Image
4.2.2013 0 Comments

Počítače za hranicou planéty Zem

space-earth-nasa-hd-wallpapers-52.jpg Azda každý čitateľ PC REVUE je nadšencom informačných technológií. Spoločne sledujeme honbu výrobcov za vyšším výkonom a kapacitou, zlepšovanie najrôznejších vlastností zariadení či zjednodušovanie ich celkových koncepcií. Pri slovách ako výpočtová technika, softvér či hardvér si predstavujeme zariadenia, ktoré každodenne držíme v ruke. Ak svoje úvahy nasmerujeme o stupeň vyššie, napadnú nám najrôznejšie internetové servery, výpočtové strediská či superpočítače. Takmer nikdy sa nepozastavíme nad tým, že tieto zariadenia prirodzene počítajú s našou mierou gravitácie, tlaku atmosféry, magnetosférou či inými „samozrejmými" prvkami. Pri pracovných povinnostiach, denných strastiach, zábavách a vzťahoch veru nie je ťažké zabudnúť na to, že všetci stojíme na guli s hmotnosťou šesť triliárd ton, ktorá sa rúti rýchlosťou 107 000 km/h okolo miliónkrát väčšieho termonukleárneho reaktora a vonkoncom nie je stredobodom všetkého.

Ľudská zvedavosť, dobrodružnosť a túžba po poznaní nás vedie stále ďalej a ďalej. Od obežnej dráhy našej Zeme až po cudzie svety v podobe iných planét. Napadlo vám niekedy, aký počítač má na palube pohyblivé vozidlo na povrchu Marsu či sonda robiaca prieskum Saturnu? Čím sa procesory, pamäte, zdroje či vysielacie antény líšia od tých, ktoré máme umiestnené vo svojich stolových počítačoch, notebookoch či smartfónoch? Aké kritériá musia počítače určené na výskum cudzích planét spĺňať? Aké notebooky si nosia so sebou kozmonauti na Medzinárodnú vesmírnu stanicu? Na tieto otázky vám odpovie práve náš článok.

Pokiaľ na Zemi porovnávame to, ktorý procesor či rovno celý počítač je lepší, zvyčajne sa zameriavame na parametre, ako je napr. výpočtový výkon. No ak v špičkových vesmírnych sondách očakávate počítače, o ktorých sa z hľadiska výpočtového výkonu bežnému smrteľníkovi ani nesnilo, zostanete prekvapení. V kozmickom výskume sa do popredia dostávajú úplne iné parametre, než je taktovacia frekvencia procesora či kapacita operačnej pamäte. Stroje s procesorom typu Intel Core i7 a mnohými gigabajtmi RAM tu budete hľadať márne. Na počítači sondy totiž nikdy nebude fungovať softvér s grafickým rozhraním, nebude potrebné zobrazovať flashovú internetovú reklamu či hrať 3D hry. Požiadavky na počítač sondy sú úplne iné, pričom prioritný cieľ je najmä mimoriadne vysoká kvalita, odolnosť a stabilita. Počítač sondy totiž bude pracovať v podmienkach, o ktorých sa bežnému pozemskému hardvéru ani nesnilo. To všetko pri požadovanom nominálnom výkone a akceptovateľnej spotrebe. Celá situácia sa dá veľmi pekne prirovnať k autám. Superrýchle a drahé športové Ferrari síce bude v meste pútať zaslúženú pozornosť, ale cestovateľ pripravujúci sa na cestu okolo sveta tými najtvrdšími oblasťami by si toto auto určite nevybral, pretože by svoje odvážne putovanie skončil už na štrkovej ceste za dedinou.

Výzvy pre komické počítače

Procesory, pamäte či radiče počítačov kozmických sond sa musia počas obdobia svojej funkčnosti vyrovnať s množstvom nevšedných výziev. Na to musia vývojári, samozrejme, vopred myslieť, pričom úplným základom je schopnosť počítačov čeliť vibráciám a veľkému preťaženiu počas štartu nosiča, ku ktorému sa v niektorých prípadoch pridáva aj akt pristátia s adekvátnymi nárazovými silami (napríklad pri vozidlách na Marse). Okrem toho treba počítať aj s funkčnosťou techniky v dostatočnom teplotnom rozsahu a v rôznych prostrediach z hľadiska tlaku či zloženia atmosféry a v neposlednom rade navrhovať celé zariadenie tak, aby ho nevyradila z prevádzky každá neočakávaná udalosť. Zrejme to najdôležitejšie, čo kozmické počítače od tých všedných skutočne odlišuje, je schopnosť odolávať vysokým hodnotám ionizujúceho žiarenia.

