Når vi tenker på datamaskiner i verdensrommet Vi har en tendens til å forestille oss futuristiske paneler, holografiske skjermer og umulige prosessorer verdig en science fiction-film. Virkeligheten er mye mindre prangende ... og langt mer interessant: maskinvaren som holder romfartøy og sonder i live er vanligvis gammel, stram og obsessivt pålitelig.
Samtidig med den internasjonale dagen for bemannede romfarter er det verdt å se på hvordan romutforskning er i dag. datamaskiner som reiser utenfor atmosfærenHva er forskjellene mellom dem og hjemme-PC-ene våre, hvordan er de beskyttet mot et dødelig miljø, og hvordan endrer alt seg med ankomsten av datasentre og kunstig intelligens i bane?
Hvordan er egentlig innebygde datamaskiner?
Hvis vi kunne åpne et elektronikkskap i et moderne romskip, ville det vi ville se ikke ligne på en spill-bærbar datamaskin i det hele tatt: en tung metallboks med noen få fargede kontakter og ingen spor av USB, skjerm eller tastaturUtseendet er nesten gammeldags, men det følger en veldig klar logikk: hvert element er designet for å svikte så lite som mulig.
Kjernen i disse systemene består vanligvis av utskiftbare moduler: prosessor, minne og input/output-enheter De er satt sammen som klosser som kan byttes ut relativt raskt hvis noe går i stykker. Denne modulære designen er viktig fordi romstråling straffer elektronikk nådeløst, og forårsaker feil og komponentforringelse over tid.
På den internasjonale romstasjonen (ISS) er det bokstavelig talt dusinvis av datamaskiner spredt utover strukturen, inkludert noen på utsiden. Hvert år må mannskapet gripe inn for å reparere eller erstatte rundt tjue utstyrsenheterMange av dem er på romvandringer, der logistikk er alt annet enn triviell.
Besettelsen av robusthet innebærer også å unngå unødvendige kompleksiteter: jo færre porter, færre mekaniske deler, færre skjermer og mindre dekorativ programvare, desto lettere er det å holde systemet i gang i årevis i et miljø der ingen kan gå ned til den lille databutikken.
Datakraft: mindre muskler, mer hjerne
En av de største overraskelsene for alle som nærmer seg romdatabehandling er å oppdage at mange oppdrag fortsatt bruker prosessorer som vi på jorden anser som forhistoriskePå ISS, for eksempel, var arbeidshesten i mange år Intel 80386SX, en brikke som var populær i hjemme-PC-er for flere tiår siden.
Fra en moderne videospillspillers perspektiv virker den ytelsen latterlig. Imidlertid krever ikke et skips kritiske oppgaver – kontroll av bane, styring av livsstøttesystemer, sensorovervåking – 3D-grafikk eller spektakulære grensesnitt: de krever presise, konstante og fullt forutsigbare beregningerTil det er en beskjeden prosessor mer enn nok.
Det finnes en annen overbevisende grunn til å fortsette å bruke disse veteranbrikkene: utviklingen av en romdatamaskin kan ta lang tid. mange år, til og med tiårOppdragsspesifikasjonene ferdigstilles veldig tidlig, en velprøvd teknologi velges, og den sertifiseres med endeløs testing. Når romfartøyet endelig letter, er det som flyr allerede teknologisk utdatert ... men det er kjent for å være pålitelig.
I tillegg til dette kommer energifaktoren: en eldre, enklere og strømsparende CPU kan være å foretrekke på et lager der Hver watt med strøm blir tatt med i beregningenDet er ingen vits i å skape et forbrukermonster hvis det ikke kommer til å gi klare fordeler for oppdraget.
Systemdesign: jo enklere, jo bedre
Paradoksalt nok, selv om et romfartøy er et ingeniørmessig vidunder med tusenvis av delsystemer, er beslutningsdelen vanligvis bevisst enkel. Datamaskiner om bord er organisert i svært grunnleggende moduler som De utfører et redusert sett med operasjonerDenne enkelheten forbedrer både stabiliteten og evnen til å diagnostisere og isolere feil.
Noe lignende skjer i programvare: romdatamaskiner bruker ikke Windows eller macOS til å kontrollere motorer og ventiler, men sanntidsoperativsystemer (RTOS)Disse systemene ofrer brukervennlighet i bytte mot å sikre at hver instruksjon utføres til nøyaktig forventet tid, uten å "tenke" på det eller prioritere bakgrunnsprosesser slik et skrivebordssystem gjør.
