelt die Programmiersprachen, Hardware usw., die zum Bau des Mars-Curiousity-Rover verwendet werden.

Außerdem stelle ich mir vor, dass die von der NASA verwendete Hardware mit niedrigeren Spezifikationen einen geringeren Strombedarf hat als hochmoderne, leistungsstarke Hardware. Wenn der Rover zum Beispiel keinen schnelleren Prozessor benötigt, warum dann Platz und Gewicht verschwenden, indem man einen solchen Prozessor mit Strom versorgt, wenn ein Prozessor mit niedrigeren Spezifikationen ausreicht?

Ein weiterer wichtiger Grund ist, dass es einfach keine Notwendigkeit gibt, etwas Mächtigeres zu tun. Es gibt viele Anwendungen auf der Erde, bei denen Zuverlässigkeit wichtiger ist als Geschwindigkeit. Beispielsweise enthält ein Verkaufsautomat einen einfachen Computer. Sie wollen nicht, dass das abstürzt und Ihr Geld nimmt.

Die überwiegende Mehrheit der heute von Computern verwendeten Verarbeitung findet in der grafischen Benutzeroberfläche statt. Da es keinen Satelliten gibt, auf dem eine grafische Oberfläche läuft, macht es keinen großen Unterschied.

Der Zweck des Computers eines Satelliten besteht darin, den Satelliten am Leben zu erhalten, in die richtige Richtung zu zeigen, die Stromversorgung zu verwalten und Daten für die Verwendung am Boden zu sammeln. Daher müssen sie keine Gigahertz-Prozessoren haben, sie müssen nur eine Datenleitung sein. Dabei müssen sie mit hoher Präzision vorgehen. Sie können nicht einfach den Netzschalter eines Raumfahrzeugs drücken, Sie müssen seine Systeme jederzeit einwandfrei funktionieren lassen.

Computer werden von den Astronauten regelmäßig auf der ISS verwendet, aber diese werden für unkritische Systeme verwendet. Nur wenn der Computer die Daten erheblich verarbeiten muss, spielt die Geschwindigkeit eine Rolle, und abgesehen von einer gewissen Komprimierung wird das meiste davon immer noch auf der Erde erledigt. Darüber hinaus verfügen die meisten bildgeladenen Systeme da draußen über benutzerdefinierte Onboard-Chips, die bei der schnelleren Verarbeitung der Bilder helfen, sodass weniger Arbeit auf dem Hauptprozessor erledigt werden muss.

Es gibt einen Anime namens „ Rocket Girls “, in dem die Protagonistin dieselbe Frage stellte. Die Antwort, die sie bekam, war, dass sie nur klassische Technologie verwenden; Technologie, die sich im Laufe der Zeit einen guten Ruf erarbeitet hat. Dies gilt auch für die Medizin und die allgemeine Luftfahrt. Tatsächlich gilt dies für die meisten Bereiche des Ingenieurwesens, wobei es sich hauptsächlich um Softwareentwicklung handelt, die immer die "neuesten" Dinge verwendet.

Außerdem ist CMOS anfälliger für Strahlung als TTL . Wenn Sie also Radiation Hardening durchführen, ist es möglicherweise besser, einen langsamen 100-MHz-TTL-basierten Chip als einen schnellen 3,4-GHz-CMOS-basierten Chip zu verwenden.

Ein paar Dinge, die ich den guten Antworten bereits hier hinzufügen könnte:

• Auswahlzeitraum. Die Entscheidung, welche Hardware für ein Fahrzeug verwendet wird, wird lange (Jahre?) vor der Markteinführung des Fahrzeugs getroffen. Daher ist es beim Start wahrscheinlich veraltet.
• Strahlungshärtung. Oft konzentrieren sich diese Vergleiche auf ein oder zwei Spezifikationen, die für terrestrische Anwendungen interessant sind: CPU-Taktrate und RAM zum Beispiel. Obwohl diese wichtig sind, ist die Fehlertoleranz in einer verstrahlten Umgebung beim Fliegen an Jupiter wichtiger als beim Spielen von Doom. Diese Toleranz schafft einen Kompromiss, der den anderen Spezifikationen nicht hilft.