V medziplanetárnom prostredí čelia sondy neprestajnému kozmickému žiareniu prichádzajúcemu zo zdrojov mimo našej slnečnej sústavy a zároveň žiareniu z nášho vlastného slnka (solárneho vetra), ktoré dosahuje vysokú intenzitu najmä pri solárnych erupciách. V oboch prípadoch ide o vysokoenergetický tok protónov, elektrónov a iných subatomárnych častíc, ktoré bombardujú sondu zo všetkých strán. Aj jediná vysokoenergetická častica pritom dokáže rozraziť tisíce elektrónov vnútri tranzistorov a spôsobiť kolísanie signálu a iné ruchy. Efekt takýchto kozmických projektilov na vnútorný organizovaný stav jednotlivých elementárnych častí obvodov si tak môžeme zjednodušene predstaviť ako úvodný rozraz gúľ na biliardovom stole.

Pamate.png
Odkryté čipy pamätí rad-hard pre kozmické počítače


Miera „chaosu", respektíve poškodenia elektronických obvodov pritom závisí od množstva a energetickej sily pôsobiaceho žiarenia. Už pri relatívne nízkej dávke sa začínajú objavovať rôzne náhodné efekty v podobe chýb na úrovni reprezentácie bitov. Tieto efekty sú krátkodobé, pričom majú vplyv na prevádzku obvodov, ale ešte nie na ich konštrukciu. Typickým predstaviteľom sú tzv. single-event upsets, teda akési „jednomomentové" narušenia. Ide o nepredvídateľný okamih, pri ktorom nabitá častica vráža do čipu a mení stav bitovej reprezentácie pamäťovej bunky alebo registra (teda napríklad z hodnoty 1 na 0). To vedie k softvérovej chybe, ktorá môže viesť k fatálnym softvérovým zásekom a nefunkčnosti. Obdobne nepriaznivé dôsledky môže zanechať single-event transient, ku ktorému dôjde v prípade, že častica vrážajúca do čipu spôsobí ionizáciou atómov hromadenie náboja, ktorý sa následne razom uvoľní formou elektrostatického výboja putujúceho celým obvodom.

S narastajúcou energiou častíc stúpa pravdepodobnosť fyzického poškodenia. K takýmto javom patrí single-event snapback, pri ktorom protón s vysokou energiou prestrelí v blízkosti drain elektródy tranzistora a z dôvodu veľkého elektrického poľa dôjde k lavínovému prierazu. V dôsledku zrážky teda vznikne elektrické pole dosť silné na to, aby urýchlilo voľné elektróny na dostatočnú rýchlosť aj v materiáloch, ktoré sú izolanty (tie potom pri kolízii s kryštalickou mriežkou uvoľňujú ďalšie elektróny). Vo výsledku sa tak výrazne znásobí veľkosť elektrického prúdu a tranzistor sa otvorí a zostane otvorený. Pri udalosti single-event gate rupture ťažká častica trafí hradlo tranzistora v momente, keď ním prechádza napätie. Na izolačnej vrstve z oxidu kremičitého dochádza k malému lokálnemu narušeniu, ktoré spôsobí náhle prehriatie a deštrukciu hradla v podobe miniatúrnej explózie. Bombardovanie silným žiarením v podobe neutrónov, protónov alebo vysokoenergetických fotónov gama tak procesory, pamäte a iné elektronické obvody úplne vyradí z činnosti. Na Zemi sú tieto nebezpečné projektily odkláňané od povrchu rozsiahlym prirodzeným magnetickým poľom našej planéty, ktoré je dôsledkom neustáleho pohybu jej roztaveného kovového jadra. Toto magnetické pole tak slúži ako náš ochranný štít pred nebezpečným kozmickým žiarením a solárnym vetrom. Efekt odklonených nabitých častíc narážajúcich do atmosféry je blízko severného a južného pólu dokonca viditeľný v podobe dych vyrážajúcej polárnej žiary. Druhý obranný mechanizmus je sama atmosféra. Častice kozmického žiarenia sa zrážajú s atómami molekúl atmosféry, a teda ich intenzita sa znižuje so zmenšujúcou sa nadmorskou výškou (čím dlhšie atmosférou putujú, tým pravdepodobnejšia je ich zrážka). Žiarenie, ktoré dorazí na povrch, je teda v porovnaní s medziplanetárnym priestorom mnohonásobne redukované.