Filosofien er å ikke kaste bort noe: flyprogramvaren er skrevet til bruker så lite RAM som mulig og belaster prosessoren knaptIngen animasjoner, ingen unødvendige tjenester, ingen telemetri som ikke tilfører verdi. Jo færre elementer i ligningen, desto mindre sannsynlig er det at noe bryter kjeden.
Lapper og reparasjoner på millioner av kilometer
Uansett hvor forsiktige ingeniørene og programmererne er, er ingen programvare perfekt. Og når den feilfungerende datamaskinen er millioner av kilometer unna, blir ting litt mer komplisert enn å bare installere Windows på nytt. Derfor tyr de til... før de sender en oppdatering til en etterforskningstjeneste. identiske kopier av maskinvaren på jorden hvor problemet simuleres i detalj.
Et kjent eksempel er Voyager 2-sonden. Den ble skutt opp på 70-tallet og har vært på reise bort fra solen i flere tiår. I 2010 begynte den å sende tilbake data. korrupte data og inkonsistente signalerDette var et symptom på at noe var galt med den aldrende elektronikken. I prosjektets laboratorium holdt NASA en kopi av den innebygde datamaskinen kjørende for å reprodusere feilen.
Etter mange tester oppdaget de at en minnesektor var blitt skadet, noe som ikke var uvanlig etter så lang tids eksponering for kosmisk stråling. Løsningen var å forberede en programvareoppdatering som omgikk det skadede segmentet og rekonfigurerte systemet. Oppdateringen ble sendt via radio, sonden påførte den og gjenopptok overføringen av gyldige vitenskapelige data fra kanten av det interstellare rommet.
Noe lignende skjedde med Mars-roveren Spirit, som også mottok eksterne oppdateringer for å håndtere minne- og lagringsproblemer. Til syvende og sist ligner disse oppdragene mer på hjemme-PC-ene våre enn vi tror: De overlever på oppdateringer, omstarter og mye tålmodighet.bare med en forsinkelse på noen lysminutter.
Besettelsen av å ikke miste en eneste bit
Hver byte med data som samles inn i rommet koster en formue i tid, penger og menneskelig innsats. Derfor er romdatabehandling designet med én klar idé i tankene: Tap av informasjon er uakseptabeltMed mindre det foreligger en absolutt katastrofe, og et eksperiment har vært under forberedelse i årevis og minnet der resultatene er lagret svikter, forsvinner alt det arbeidet.
For å minimere denne risikoen brukes en «stol på ingenting og ingen»-tilnærming: innebygde systemer registrerer vanligvis den samme informasjonen til flere medier samtidig. flashminne med magnetbånd eller andre metoder, slik at hvis én type lagring svikter, kan en annen lagre dataene.
Ideen er ikke så ulik å sikkerhetskopiere bilder og musikk hjemme til en ekstern harddisk og skyen. Den store forskjellen er at det kan være katastrofalt å miste data fra et unikt observasjonsvindu i romferder. tiår med planlegging.
Fra ThinkPad-er som svever på ISS til nettsurfing i bane
Inne i den internasjonale romstasjonen kombineres høyspesialisert utstyr med datamaskiner som ligner ganske mye på våre egne. Hver astronaut har en Lenovo ThinkPad bærbar PC som kan kobles til forskjellige systemer via en stasjonsspesifikk buss, og fungerer som en kontroll- eller spørreterminal.
I årevis kjørte disse bærbare datamaskinene på Windows XP, helt til beslutningen i 2013 ble tatt om å migrere til Linux (Debian 6 «Squeeze»). Den offisielle grunnen var klar: de trengte en stabilt, pålitelig og svært kontrollerbart operativsystemsom kunne oppdateres, justeres og modifiseres etter ønske uten å være avhengig av tredjeparter. Før denne migreringen var vitenskapelige distribusjoner som Scientific Linux, vedlikeholdt av CERN og Fermilab, allerede i bruk, noe som senere ga vei til vitenskapelige varianter av CentOS.
Astronauter har også utstyr til personlig bruk, for å surfe på nettet og for å foreta videosamtaler med familiene sine. Imidlertid, Det nettverket er fullstendig isolert fra kritiske systemermed brannmurer og spesifikke mekanismer for å forhindre at skadelig programvare kompromitterer stasjonens sikkerhet.
