Elektronika w kosmosie – kilka podstaw

Większość z nas posiada raczej dość wydajne komputery. W epoce wielordzeniowych 64-bitowych procesorów o taktowaniu standardowo powyżej gigaherca, dysków twardych o pojemności wielu gigabajtów w technologiach HDD i SSD procesory takie jak i486 jawią się większości, jako absolutna prehistoria komputerów. A jednak komputer misji Apollo – AGC miał tylko 16 bitowy procesor o taktowaniu 2,048 Mhz i bardzo mało pamięci RAM i ROM. Właściwie był to „taki kalkulator”. Mało tego. Procesory i386 oraz i486 były i są nadal stosowane w szeregu rozwiązań funkcjonujących w przestrzeni kosmicznej.

CC BY-SA 3.0 Appaloosa

To nie żart.To rzeczywistość. Ale dlaczego właściwie tak jest ? Po co używać przestarzałego sprzętu, od którego wydajniejsza jest byle komórka, a nawet część kalkulatorów ?

Są ważne powody. Napisano już kilka artykułów je wyjaśniających np: [1] [2]. A ja napiszę kolejny po to,by zebrać to w całość – i mam nadzieję – zrobić to lepiej.

Zacznijmy od opisu warunków jakie panują w przestrzeni kosmicznej i na orbicie,czy tam na księżycu.No nie są one fajne:

  • Próżnia,a co za tym idzie problem z oddawaniem ciepła (wydaje się dziwne,skoro w przestrzeni kosmicznej jest zimno ? A kojarzycie termos ?)
  • Piekielnie niskie temperatury (nie ma może jakiegoś szybkiego schładzania i strat ciepła, bo próżnia), ale też w dzień nagrzewanie do temperatur nawet do 100 stopni Celcjusza.
  • Promieniowanie kosmiczne i wiatr słoneczny oraz wysokoenergetyczne cząstki w pasach van Allena
  • Spore przyspieszenia przy starcie do lotu w kosmos (efekty siły bezwładności)
  • Nieco inny przebieg niektórych zjawisk chemicznych (nawet ogień w kosmosie pali się inaczej)

Dodajmy do tego duży koszt dotarcia w przestrzeń kosmiczną i dalej, a w efekcie można wyciągnąć już ciekawe wnioski.

Żeby być dokładniejszym, promieniowanie kosmiczne w przestrzeni to w zasadzie w:

  • 83% – protony
  • 13% – cząstki alfa (jądro helu/jon helowy)
  • 3% – elektrony
  • 1% – ciężkie jony (głównie jądra atomowe)

Co ciekawe, całkiem spory odsetek ciężkich jonów w kosmosie, a przynajmniej bliskiej przestrzeni kosmicznej to jony żelaza. Cząsteczki te przenoszą w każdym razie ogromną energię i mogą narobić sporo szkód.

Jeśli chodzi o protony, to chyba każdy kto uczył się fizyki kojarzy, co się stanie,gdy niewielka część nich (1 na 10.000,ale jednak) uderzy w jądro atomowe. Rozszczepienie jądra atomu w mikroprocesorze nie spowoduje może spektakularnej eksplozji, ale tak czy siak – być może istotny – fragment półprzewodnika zmieni swoje właściwości.  Jeśli sieć krystaliczna zostanie naruszona – chip zostanie uszkodzony.Lekko ? Uszkodzenia będą się nawarstwiać,błędy będą ciągle. Co tu dużo mówić – jest to pewien problem nie tylko w kosmosie, ale i potencjalnie w elektrowniach atomowych.Ciężkie jony też mogą namieszać. Puknie taki w nieodpowiednie miejsce i elektronika wariuje, bo stworzyło się trochę za dużo elektronów i dziur na złączu, pojawiają się skoki napięcia lub natężenia – i mamy usmażone chipy (opór elektryczny !). A chipy jak wiadomo nie chipsy (czy inne frytki) – usmażenie im nie służy. Nawet jak taki chip się nie zepsuje to zacznie zachowywać się nieprzewidywalnie, upływ prądu (ang. leakage) zachodzi i takie tam.