DRAM.png
Prierez radiačne tieneným čipom DRAM


Procesory k cudzím planétam

Aby počítače v medziplanetárnych sondách boli dlhodobo schopné prevádzky aj v takýchto nehostinných podmienkach, používajú sa rôzne metódy zvýšenia radiačnej odolnosti. Tieto úpravy procesorov a počítačov sa označujú ako radiation-hardening (radiačné „zodolnenie"), pričom sa môžete stretnúť aj so skráteným označením rad-hard. Zvyšovanie odolnosti proti radiácii prebieha nielen na fyzickej úrovni čipu, ale aj na jeho operačnej logike. Základná ochranna celého počítača je konštrukcia sondy, ktorá plní funkciu odtieňovacej skrinky a zamedzuje tak priamy kontakt počítača s okolitým prostredím. Ide o prvú líniu ochrany, ktorá zadržuje časť prichádzajúceho žiarenia. Druhú líniu tvorí tienenie čipov, na ktorých je vytvorená krycia vrstva z čistého bóru. Bór je vďaka veľkému účinnému prierezu proti vysokoenergetickým neutrónom mimoriadne vhodný materiál, známy aj z jadrového priemyslu (používa sa na stavbu reaktorov a spomaľovacích tyčí na riadenie jadrových reakcií). Bór sa vyskytuje v dvoch stabilných izotopoch v podobe bóru-10 a bóru-11. Kým v jadrovom priemysle sa bór obohacuje, aby sa dosiahol čo najväčší podiel izotopu 10, v prípade čipov rad-hard sa, naopak, ochudobňuje do podoby čistého izotopu 11. Kozmická radiácia narážajúca do stien sondy totiž vyúsťuje do produkcie sekundárnych neutrónov, ktoré by po zrážke s bórom-10 spôsobili neželanú produkciu častíc alfa a lúčov gama, čo by negatívne ovplyvňovalo funkcie čipu (prvá kategória chýb). Bór-11 je naproti tomu mimoriadne odolný proti radiačnému poškodeniu. Okrem konštrukčného tienenia sú procesory zmenené aj vnútri, pričom sa na ich substrát používajú vhodnejšie materiály, ako je napríklad karbid kremíka a nitrid gália.

Na úrovni operačnej logiky môžu počítače rad-hard používať redundantný systém riadenia s „nadbytočnými" prvkami. Redundanciu možno použiť na úrovni systému, pri ktorom sa jeden počítač skladá z troch samostatných základných dosiek s vlastnou pamäťou a procesormi. Výpočet sa teda robí v jednom čase trojnásobne, pričom akýkoľvek odlišný výsledok jednotlivej časti bude prepočítaný. Objemovo a energeticky menej náročná (teda zvyčajne aj vhodnejšia) je redundancia na úrovni obvodu, pri ktorej je jeden bit nahradený trojicou rovnakých bitov a oddelenou „rozhodovacou logikou". Procesor tak pri svojej práci v reálnom čase číta hodnotu troch bitov. Pokiaľ sa jeden z nich z dôvodu poruchy líši (či už z dôvodu žiarenia, alebo iného), pokračuje sa hodnotou totožnej dvojice. V prípade operačnej pamäte sa používajú samokorekčné moduly ECC (známe z použitia na počítačoch, pri ktorých je kvalita výstupných dát nesmierne dôležitá), ktoré dáta neustále čítajú a porovnávajú s kontrolným súčtom. V prípade nájdenia chýb sa tak zapíše nazad opravená verzia dát. Nech je však procesor, pamäť či celý počítač akokoľvek istený na chyby, vždy sa môže stať taká nečakaná udalosť, že počítač sa zasekne a odmietne reagovať. To je, samozrejme, veľmi nešťastné, pretože ak počítač na sonde nereaguje, nemožno ho ani nijako ovládať na diaľku zo Zeme. Z tohto dôvodu sú kozmické sondy zvyčajne vybavené tzv. strážnym psom. Ide o mechanizmus, ktorému musí počítač pravidelne v stanovenom intervale odoslať nejaký druh sekvencie, čím potvrdí svoju funkčnosť. Strážny pes je autonómna jednotka obsahujúca časovač, ktorý počíta dobu od posledného signálu. Počítač v pravidelných intervaloch odosiela signál, ktorý časovač vynuluje, a tak sa hodiny stále rátajú odznova. Ak sa však počítač zasekne, nebude tento signál schopný vysielať. Časovač strážneho psa dosiahne kritickú hranicu a zopne obvod na tvrdý reštart.