• Auswahlzeit : Raumfahrzeuge werden Jahre vor dem Start entworfen und gebaut. Der zum Build-Zeitpunkt ausgewählte Prozessor, selbst wenn er erstklassig ist, wird zum Zeitpunkt des Starts in den Schatten gestellt.
• Vibrationstoleranz : Der Start von Raumfahrzeugen erfordert vibrationstolerante Computersysteme; Viele neuere Prozessoren sind zur Entwurfszeit noch nicht bewertet.
• Strahlungswiderstand : Kleinere Schaltungen sind stärker strahlungsinduzierten Fehlern ausgesetzt als größere Schaltungen. Die meisten fortschrittlicheren Prozessoren verwenden kleinere Schaltkreise, um Energiekosten, thermische Belastungen und Betriebszykluszeiten zu reduzieren.
• Preis : Ältere Prozessoren können für weit weniger als aktuelle Spitzenprozessoren gekauft werden; die Preise sinken merklich, wenn Patente auslaufen.
• fehlender Bedarf : Nicht alle Satelliten benötigen äußerst robuste Verarbeitungslösungen.
  Die gesamte Apollo-Mission wurde mit einer Rechenleistung ausgeführt, die der von ein paar High-End-Linux-Workstations entspricht ... dazu gehören die Großrechner bei JSC und Cape Kenedy. Der Bordcomputer von Apollo war etwa so leistungsfähig wie viele Digitaluhren. (80 kB Gesamtspeicher; das sind 37 kB Worte zu je 2 B für ROM, plus 2 K Worte RAM.) Es lief mit 1 MHz, ziemlich schnell für seine Zeit. Ich habe 20-Dollar-Taschenrechner mit besseren Spezifikationen als der AGC gekauft.
  Die Aufgaben der meisten Satelliten können mit älteren Prozessoren zuverlässig ausgeführt werden, ohne dass die Mission beeinträchtigt wird.

In der Luftfahrt passiert das Gleiche, was Sie für die Weltraumtechnologie festgestellt haben. Hauptfaktoren wären Zuverlässigkeit, "Härte" und Entwicklungszeitrahmen, aber es gibt noch andere Überlegungen.

Jedes lebenswichtige System muss vertrauenswürdig sein, und wenn Sie es nicht reparieren können, wenn es kaputt geht (wie Roboter-Raumsonden), ist Zuverlässigkeit ebenfalls von größter Bedeutung. Je länger eine Sache existiert und Erfahrungen gesammelt hat, desto mehr kann man ihr vertrauen. Je komplexer ein System ist, desto schwieriger kann es auch sein, zu überprüfen, ob alle „Arbeitsteile“ so funktionieren, wie sie sollten. Die neuesten Technologien erweitern immer wieder die Grenzen der einen oder anderen Form und fordern die Grenzen dessen heraus, was getan werden kann. Das kann einen an den Rand einer Katastrophe bringen – kein guter Ort, wenn Menschenleben auf dem Spiel stehen. Neuere Computertechnologie ist immer ausgefeilter (komplexer) als das, was sie ersetzt, was die Verifizierung/Validierung schwieriger macht.

Flugzeuge und Raketen operieren in rauen Umgebungen; Die Fahrzeuge selbst schaffen raue oder vielleicht extreme Umgebungen für einige ihrer eigenen Komponenten. Es ist schwierig, elektronische Komponenten und Systeme zu bauen, die unter solchen Bedingungen funktionieren können – Temperatur, Schock/Vibration, EMI, Strahlung usw., ohne dass die Zuverlässigkeit in Frage gestellt wird.

Es dauert lange (Jahre), bis ein neues Luft- oder Raumfahrtsystem vom ursprünglichen Entwurf bis zum „ersten Start“ reicht, und das Design von Subsystemen (einschließlich derjenigen, die Computer verwenden) muss irgendwann im Prozess eingefroren werden. Die Computertechnologie bewegt sich viel schneller, sodass die Entwürfe mit dem eingefroren werden, was vertrauenswürdig ist (vielleicht bereits veraltet), und die Computertechnologie marschiert weiter, bevor das Flugzeug oder die Rakete abhebt.

Es wäre wirklich nicht klug, es anders zu versuchen. Wenn Ihr Leben auf dem Spiel steht, ist es viel besser, ein altes, grobes, aber zuverlässiges System zu haben, als etwas Neues und Schickes, aber nicht vollständig erprobtes.

Interessanterweise gilt dies nicht für alle Raumfahrzeuge. Die Flock-Satelliten von Planet Labs sind tatsächlich ziemlich modern, wie einer der Entwickler im The AmpHour-Podcast feststellte . Tatsächlich wurde das Testen neuer Satellitendesigns durch die Zeit verlangsamt, die es dauerte, die Satelliten nach ihrer Herstellung tatsächlich zu starten.

Ich schlage vor, den Podcast anzuhören, diese Folge war ziemlich interessant.