Тройной компьютер защитит результаты от космической радиации

Электроника в космосе нуждается в защите не меньше, чем люди (иллюстрация с сайта nasa.gov).

Вы расстраиваетесь, когда ваш компьютер сбоит, теряя данные или отключаясь полностью? Представьте, каково приходится космонавтам и астронавтам, которые доверяют электронике навигацию или системы жизнеобеспечения. Ведь на орбите сбоящий процессор может оказаться смертельно опасным.

К сожалению, в космосе есть, по меньшей мере, один фактор, который может и самый современный компьютер сделать ненадёжным. Это радиация.

Когда высокоэнергетические частицы из состава космических лучей сталкиваются с микросхемой, они могут заставить её сделать ошибку. И ведь не то чтобы компьютеры не работали вовсе. Но вот появляется один нолик вместо правильной единички, а там — другой... Что если в результате этого корабль, к примеру, не сможет вернуться с Луны?

Об этом действии радиации известно давно. Собственно, с момента выхода электроники в космическое пространство. И рецепт противодействия также давно известен: специальные чипы, устойчивые к радиации. Их делают по более грубой технологии (размер элементов микросхем), с избыточным числом транзисторов и иными пересмотренными техническими параметрами.

Радиацию они переносят спокойно, но зато обладают рядом недостатков. Такие схемы раз в десять медленнее, чем сопоставимые с ними по размерам современные «гражданские» процессоры. В силу мелкосерийного производства они дороги. А ещё они прожорливы в плане электропитания.

Есть иной вариант: вы берёте быстрые «камни», которые боятся радиации, но в количестве втрое большем, чем нужно. Все три процессора у вас должны одновременно выполнять одну и ту же задачу (например, расчёт траектории), а в конце — сверять результат. Маловероятно, что частицы космических лучей поразят каждый из трёх процессоров одновременно. Скорее, пострадает один чип из трёх. Таким образом, результат, отличающийся от двух других (они-то будут совпадать), следует отбросить, как ошибочный.

Этот принцип, конечно, не нов. Его применяли создатели космической техники в разных странах (и в СССР) — ещё на заре космонавтики. Его же использовали и создатели баллистических ракет. Правда, очень часто троичное дублирование со сверкой сигналов на выходе не столько служило защитой от радиации, сколько «защитой» от банальной ненадёжности самих схем, их низкого качества.

Скоростной тяжёлый ион пробивает чип (да и весь корабль, заметим) насквозь, порождая заряды, вызывающие сбой в работе схемы (иллюстрация ESA).

Мы отвлеклись. Казалось бы, ставь три процессора вместо одного и ни о чём не беспокойся. Однако мы опять приходим к печальным последствиям: при производительности, равной одному хорошему процессору, мы имеем здесь тройную массу, тройные объём и потребление электричества. Всё это может быть критическим. Особенно — на небольших спутниках. Да и в пилотируемых миссиях тоже. Скажем, при полёте к Марсу инженеры будут бороться за каждый грамм корабля.

NASA намерено исправить эту ситуацию с помощью программы «Адаптированное к среде отказоустойчивое вычисление» (Environmentally Adaptive Fault-Tolerant Computing — EAFTC).

Специалисты агентства придумали такой ход. В общих чертах тут используется вторая стратегия, то есть, компьютер для корабля (спутника, межпланетной станции) строится на основе мощных современных Pentium и PowerPC, скоростных и сравнительно дешёвых (самых обычных «гражданских», что миллионами продают в магазинах).

Но используются они не совсем обычно. Отдельная специальная программа каждую секунду оценивает важность каждой запускаемой программы. Если она совсем не критична — её отрабатывает только один «камень» бортового компьютера. Если чуть более важна — одновременно два, а если жизненно важна (траектория возврата корабля домой, скажем, или правильный угол входа в атмосферу) — вычисления проводят одновременно три процессора, с последующим сличением результатов.

Такая динамическая система рационально использует вычислительные ресурсы, без утраты своих «антирадиационных» способностей.

Вычисление одной и той же задачи двумя чипами называется 100-процентной избыточностью, тремя — 200-процентной. Средняя избыточность в системе EAFTC составит всего 15-20% при устойчивости к радиации как у простых систем с 200-процентной избыточностью.

А это означает, что простаивающие в каждый момент времени процессоры будут либо задействованы для иных задач (то есть, общая производительность компьютера, соотнесённая с его весом — будет выше), либо — «камни» будут «спать», экономя электроэнергию.

Эксперты говорят, что EAFTC не вытеснит специальные радиационноустойчивые чипы полностью, но последние останутся лишь в самых ключевых точках.

Компьютер, созданный по программе EAFTC (фото NASA/Honeywell).

Интересно, что рост производительности бортовых систем при сохранении их веса и низкого расхода электричества даст будущей технике и другие бонусы. Так, можно будет массу данных с научных приборов обрабатывать прямо на борту аппарата, а на Землю отсылать более или менее готовые к осмыслению результаты, вместо «сырого» потока бит с того или иного датчика.

А это очень важно, так как пропускная способность (килобит в секунду) систем связи «космический аппарат — наземная станция», особенно используемых в миссиях дальнего космоса (Марс, Юпитер, Сатурн) — весьма мала. Со скоростями, привычными нам по наземным сетям, и сравнивать неудобно.

Воплотить идею EAFTC в металле взялась американская компания Honeywell International.

Первый компьютер, собранный и запрограммированный по таким принципам, должен полететь в космос на спутнике Space Technology 8, который является частью программы NASA New Millennium. Она призвана разработать и испытать на орбите перспективные технологии для будущих космических аппаратов. Но запуск этого спутника намечен, увы, лишь на 2009 год.



Частная фирма строит орбитальный космический челнок

16 декабря 2005

Созданы крупнейшие в мире гибкие часы из бумаги

15 декабря 2005

Кредитные карты можно защищать звуковым сигналом

15 декабря 2005

Пауки-футболисты растянут в космосе японский платок

14 декабря 2005

Глава Intel раскритиковал ноутбук за $100

12 декабря 2005