RAD6000.jpg
Obe strany počítača RAD6000 vo vyhotovení 6U Compact PCI

V kozmickom výskume sa za päť desaťročí, ktoré uplynuli od jeho zrodu, používalo množstvo rôznych výpočtových jednotiek. Prvé sondy mali prakticky vždy samostatný dizajn počítačov, ktoré boli budované na konkrétny účel. Išlo teda o ťažké a rozmerné zariadenia. Postupom času sa však začali objavovať prvé riešenia založené na revolučnom vynáleze polovodičového priemyslu - mikroprocesore. Jeden z prvých používaných typov bol procesor RCA 1802, označovaný aj ako COSMAC. Tento veľmi jednoduchý 8-bitový procesor, vyvinutý v roku 1976 spoločnosťou RCA (Radio Corporation of America), pracoval pri napätí 2 voltov na frekvencii 3,58 MHz. Komerčne išlo o veľmi neúspešný produkt, ktorý bol v tom čase na trhu prevalcovaný 8-bitovými procesormi Intel 8080 (2 MHz) a Intel 8085 (6 MHz). To, čo však bolo na ňom špeciálne, bola technológia jeho výroby. Išlo o prvý procesor postavený na technológii CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, teda doplňujúci sa kov-oxid-polovodič), ktorá sa dnes používa na drvivej väčšine integrovaných obvodov. Okrem toho bola pri výrobe substrátu použitá aj technológia SOI (Silicon on insulator - kremík na izolátore), pričom sa namiesto štandardného izolátora v podobe oxidu kremičitého zvolil zafír. Tieto fakty mali za následok to, že procesor sa stal prirodzene veľmi odolným proti rádioaktívnemu žiareniu. Tento fakt si všimla NASA, ktorá v roku 1977 začala prácu na pokročilej sonde Galileo, určenej na výskum Jupitera a jeho mesiacov. Išlo o komplexnú medziplanetárnu sondu za 1,5 miliardy dolárov (dĺžka 9 m, šírka 4,5 m) a s obrovským množstvom vedeckého vybavenia vrátane samostatnej sondážnej kapsuly vystrelenej do atmosféry planéty (vôbec prvá sonda, ktorá zaparkovala na orbite planéty vo vonkajšej časti našej slnečnej sústavy). Sonda Galileo nakoniec používala dovedna šesť procesorov RCA 1802 a 176 kB operačnej pamäte. Jej štart sa po zdĺhavom vývoji uskutočnil v roku 1989, orbitu Jupitera dosiahla v roku 1995 a pracovala až do roku 2003.

V roku 1980 sa na trhu objavil 16-bitový procesor MIL-STD-1750A (1 MHz až 20 MHz), zodpovedajúci armádnym štandardom, ktorý sa začal osádzať do počítačov určených pre stíhacie lietadlá F-16, F-18 a bojové helikoptéry AH-64 Apache. Vďaka armádnej povahe procesor disponoval protiradiačným tienením (z dôvodu operatívnosti počas nukleárnej vojny), a tak bol mimoriadne vhodný aj na kozmické použitie. Tento procesor používalo a používa veľké množstvo sond, ako napríklad Mars Global Surveyor (družica Marsu v rokoch 1999 - 2006), európska Rosetta (výskum kométy 67P/Churyumov-Gerasimenko, na ktorej sonda pristane v roku 2014) a „vlajková" medziplanetárna sonda Cassini. V prípade Cassini ide o pokročilú a komplexnú sondu typu Galileo, ktorej návrh a vývoj trval od roku 1982 až po jej štart v roku 1997. Táto sonda za viac ako 3 miliardy dolárov od svojho príletu v roku 2004 vykonáva výskum Saturnu a jeho mesiacov, a to s predpokladaným trvaním misie do roku 2017. Vo svojom 7-metrovom tele ukrýva redundantný počítač s procesormi STD-1750A, 1630 elektronických komponentov, 22 000 elektronických spojení a 14 kilometrov káblov. Jej súčasťou bola aj samostatná kapsula Huygens s vlastným procesorom STD-1750A a 64 kB pamäte, ktorá v roku 2005 úspešne pristála na mesiaci Titan - jedinom objekte v slnečnej sústave okrem Zeme, ktorý má na svojom povrchu jazerá (pri teplote -179 °C sú vyplnené tekutým metánom).

Galileo.jpg
Príprava medziplanetárnej sondy Galileo - technici vedľa nej dávajú dobrú predstavu o jej veľkosti

Na príklade komplexných sond Galileo a Cassini dobre vidieť proces rozsiahleho a náročného vývoja, ktorého súčasťou je aj zdĺhavé a precízne testovanie palubných počítačov. Procesory takýchto sond teda nemôžu odzrkadľovať súčasný stav na poli polovodičových technológií. Aj keď v súčasnosti už NASA preferuje jednoduchšie a lacnejšie sondy (v cenách stoviek miliónov dolárov), ktorých vývoj trvá kratšie, procesor sa musí vždy zvoliť už pri ich návrhu. CPU teda musí byť už v danom čase na trhu a mať za sebou často rozsiahle testy stability a vlastností rad-hard. Sonda potom prejde finálnym návrhom a potom niekoľkoročnou stavbou a testovaním. Nasleduje štart, let k cieľu, v niektorých prípadoch trvajúci aj niekoľko rokov, a po ňom často niekoľko rokov práce. Procesor tak vo výsledku funguje desiatky rokov (vrátane testov pri stavbe), pričom v poslednej dekáde je stovky miliónov kilometrov od Zeme. V tomto odvetví sa na náhody skrátka nehrá. Aj tá najmenšia chyba totiž môže mať katastrofálne dôsledky a znamenať stratu sondy za niekoľko miliárd dolárov.


