Kaj tiktaka na Marsu
Sredi februarja je na Marsu pristal rover Perseverance, ki je prvikrat na Rdeči planet prinesel tudi majhen helikopter. Na Marsu tako vozi že peti rover, še precej več kapsul, plovil in sond pa smo poslali na druga telesa. Silicijevi možgani, ki poganjajo vse te naprave, so z vidika potrošne elektronike v dnevnih sobah strahovito podhranjeni in neverjetno dragi. A vsak zakaj ima svoj zato.
Medtem ko ima cenen telefon kitajskega proizvajalca osem jeder, ki tiktakajo vsaj z 2 GHz, 128 GB prostora za shranjevanje podatkov in 8 GB pomnilnika, so v vesolju standardni drugačni. Procesorji in čipi so stari in počasni, modernost je zadnja stvar, na katero inženirji pomislijo.
Rover Perseverance ima zelo podoben procesor kot iMac G3. A rover so dokončno sestavili lani, preden so ga potem julija poslali na Mars, legendarni mac pa smo imeli na pisalnih mizah leta 1998. Hkrati procesor za Perseverance po besedah proizvajalca še danes stane okrog 200.000 dolarjev, medtem ko so telefoni z desetkrat večjo računsko močjo tisočkrat cenejši.
V roverju Perseverance je enako zmogljiv procesor kot v iMacu G3 iz leta 1998.
Kaj poganja Perseverance
V roverju tiktaka procesor PowerPC 750, ki ima eno jedro s frekvenco do 233 MHz. Sicer se zdi za današnje razmere obupno počasen, a to je bil prvi komercialno dostopen procesor, ki je imel dinamično predvidevanje poteka programa (dynamic branch prediction). Moderni procesorji delujejo v načinu cevovoda, ki ima več prekatov, zato se hkrati obdeluje več ukazov. Kadar so v programu razvejitve, denimo zaradi stavkov if, se mora pogoj najprej preveriti, preden postane jasno, katera veja ukazov se bo izvedla. V praksi to pomeni, da dokler pogoj ne pride v del cevovoda za izvedbo (execute), procesor ne ve, kateri sledeči ukaz naložiti v začetni del cevovod (fetch). Ker so moderni cevovodi dolgi, bi tovrstno čakanje potratilo tudi do 20 ciklov, kar je nesprejemljiva upočasnitev. Moderni algoritmi za predvidevanje razvejitev so že tako pametni, da v večini primerov pravilno uganejo, v katero smer bo šlo. Če pa se zmotijo, se špekulativno izvedeni ukazi zavržejo, cevovod pa ponovno napolni s pravilno vejo.
IBM PowerPC, ki je podoben tistemu v roverju Perseverance.
PowerPC 750 ima torej dinamično predvidevanje. To arhitekturo je Apple uporabljal do leta 2005, ko so presedlali na danes najbolj razširjeno Intelovo x86. Poleg procesorja so ključne karakteristike še 2 GB shrambe flash (osemkrat več od predhodnikov Spirit in Opportunity), 256 MB pomnilnika in 256 kB EEPROM. Vse skupaj poganja operacijski sistem Wind River VxWorks. Ta sistem teče še v številnih drugih vesoljskih misijah (Deep Impact, SpaceX Dragon, Mars Reconnaissance Orbiter, Curiosity), letalih, avtomobilih, robotih, medicinski opremi in še kje.
Sevanje na Zemlji in Marsu
Sevanje je širok pojem, ki vključuje tako visokoenergijski del elektromagnetnega spektra (UV, rentgenski žarki, gama žarki), kjer so nosilci fotoni, kakor visokoenergijske masne delce (elektrone in pozitrone, helijeva jedra oziroma alfa delce, težke ione). Na področju zaščite elektronike se največkrat uporablja zastarela enota rad, ki ustreza 0,01 greja. Grej je definiran kot en džul energije, ki jo visokoenergijski delci oddajo kilogramu snovi, skozi katero letijo. S tem merimo absorbirano dozo, ki je kumulativna enota za vso izpostavljenost. Sorodna enota, ki jo uporabljamo pri merjenju vpliva sevanja na človeško telo, pa je sievert. Ta poleg predane energije upošteva še vrsto sevanja in tkivo, ki jo sprejme, zato gre za efektivno dozo. Različne vrste sevanja imajo namreč pri enakih energijah zelo različne posledice.