Faktisk ble skadevaren «Gammima» oppdaget på en astronauts bærbare datamaskin i 2007. Fra da av tok NASA problemet mye mer alvorlig. antivirusbeskyttelse og sikkerhetspolicyer For utstyr som reiser til verdensrommet. Det er én ting at et virus ødelegger den bærbare datamaskinen din hjemme, og noe helt annet at det infiltrerer et laboratorium i orbital bane.
NASA på jorden: Fra superdatamaskiner til bærbare datamaskiner på kontoret
Ved siden av datamaskinene om bord, utføres mye av det tunge dataarbeidet på jorden. Et slående eksempel er Aitken, en av superdatamaskinene ved NASAs Ames Research Center, i et modulært anlegg på over 4.000 m² som er klargjort for å vokse i moduler.
Aitken ble lansert med Intel Xeon Gold «Cascade Lake»-prosessorer og senere utvidet med 16 rack basert på AMD EPYC «Rome»-prosessorer, produsert av HPE. Resultatet er en maskin med mer enn 300.000 CPU-kjernerMed rundt 1,27 petabyte RAM og mer enn 13 petaflops teoretisk kraft, rangerer den blant de 100 kraftigste superdatamaskinene i verden ifølge TOP500-listen.
Jobber med SUSE Linux Enterprise ServerDen bruker høyhastighets InfiniBand-nettverk, Altair PBS Professional-planleggeren og Intel- og GCC-kompilatorer for C++- og FORTRAN-programmer. Det er den typen system som brukes til å simulere aerodynamikk, baner, planetariske klimamodeller og all annen numerisk galskap NASA måtte trenge.
Men det handler ikke bare om datamonstre: byråets ingeniører og ansatte jobber daglig med ganske vanlige bærbare datamaskiner og arbeidsstasjonerDet er vanlig å finne Lenovo ThinkPad T61p og dens etterfølgere, HP Zbook 15 og andre lignende modeller, vanligvis med Windows 10 eller 11. Linux brukes også i noen vitenskapelige team og, til tider, til og med Mac-er med PowerPC- eller Intel-prosessorer, spesielt i avdelinger som Jet Propulsion Laboratory.
Mac-maskiner spilte en betydelig rolle, for eksempel i utviklingen av Curiosity-roveren på Mars, hvor de ble brukt MacBooks med OS X, Parallels Desktop og verktøy som XcodeNylig har noen ingeniører måttet slite med å tilpasse intern programvare til det nye Apple Silicon, noe som beviser at selv NASA ikke er immun mot arkitekturkriger.
Romroboter og ROS: når Linux styrer humanoider
Robotikk er et annet område der datamaskiner i verdensrommet er avgjørende. Et godt eksempel er Robonaut 2 (R2)En humanoid robot utviklet i fellesskap av NASA og General Motors for å jobbe på ISS. Målet er å utføre enkle og repeterende oppgaver, fungere som assistent for astronauter og tjene som et testmiljø for fremtidige robotteknologier. måne- og Marsstasjoner.
R2 jobber med ROS (Robotoperativsystem)ROS er et åpen kildekode-programvarerammeverk som er utviklet for å legge til rette for kommunikasjon mellom ulike programvarenoder, sensorer og aktuatorer. ROS organiserer komponenter i en master/slave-arkitektur: en masternode koordinerer flere "slave"-noder som representerer roboter, armer, kameraer eller AI-algoritmer.
Det fine med ROS er at det vekker respekt. felles kommunikasjonsstandarderDette gjør det enklere å gjenbruke, koble til og feilsøke programvarekomponenter. Den bruker protokoller som TCP/IP eller HTTP for å utveksle meldinger, inkluderer et standardbibliotek med vanlige robotfunksjoner og et kraftig sett med diagnostiske og simuleringsverktøy.
ROS-fellesskapet er enormt, noe som er perfekt for en organisasjon som NASA: det er mange som tester, feilsøker og utvider rammeverket. I tillegg, siden det er åpen kildekode, kan ingeniører tilpasse det til sine behov. ekstreme krav til en robot i bane uten å være knyttet til en bestemt leverandør.