Jeden z najúspešnejších procesorov pre vesmírne sondy je IBM RAD6000. Ide o prvý významný procesor stavaný špeciálne na letecké a kozmické použitie. Na trhu sa objavil v 90. rokoch minulého storočia, pričom jeho konštrukcia vychádza z procesora RISC Single Chip od IBM (ktorý sa stal základom aj pre procesory PowerPC 601, používané v počítačoch Apple Power Macintosh v 90. rokoch). RAD6000 je 32-bitový procesor s pracovnou frekvenciou 33 MHz a jedným miliónom tranzistorov. Zvyčajne je osadzovaný spolu so 128 MB operačnej pamäte typu ECC. Disponuje radiačnou odolnosťou do dávky 200 000 rad (odolnosť bežných CPU je okolo 5000 rad) a strednou dobou medzi poruchami (MTBF) 375 000 hodín. Počítač založený na procesore RAD6000 (pozri obrázok) použilo do súčasnosti viac ako 200 sond a družíc, medzi ktorými je napríklad sonda Mars Odyssey (orbitálna družica Marsu od roku 2001 - stále v prevádzke), sonda MESSENGER (štart v roku 2004 - od roku 2011 operuje na orbite Merkúra) či marťanské vozidlá Pathfinder (1997 - 1998), Spirit (2004 - 2010) a Opportunity (stále funkčná od roku 2004). Cena počítača založeného na procesore RAD6000 sa pohybuje okolo 250 000 dolárov a vyvinula ho spoločnosť Lockheed Martin (americký výrobca armádnej techniky, vyrábajúci napríklad lietadlá F-22, F-35 a rakety Titan).

RAD750-CPU.jpg
Procesor RAD750 pri pohľade zospodu, zvrchu a zvnútra krytu

Nástupca procesora RAD6000 a súčasný hlavný kozmický CPU je procesor RAD750. Na trh bol uvedený v roku 2001 a vychádza z konštrukcie komerčného procesora IBM PowerPC 700. Od toho roku bol zapracúvaný do návrhu nových kozmických projektov a do vesmíru sa prvýkrát dostal v roku 2005 na sonde Deep Impact (jej cieľom bola kométa Tempel). Ide v súčasnosti o najpokročilejší procesor používaný na medziplanetárne sondy. Je vyrobený 150 nm technológiou, pričom pozostáva z 10,5 milióna tranzistorov a 32 kB vyrovnávacej pamäte. Pracuje na frekvencii 110 až 200 MHz so spotrebou 5 W (jadro je napájané napätím 2,5 V) a operačnou teplotou medzi -55 a +125 °C. Oproti svojmu predchodcovi v podobe RAD6000 stúpol nielen výkon, ale aj radiačná odolnosť. RAD750 je schopný vydržať radiáciu až do 1 000 000 rad (čo je tisícnásobne viac než smrteľná dávka pre človeka). Stredná doba medzi poruchami (MTBF) bola zvýšená na 4,3 milióna hodín. Z tohto dôvodu sa neočakáva viac ako jedna kritická udalosť za 15 rokov. Počítače s procesorom RAD750 existujú vo vyhotoveniach s doskou formátu 3U alebo 6U. Obe si môžete pozrieť na obrázkoch. V popredí je menšie vyhotovenie 3U, v pozadí 6U. Veľké zlaté obdĺžniky v ľavej časti dosky sú integrované čipy DRAM operačnej pamäte, menšie čierne čipy vedľa nich tvoria pamäť EPROM. Procesor RAD750 je menší sivý štvorec. Ten väčší je mostík Power PCI. Medzi nimi vidieť strieborný regulátor napätia a oscilátor v zlatom zafarbení. Cena počítačov sa pohybuje podobne ako v prípade ich predchodcu okolo 300 000 dolárov. Výrobcom je bývalá elektronická divízia Lockheed Martin, ktorá je od akvizície v roku 2001 súčasťou BAE Systems (britská zbrojárska firma, vyrábajúca napríklad stíhacie lietadlá Harrier či útočné ponorky Astute).