Najbolje zaščitene elektronske komponente lahko preživijo 1 Mrad. Na Zemlji zaradi naravnega sevanja ozadja prejmejo 0,5–1 rad na leto. Na Marsu ni magnetnega polja, ki bi odklanjalo nabite delce, zato je sevanja več. Plovilo Mars Odyssey, ki je krožilo nad planetom, je namerilo okrog 8 rad na leto. Dodatni problem pa so sunki, ko se za kratek čas jakost vpadnega sevanja močno poveča. Različna pa je tudi »sestava« sevanja. Na Zemlji so glavni viri nabiti delcev lokalni (npr. radon), na Marsu pa jih prinaša iz vesolja.
PowerPC 750 ima šest milijonov tranzistorjev, kar je v primerjavi z milijardami v današnjih procesorjih malo (Applov čip M1 jih ima 16 milijard). Celotni ojačeni čip RAD750 pa ima 10 milijonov tranzistorjev, meri 130 mm2 in zmore 240-360 MIPS, za kar potroši 5 W energije.
Toda bistvena razlika v primerjavi s čipi za običajno rabo je odpornost na okoljske dejavnike. V vesolju sicer ni vremena in dežja, so pa velike temperaturne razlike – na Marsu segajo od –150 °C do +30 °C – in sevanje. To ima na Marsu dva glavna vira: Sončev veter in kozmično sevanje.
Na Zemlji je za živa bitja glavni problem ultravijolično sevanje (torej fotoni), pa še tega v veliki meri odfiltrira ozonska plast. Na površje pada le manjši delež UV-B (valovne dolžine 280–320 nm) in UV-A (320–400 nm), ki sicer lahko povzroča opekline, raka in poškodbe, a ni hipno nevarno. Nižje valovne dolžine, ki so bolj energetske in nevarnejše, več kot 99-odstotno absorbira ozon.
Drugi zemeljski dežnik je magnetno polje, ki odklanja vse nabite delce. Le v visokih geografskih širinah, kjer so silnice magnetnega polja bolj navpične (glede na površino), se lahko ti magnetni delci približajo atmosferi, kar vidimo kot avroro. V praznem vesolju močnih magnetnih polj seveda ni pa tudi večina planetov, vključno z Marsom, nima delujočega dinama v središču, ki bi ustvarjal zaščitno magnetno polje. Sevanje je tam problem.
Sončev veter v glavnem sestavljajo nabiti protoni in različni ioni, kozmično sevanje pa protoni, alfa delci (jedra helija) in težji ioni. Oba spremljajo še visokoenergijski fotoni, ki v spektru sodijo v rentgensko svetlobo, del njih pa tudi v gama sevanje.
Viri ionizirajočega sevanja, ki je nevarno za elektroniko
• kozmični žarki (85 odstotkov protoni, 14 odstotkov alfa delci, 1 odstotek težki ioni, rentgenski žarki)
• Sončev veter (protoni, težki ioni, rentgenski žarki)
• van allenovi sevalni pasovi (protoni, elektroni)
• sekundarni delci (nastanejo ob interakciji drugih vrst sevanja z elektroniko)
• jedrski reaktorji (nevtroni, gama sevanje)
• jedrske eksplozije (siloviti kratki izbruhi prek celotnega elektromagnetnega spektra, nevtroni, alfa delci, težki ioni)
• interni (sledovi radioaktivnih elementov v ohišjih čipov)
Procesor v Perseveranceu ima oznako RAD750 in ga izdeluje podjetje BAE Systems. »Preživi« lahko temperature od –55 °C do +125 °C ter sevanje do 1 Mrad (kar pomeni 10.000 Gy). Za človeka je smrtnih že 5 Gy. Sevanje v elektronskih komponentah povzroča težava, saj nabiti delci, ki švigajo skozi prostor, izbijajo elektrone, premikajo atome, povzročajo šum in napetostne ali tokovne sunke. K sreči je zaradi vojaške industrije tehnologija za zaščito pred sevanjem dobro razvita.
Kaj gre lahko narobe
Radiacija povzroča dve vrsti težav: ionizacijske (ionization) in premestitvene (displacement) poškodbe. Ionizacijske poškodbe nastanejo, ko zaradi ionizacije neprevodnih materialov, običajno silicijevega dioksida, nastanejo mobilni nosilci naboja, ki potem oddifundirajo in se ujamejo na drugih mestih, kar spremeni električno ravnotežje in povzroči nastanek parazitskih polj in tokov. Premestitvene poškodbe pa nastanejo, če absorbirano sevanje premakne silicijeve atome z njihovih mest v kristalni rešetki, kar spremeni lastnosti materiala.