Idźmy dalej.Uderzenie ładunku w ścieżki o rozmiarze poniżej 180 nm sprawia problemy –  dochodzi do „ucieczki” ładunku, który błądzi po różnych ścieżkach na układzie, często ze sobą nie związanych – czego efektem jest oczywiście trwała lub tymczasowa awaria w obwodzie. W najlepszym razie zaburzone zostaje działanie. Im w mniejszej technologii układ – tym większa szansa na pobudzenie wielu elementów obwodu. Tym samym miniaturyzacja w kosmosie nie zawsze jest korzystna,a na procesorach wykonanych w technologii takiej jak 800 nm (i486) bardziej można polegać bardziej, bo po prostu na tak wielkiej ścieżce jak jakaś cząsteczka „puknie”, żadnych nadzwyczajnych rzeczy (może) nie będzie.

Problem promieniowania dotyka również pamięci DRAM – również na ziemi, gdzie dziennie na 4 gb ram przypadać ma średnio 1 błąd wywołany promienowaniem kosmicznym dziennie. O zjawisku tym choćby w kontekście bitsquattingu pisał niebezpiecznik. Problem polega na wyzerowaniu bitu przez promieniowanie (1 -> 0). Ponadto, problemem może być również nie tylko uderzenie we fragment danych pamięci, ale też podczas cyklu odczytu/zapisu, dzięki zakłóceniu przepływu danych.

Zabezpieczeniem przed tym zjawiskiem jeśli chodzi o pamięci jest częściowo stosowanie pamięci ECC.

Należy jednak pamiętać,że stosowanie tego rodzaju pamięci na ziemi, w pierwszym lepszym komputerze, nie zawsze jest możliwe – konieczna jest odpowiednia płyta główna. No i są one oczywiście droższe.

Stosowane rozwiązania zabezpieczające przed awarią wywołaną promieniowaniem, to po pierwsze odpowiednie warstwy osłonowe dla mikroprocesorów, odpowiednia konstrukcja chipa oraz nadmiarowość – zarówno jeśli chodzi o układ jak i o zastosowanie kilku układów o różnym oprogramowaniu.

Kwestia temperatur – niskich i wysokich to kwestia nagrzewania i chłodzenia. Jak pisałem w przestrzeni kosmicznej jest zimno,ale za to jest sporo próżni, wiec jakoś wolniej się to schładza (Ale też trudniej pozbyć się nagromadzonego ciepła) Układy krzemowe CMOS jakoś sobie radzą z temperaturami rzędu -150 do -55 stopni Celcjusza (choć są mniej wydajne) ale w temperaturach ponad +200 stopni trzeba stosować inne układy. Zresztą w kosmosie nie ma też dobrego źródła zasilania,ogniwa fotowoltaiczne,rzadziej (i raczej z reguły nie na orbicie) kilka kilo plutonu stąd i pobór prądu musi być mniejszy. Tak się składa,że stare mikroprocesory – tak pod względem poboru prądu jak i produkowanego ciepła są w czołówce.

Wpływ sił bezwładności to z kolei powód dla którego klasyczne talerzowe dyski twarde kompletnie nie nadają się do lotów w kosmos. Działające przy starcie przeciążenia po prostu doprowadziłyby do zniszczenia dysku.  Zamiast nich stosuje się pamięci (i dyski)w technologii flash.A one już mają wady typowe wymienionych rodzajów pamięci.

Ze względu na bezpieczeństwo i chemię również magazynowanie energii jest ograniczone dla niektórych rodzajów baterii. Wybuch lub pożar w kosmosie jest oczywiście niepożądany.

To co omówiłem to rzecz jasna podstawy. Istnieją na ten temat całe specjalistyczne opracowania NASA,zależało mi na wyjaśnieniu kilku drobiazgów – nie na zanudzeniu was na śmierć.Pozdrawiam.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s