RAD750.jpg
Počítače založené na procesore rad-hard RAD750 - v popredí menšie vyhotovenie 3U, v pozadí väčšie 6U

Počítače RAD750 sú použité napríklad na sonde Juno (od roku 2011 na ceste k Jupiteru - príchod na orbitu v roku 2016), orbitálnom teleskope Kepler (na hľadanie planét mimo našej slnečnej sústavy) a predovšetkým na súčasnej pýche kozmického výskumu - vozidle Curiosity, ktoré pristálo na Marse v roku 2012. Na rozdiel od predchádzajúcich marťanských vozidiel je Curiosity značne mohutnejšie a dosahuje veľkosť auta (Pathfinder bol veľký približne ako škatuľa od topánok a dvojičky Spirit a Opportunity približne ako kuchynský stôl). Jeho vývoj a výroba stáli 3,2 miliardy dolárov. Vozidlo obsahuje dva identické počítače s procesormi RAD750 (200 MHz), 256 KB pamäte EEPROM, 256 MB DRAM a 2 GB pamäte typu flash. V jednom čase funguje vždy len jeden z počítačov, pričom ten druhý slúži ako záloha pre prípad fatálneho zlyhania. Keďže pristátie bolo v médiách veľmi populárne, niektoré spravodajské servery boli parametrami výpočtového výkonu zaskočené. Pri laickom pohľade sa zdá totiž čudné, aby high-tech medziplanetárna sonda za miliardy dolárov obsahovala výpočtovú techniku slabšiu ako súčasné mobilné telefóny. Neuvedomili si však, že tak je to iba na Zemi. V kozme a na Marse by klasické počítače za krátky okamih plnili iba funkciu záťažového šrotu. Len vyladenie hardvéru a radiačné testy zaberú pri takýchto projektoch 5 až 8 rokov práce. Na cudziu planétu vám jednoducho žiadny technik nepôjde vymeniť RAM :-).

Okrem RAD6000 a RAD750 sa v moderných sondách objavujú zriedkavejšie aj iné procesory. Ide predovšetkým o Mongoose-V, ktorý sa používa na niektorých satelitoch Zeme, ale hlavne na sonde New Horizons, ktorá od roku 2006 smeruje extrémnou rýchlosťou k Plutu, pričom pri prelete v roku 2015 nám prvýkrát v ľudskej histórii ukáže skutočnú podobu tejto vzdialenej trpasličej planéty. Mongoose-V je 32-bitový procesor rad-hard pracujúci na frekvencii 15 MHz. CPU obsahuje 2 kB dátovej a 4 kB inštrukčnej vyrovnávacej pamäte. Ide o procesor pre jednoduchšie sondy (jeho cena je 42 000 dolárov) a vyvinula a vyrába ho spoločnosť Synova. Zaujímavý je aj procesor rad-hard Proton200k, ktorý pracuje na frekvencii 1 GHz. Z tohto hľadiska je teda značne výkonnejší ako napríklad RAD750. Ide však o procesor s jednoduchším testovaním a menším protiradiačným tienením (iba desatina schopností RAD 750), takže sa používa len na jednoduchších družiciach Zeme (napríklad na nanosatelitoch ANGELS).

Operačný systém, princíp komunikácie a napájanie

Keďže už máme dobrú predstavu o tom, ako počítač na medziplanetárnych sondách vyzerá a čo všetko musí zvládnuť, môžeme sa pozrieť na jeho nevyhnutné podporné mechanizmy. Aj počítače vo vesmíre totiž potrebujú to, čo počítače na Zemi - operačný systém, komunikačný mechanizmus a napájanie elektrickým prúdom. Ak z hľadiska operačného systému očakávate nejaké známe mená, sklameme vás. Na sondách nenájdete Windows, Linux ani iný unixový systém. Najrozšírenejší operačný systém pre medziplanetárne sondy jeTen kontinuálne vyvíja od 80. rokov minulého storočia spoločnosť Wind River Systems, a teda má za sebou rovnako dlhú históriu ako Microsoft Windows. VxWorks je však koncepčne odlišný od klasických systémov pre domáce počítače. Ide o tzv. real-time operating system (operačný systém reálneho času), pre ktorý je najzákladnejšia požiadavka včasná reakcia za všetkých možných okolností. Dá sa teda definovať ako systém, ktorý odpovedá na asynchrónne vstupy v rozhodnutom a ohraničenom čase (je vopred stanovená maximálna možná latencia). Takýto systém je nevyhnutnosť pri prístrojoch, pri ktorých by neskorá odpoveď znamenala katastrofálne zlyhanie. Ide teda napríklad o presnú navigáciu sondy pri gravitačnom manévri alebo vstupe do atmosféry, kde počítač musí presne a bez oneskorenia koordinovať ťah dýz motora. Takéto operačné systémy sú potrebné nielen pri kozmických sondách, ale aj leteckej navigácii či presných robotoch. VxWorks však nie je striktná doména iba takýchto strojov a vďaka jeho kvalitám a prednostiam ho nájdeme aj na niektorých relatívne obyčajných zariadeniach, ako sú niektoré typy routerov a firewallov. Od akvizície v roku 2009 je Wind River Systems súčasťou spoločnosti Intel.