Ionizacijske poškodbe niso močno odvisne od vrste sevanja, temveč zgolj od absorbirane doze. To je tudi prevladujoč mehanizem, saj absorpcija sevanja večinoma povzroča ionizacijo. Običajno gre za reverzibilne težave, ki izzvenijo, če sevanje preneha. Sčasoma pa povzročajo tudi trajne poškodbe, zlasti zaradi kvarjenja oksidnega sloja v tranzistorjih MOSFET. Premik atomov (displacement) pa je posledica trkov z nevtroni, s protoni, z alfa delci in visokoenergijskimi fotoni (gama žarki). Tedaj se energija in gibalna količina vpadlih delcev preneseta neposredno na atome (njihova jedra) v kristalni rešetki. Tovrstne poškodbe povzročajo delci z visoko energijo (fotoni nad 250 keV, nevtroni nad 1 MeV ipd.) Zaradi premikov atomov nastanejo defekti v kristalni rešetki, ki vplivajo na širino prepovedanega pasu v polprevodnikih, s tem pa tudi na prevodne lastnosti in delovanje čipov. Poškodbe so trajne.
Sevanje torej vpliva na vse elektronske komponente: diode, tranzistorje, celotna vezja in s tem tudi na procesorje. Poškodbe so kumulativne in ireverzibilne, motnje pa tudi reverzibilne. Ob izpostavitvi močnemu sevanju nezaščitene elektronske komponente hipoma ne bodo delovale, sčasoma pa bo škode toliko, da jih potem niti v varnem okolju ne moremo več obuditi. Vojaška tehnologija omogoča zaščito vse do 100 Mrad. Medtem ima nezaščitena elektronika težave nad 5–10 krad.
Pogostost in energija delcev, ki povzročajo sevalne poškodbe elektronike v Osončju. Slika: NASA
Kako zaščitimo
Spopadanje s sovražnostjo vesoljskega okolja poteka na več ravneh. NASA definira naslednje pristope za zaščito pred sevanjem: fizična zaslomba, načrtovanje misije (izogibanje sevanju), izbira arhitekture (redundanca) ter ojačitev elektronike (radiation hardening), ki vsebuje prilagoditve na ravni dizajna in proizvodnje. Prva točka je precej preprosta, a v vesoljskem okolju težko izvedljiva. Svinec je učinkovita zaščita, a pri izstrelitvah je vsak dodaten kilogram izredno drag. Načrtovanje misije omogoča prilagoditve do določene mere, a če želimo na Mars, potem kaj dosti izbire nimamo. Izbira arhitekture pomeni, da zagotovimo dovolj redundantnih kapacitet, ki lahko prevzamejo delo v primeru odpovedi primarnih sistemov. Sem uvrščamo tudi uporabo komponent, ki sicer niso posebej prilagojene na vesolje, a imajo zaradi svojega dizajna več odpornosti: tak primer je pomnilnik ECC s paritetnim bitom za samodejno zaznavanje preskokov lihega števila bitov ter več kontrol v programski opremi. Pogosto se iste operacije izvajajo večkrat (na istem čipu ali različnih), rezultati pa primerjajo, da smo lahko prepričani o pravilnosti rezultata.
Ojačitev komponent pa je najpomembnejši način. NASA ugotavlja, da so te približno 10 let v zaostanku za najnovejšimi komponentami. Z drugimi besedami danes lahko dobimo ojačene komponente, ki so bile leta 2011 na voljo domačim uporabnikom.
Pomembna fizična tehnika je uporaba neprevodnih substratov namesto polprevodniških, ker so bistveno manj občutljivi. Uporabljata se pristopa SOI (Silicon on Insulator) in SOS (Silicon on Sapphire). Pri SOI se namesto silicijevega kristala uporabljala plasti silicija in izolatorja, pri SOS pa silicij zraste na rezini kristala safirja. Taki čipi imajo nižjo parazitsko kapacitanco ter fizično ločitev dopiranih delov n in p. Take komponente so odpornejše.
Namesto kovinsko oksidnih tranzistorjev na poljski efekt (MOSFET), ki so unipolarni, se uporabljajo tranzistorji (BJT). Tako se imenujejo, ker za delovanje kot nosilce naboja uporabljajo tako elektrone kot vrzeli. Imajo klasične tri priključke (kolektor, baza, emitor). V novejšem času se uporabljajo tudi druge vrste tranzistorjev, ki pa so vsi bipolarni, pogosto izdelani iz galijevega arzenida, aluminij-galijevega arzenida ali indij-galijevega arzenida namesto silicija.