Satellitter, rovere og strålingsherdede CPU-er
Når vi tenker på satellitter eller rovere som Juno, Curiosity eller Voyager, er det lett å bli fristet til å forestille seg at de har de nyeste kommersielle prosessorene. Ingenting kunne være lenger fra sannheten: mange av disse oppdragene bruker ekstremt enkle og fremfor alt svært godt testede brikker, som for eksempel Zilog Z80 i noen eldre satellitter eller herdede varianter av PowerPC-prosessorer.
Et klassisk eksempel er BAE RAD750, en derivat av PowerPC 750 designet som CPU av romkvalitetDisse brikkene kjennetegnes ikke av kraften sin, men av sin evne til å overleve i årevis den ioniserende strålingen, ekstreme termiske sykluser og høyenergipartikler de vil møte både i lav bane rundt jorden og på andre planeter.
Mange rovere og sonder kjører Linux-baserte operativsystemer eller spesialbygde proprietære RTOS-er. Det viktigste er å sørge for at en liten flip forårsaket av kosmisk stråling ikke utløser en irreversibel feil. Det er her en hel disiplin kommer inn i bildet: "strålingsherdet" design.
Strålingsherdede (RD) halvledere produseres ved hjelp av spesifikke teknikker og materialer for å tåle enorme strålingsdoser, i størrelsesorden titusenvis av gråtoner, tilsvarende mange tusen år med jordens bakgrunnsstråling. Dette oppnås ved bruk av vakuuminnkapsling, glassinnkapsling, metallisering og andre teknikker som beskytter brikken mot stråling, fuktighet, varme og statisk elektrisitet.
I tillegg til spesiell maskinvare brukes feiltoleransestrategier: minner med ECC, paritetsbiter, feilsikker programvare og redundans på alle nivåer. Hvis én modul begynner å fungere feil, tar en identisk over. Denne logikken med å duplisere eller tredoble systemer er en konstant i enhver kritisk flyarkitektur.
BYOD, mobile enheter og sikkerhet hos et byrå som NASA
Utover strengt tatt romrelatert maskinvare, må NASA også administrere tusenvis av personlige og mobile enheter på jorden. De definerte for lenge siden en policy om BYOD (Ta med din egen enhet) å tillate ansatte å bruke sine egne bærbare datamaskiner og smarttelefoner på jobb, alltid under strenge sikkerhetsregler.
Denne tilnærmingen har fordeler: du får mer Fleksibilitet og bekvemmelighet for den ansatteUtstyrskostnadene i bedriften reduseres, og hvis det håndteres godt, kan et høyt sikkerhetsnivå opprettholdes gjennom kryptering, programvare for fjernadministrasjon og nettverkssegmentering. Til gjengjeld krever det at ansatte holder enhetene sine oppdaterte og aksepterer en viss grad av kontroll fra organisasjonen.
Når det gjelder mobiltelefoner hos NASA, er det ikke en hvilken som helst modell som fungerer. Byrået håndterer ekstremt sensitiv informasjon og bruker hvitelister og svartelister over autoriserte enheter. Historisk sett har mange blitt sett iPhoner i hendene på personell på offentlige oppdragSelv om andre modeller også ble sertifisert. Interessant nok var den første smarttelefonen som reiste ut i verdensrommet en Google Nexus One som kjørte Android, brukt i sensor- og kommunikasjonseksperimenter.
Situasjonen minner om den til den amerikanske presidenten, hvis smarttelefonbruk er begrenset og revideres for å redusere risikoer. I begge tilfeller er prioriteten å forhindre... et sikkerhetsbrudd gjennom en personlig enhet ende opp med å kompromittere kritiske systemer eller klassifisert informasjon.
Datasentre i verdensrommet: fra fjern idé til reell infrastruktur
I årevis hørtes det ut som en permanent drøm å snakke om datasentre i bane. Nå demonstrerer flere selskaper at Orbital databehandling begynner å bli en håndgripelig virksomhetEt nylig eksempel er Kepler Communications, som har distribuert den største operative dataklyngen som for tiden er i verdensrommet.
Keplers forslag er ikke en enkelt makrostasjon i bane, men en distribuert konstellasjon av 10 satellitter utstyrt med omtrent 40 Nvidia Orin GPU-er rettet mot edge computing. Disse satellittene kobles til hverandre via laserlenkerdanner et nettverk som er i stand til å flytte og behandle data nesten i sanntid i et romlig miljø.