Počítač na kozmickej sonde by bol, samozrejme, na nič, keby nemohol dáta nazbierané sondou odosielať späť na Zem. Keď si spomeniete na svoj domáci Wi-Fi router, ktorého signál prejde tak tri steny, možno sa na chvíľu zamyslíte nad tým, čo znamená komunikovať na takú obrovskú vzdialenosť. Aké je vlastne bezdrôtové spojenie na vzdialenosť miliónov kilometrov a aký dátový tok zvyčajne dosahuje? Na spojenie so sondami sa používa rádiová komunikácia cez tzv. Deep Space Networks (DSN), čo je sústava obrích parabolických antén s priemerom 34 až 70 metrov, rozmiestených po Zemi tak, aby pokryli všetky smery aj napriek otáčaniu našej planéty. Sondy komunikujú so Zemou pomocou vlastných antén alebo prostredníctvom výkonnejších antén iných bližších sond. Napríklad marťanské vozidlo Curiosity používa na rádiové spojenie so Zemou dve antény vo frekvenčnom pásme X (7 až 8 GHz) a na komunikáciu s družicami na orbite Marsu jednu anténu v pásme UHF (400 MHz). Anténa pre pásmo X má tvar šesťuholníka s priemerom 30 cm, pričom umožňuje s pozemskou 34-metrovou anténou DSN komunikovať rýchlosťou 160 bit/s a so 70-metrovou anténou rýchlosťou 800 bit/s. Po 8 minút denne sa môže počítač Curiosity spojiť so sondami práve prelietajúcimi nad ním na orbite Marsu a odoslať im dáta cez anténu UHF rýchlosťou 2 Mbit/s (sonde Mars Reconnaissance) a 256 kbit/s (sonde Odyssey). Sondy majú omnoho výkonnejšie parabolické antény a môžu dáta na Zem poslať oveľa rýchlejšie. Z roveru sa tak na Zem dostane 31 až 32 MB vedeckých dát denne.

S narastajúcou vzdialenosťou sa požiadavky stupňujú a medziplanetárne sondy musia niesť parabolické antény s priemerom niekoľkých metrov. Sonda New Horizons bude v čase preletu okolo Pluta v roku 2015 päť miliárd kilometrov od Zeme. Takúto vzdialenosť si človek zvyčajne už nedokáže správne vizualizovať a je preňho len nič nehovoriacim veľkým číslom. Na predstavu poslúži príklad: keby k Plutu viedla diaľnica a vy by ste sa po nej rútili autom rýchlosťou 120 km/h, a to 24 hodín denne a 365 dní do roka bez prestávky, k Plutu by ste nedorazili vy, ani váš vnuk, ani váš pravnuk. Na cestu by ste totiž potrebovali približne 5000 rokov. Počítač sondy New Horizons používa na komunikáciu vysokoziskovú anténu s priemerom 2,1 metra, ktorá dokáže pri tejto vzdialenosti komunikovať so 70 m anténou DSN rýchlosťou 1000 až 2000 bitov/s (oneskorenie signálu z dôvodu medznej rýchlosti svetla je štvorhodinové). Najvzdialenejší objekt vyslaný človekom je sonda Voyager 1, ktorá štartovala v roku 1977 (preletela okolo Jupitera a Saturnu) a dnes je od Zeme vzdialená 18 miliárd kilometrov. Jej počítač je aj po neuveriteľných 35 rokoch stále funkčný a prostredníctvom svojej 3,7-metrovej parabolickej antény odosiela dáta rýchlosťou 160 bit/s.

Aby počítače na sondách mohli fungovať, potrebujú elektrické napájanie. Sondu, samozrejme, nemôžeme vo vesmíre dobiť v zásuvke ako svoj domáci notebook, a preto musí byť úplne sebestačná. Sondy napájajú svoje počítače a vedecké vybavenie pomocou vlastných „súkromných elektrární". Produkcia elektrickej energie je pritom riešená dvoma základnými spôsobmi: buď pomocou fotovoltických panelov, alebo nukleárnym zdrojom. Solárne panely, samozrejme, možno použiť len do určitej vzdialenosti od Slnka. Rekordérom je v súčasnosti sonda Juno, napájaná tromi krídlami fotočlánkov s rozpätím 25 m. Keďže Jupiter je od Slnka päťnásobne ďalej ako Zem, znamená to, že na panely dopadne približne 25× menej svetla ako pri Zemi. Sondy do väčších vzdialeností sú napájané (tak ako aj rozmerné marťanské vozidlo Curiosity) nukleárnym zdrojom. Curiosity disponuje termoelektrickým rádioizotopovým generátorom s rozmermi 60 × 60 cm. V zdroji sa nachádza 4,8 kg oxidu plutónia, ktoré pri rozpade generuje teplo. Toto teplo sa zachytáva súpravou termočlánkov a konvertuje na elektrický prúd (výkon 110 W pod dobu 14 rokov). Objemné komplexné sondy ako Cassini a Galileo nesú až tri takéto generátory.

Osobné počítače pre kozmonautov na ISS

Kozmické počítače však nemajú iba podobu riadiacich jednotiek sond či lodí. Na obežnej dráhe okolo Zeme totiž krúži aj Medzinárodná vesmírna stanica (International Space Station - ISS) s ľudskou posádkou. Keďže drvivú väčšinu žiarenia na nízkej orbite odkláňa ešte magnetické pole Zeme a so zvyškom si poradí tienenie stanice, kozmonauti môžu používať relatívne bežné typy osobných počítačov v podobe notebookov. Jediné certifikované notebooky na použitie na vesmírnej stanici sú IBM/Lenovo ThinkPad. Od roku 1998 až dodnes bolo použitých niekoľko modelov, počnúc notebookmi ThinkPad 760 a 770 (Pentium I a II) v 90. rokoch, ktoré s ubiehajúcimi rokmi postupne nahradili modely ThinkPad A21p (Intel Mobile Pentium III, 850 MHz), ThinkPad A31p (Intel Mobile Pentium 4, 2 GHz) či ThinkPad T61p (Intel Core 2 Duo T7700, 2,4 GHz). V súčasnosti je ich na ISS dovedna približne sto. Notebooky sa na použitie na stanici špeciálne modifikujú najmä z hľadiska chladenia. V bezváhovom prostredí sa jednoducho nemôžete spoľahnúť na „samozrejmý" fakt, že teplý vzduch je ľahší ako studený a prirodzene stúpa smerom hore. V kozme to jednoducho neplatí, a preto chladenie procesora a grafického čipu treba náležite upraviť. Úpravou prechádza aj povrch notebooku, na ktorý sa pripevňujú pláty suchého zipsu. Vďaka nemu si kozmonauti môžu položiť pri práci notebook na nohy či na stenu/strop/podlahu bez toho, aby im pri chvíľke nepozornosti uletel preč. Zmenou prechádza aj napájací adaptér, ktorý je upravený na 28 V jednosmerného napätia, čo je na stanici štandard. Notebooky sú zasieťované pomocou káblových aj bezdrôtových Wi-Fi routerov a stanica je so Zemou (respektíve servermi NASA) prepojená prostredníctvom satelitného dátového pripojenia s rýchlosťou 3 až 10 Mbit/s. ISS nie je priamo pripojená k internetu, ale kozmonauti majú v súkromnom čase prístup aj k osobným e-mailom prostredníctvom synchronizácie e-mailových účtov. V prípade, že majú záujem, môžu v čase venovanom na oddych požiadať pozemské IT oddelenie aj o špecifické filmy, hudbu či TV seriály. IT personál ich uploaduje na servery NASA a dáta sú následne prístupné z ktoréhokoľvek notebooku na stanici.

ISS.jpg
Notebooky IBM/Lenovo ThinkPad na palube orbitálnej stanice ISS


Záver

Počítače pre kozmické a najmä medziplanetárne lety sú z hľadiska konštrukcie a špecifických vlastnosti bezpochyby mimoriadne zaujímavé kusy technológie. V článku sme vám odkryli toto zvláštne odvetvie hardvéru a softvéru, na ktoré sa kladú celkom iné požiadavky ako na adekvátne pozemské náprotivky. Pri pohľade na kozmické počítače bezchybne fungujúce často desiatky rokov sa na technickú kvalitu dá skutočne nazerať z trochu iného uhla než zvyčajne.


Nechajte si posielať prehľad najdôležitejších správ emailom

Žiadne komentáre

Vyhľadávanie

Kyocera - prve-zariadenia-formatu-a4-s-vykonom-a3

Najnovšie videá