Den praktiske verdien er tydelig: det gir ikke alltid mening å sende alle dataene tilbake til jorden for behandling. For mange bruksområder, som avanserte sensorer, nær sanntidsovervåking eller støtte for andre romfartøy, er det å foretrekke å... behandle en god del av informasjonen der og bare laste ned de mest relevante resultatene.
Kepler er mer nøyaktig definert som kommunikasjons- og prosesseringsinfrastruktur for andre oppdrag som en leverandør av «orbitale datasentre» i tradisjonell forstand. Nettverket deres kan være grunnlaget for fremtidig tilkobling og databehandlingstjenester mellom ulike romressurser, fra observasjonssatellitter til stasjoner i månebane.
AI og orbital superdatabehandling: Sophia Spaces sprang
Innenfor dette nye økosystemet dukker det opp Sophia Space, en oppstartsbedrift som satser tungt på ideen om Romdatamaskiner optimalisert for datasentre for kunstig intelligens i bane rundt jorden. Det som for noen år siden ville ha hørtes ut som science fiction, presenteres nå som et svært pragmatisk svar på to problemer med moderne AI: energi og kjøling.
I et jordbasert datasenter går en betydelig del av energiforbruket til å fjerne varme fra maskinene, med kjølesystemer som kan stå for opptil 40 % av det totale energiforbruketI kontrast er det i rommets vakuum mulig å designe passive kjølearkitekturer, ved hjelp av radiatorer som direkte avgir varme ut i rommet, noe som drastisk reduserer kompleksiteten til det termiske aspektet.
Sophia Space utvikler romdatamaskiner med passiv kjøling spesielt utviklet for AI-arbeidsbelastningerDens orbitale superdatamaskinarkitektur er avhengig av kontinuerlig tilgang til solenergi, uten dag-natt-sykluser preget av atmosfæren, og på en modulær topologi: hver satellitt fungerer som en uavhengig node eller en del av en større distribuert klynge.
Satsingen har vakt oppmerksomhet fra NVIDIA, som oppstartsbedriften har inngått en strategisk allianse med. Denne typen avtale gir ikke bare prosjektet teknisk troverdighet, men indikerer også retningen ting går: store produsenter ser Romøkonomi som en naturlig forlengelse av AI-infrastruktur for det neste tiåret.
Blant fordelene som tilbys av AI-databehandling i bane er optimalisert latens mot bestemte regioner, uavhengighet fra jordbasert infrastruktur på avsidesliggende steder, mindre miljøavtrykk (intet vannforbruk til kjøling) og muligheten for å behandle store mengder jordobservasjonsdata ved kilden.
Umiddelbare brukstilfeller inkluderer opplæring i store språkmodellerNær sanntidsbehandling av satellittbilder for landbruk eller miljø, edge computing-applikasjoner for områder med dårlig tilkobling, og til og med blokkjedeinfrastrukturer som søker en mer radikal fysisk desentralisering.
Det er imidlertid ikke alle fordeler: oppskytningskostnader, komponentenes holdbarhet mot stråling, vedlikeholdslogistikk og selve maskinvarens livssyklus er fortsatt utfordringer. svært alvorlige utfordringer som Sophia Space og andre selskaper må løse før orbital superdatabehandling blir like vanlig som å leie en skyinstans.
Uansett er bevegelsen tydelig: SpaceX snakker om satellittnettverk for AI, Google eksperimenterer med solcelledrevne brikker i bane, Blue Origin har annonsert sine egne konstellasjoner, og andre selskaper som Starcloud eller Aetherflux har avanserte GPU-noder oppe og går. Romdatabehandling slutter å bare være et domene for offentlige etater. og gir plass til et nytt lag i teknologistakken for oppstartsbedrifter og store selskaper.
Etter å ha gjennomgått alt fra de tastaturløse metallboksene til Apollo-romfartøyet til GPU-klynger i lav bane rundt jorden, blir det ganske klart at Datamaskiner i verdensrommet danner et veldig særegent økosystemGamle, robuste maskiner sameksisterer med banebrytende superdatamaskiner; Linux, RTOS og tilpasset firmware blandes med kommersielle bærbare datamaskiner; og selv om sonder fortsatt er avhengige av beskjedne CPU-er, presser AI på for at plassen skal bli et gigantisk distribuert datasenter. Alt med én konstant: i dette miljøet, mer enn noe annet, er det ikke rå kraft som virkelig betyr noe, men evnen til å fortsette å fungere, dag etter dag, millioner av kilometer hjemmefra.