Na Marsu teče tudi Linux
Helikopter Ingenuity pa ima zelo vsakdanjo elektroniko – procesor Qualcomm Snapdragon 801, ki ga poznamo tudi iz pametnih telefonov. Ker VxWorks ni primeren za delovanje v tem procesorju, je NASA uporabila lastno odprtokodno rešitev na osnovi Linuxa, ki se imenuje F Prime. Na voljo je na Githubu, kjer ga lahko vidi vsakdo.
Helikopter Ingenuity je prvo plovilo, ki bo aktivno poletelo na Marsu. Slika: NASA
Pomnilnik DRAM (ključni sestavni del je kondenzator) je posebej občutljiv, zato se namesto njega uporablja SRAM, ki ne potrebuje stalnega osveževanja – še vedno pa potrebuje napajanje.
Koristna je tudi uporaba materiala, ki ima širši prepovedani pas (band gap). Taka primera sta galijev nitrid in silicijev karbid. Tak material je sam po sebi bistveno manj občutljiv na vse okoljske dejavnike, torej ne le sevanje, temveč tudi temperaturo. V čipih najdemo tudi bor. Namesto zemeljske mešanice izotopov bora-10 in bora-11 se uporablja zelo čist bor-11, ki je praktično neobčutljiv na sevanje. Bor-10 pa po drugi strani ob izpostavitvi sevanju tvori sekundarne delce, ki povzročajo nadaljnjo škodo. Čipe zato prevlečejo s plastjo borofosfosilikatnega stekla (BPSG), v katerem je izključno izotop bor-11.
Ni le vesolje
Pri dizajniranju računalniških sistemov za delovanje v vesolju je treba pomisliti tudi na povsem banalne probleme, ki nimajo nič skupnega z ekstremnimi vremenskimi pogoji. Mars je od Zemlje oddaljen od 10 do 40 svetlobnih minut (odvisno od relativnega položaja). Naslednji dejavnik je Zemlja, ki se vrti okrog svoje osi. Deep Space Network zato sestavlja postaje v Kaliforniji, Španiji in Avstraliji, ki pokrivajo večji del neba kljub rotaciji, a isto infrastrukturo delijo praktično vse misije v vesolju. Vrti se tudi Mars, zato rover komunicira tudi z orbiterjema Reconnaissance in Mars Odyssey, ki lahko podatke posredujeta naprej. V praksi to pomeni, da je takojšnja komunikacija nemogoča že zaradi same razdalje, zaradi ostalih dejavnikov pa so včasih »luknje« pri dosegljivosti. Sistem mora torej delovati avtonomno z ukazi na zalogo.
Deep Space Network ima tri antene, s katerimi pokriva praktično celotno nebo (razen zelo blizu Zemlje). Slika: NASA
Računalniki občasno zatajijo in za prebuditev potrebujejo le kakšno »brco«, ponavadi v obliki ponovnega zagona. Na oddaljenem planetu tega ni mogoče fizično storiti, zato sta pomembni redundanca in zanesljivost. Starejša strojna (in tudi programska) oprema je bolj preizkušena od najnovejše. Tudi vesoljske kapsule Orion, ki so jih prvikrat preizkusili leta 2014, uporabljajo enak procesor RAD750. Najdemo ga tudi v več kot sto satelitih, ki krožijo okrog Zemlje. Plovilo New Horizons, ki so ga pred 15 leti poslali proti Plutonu in dlje, pa ima procesor Mongoose V, ki je zaščitena različica MIPS R3000 iz prvega Sonyjevega Playstationa.
V Perseveranceu sta identična procesorja, vsak stane okrog 200.000 dolarjev – ob ceni misije 2,7 milijarde dolarjev je to zanemarljiv strošek. Za delovanje je potreben eden, drugi nudi redundanco. Inženirji pri NASI so izračunali, da pričakujejo 15 let delovanja posameznega čipa, preden bi se zaradi naključne napake sesul. Rover Curiosity je imel tak problem leta 2016, pred tem pa leta 2013 kar trikrat, a jim ga je uspelo vsakokrat ponovno zagnati.
Vir energije
Četudi so v vesolju, računalniki potrebujejo električno energijo. Možnosti so tri. Najbolj kratkega veka so baterija, ki jih napolnimo na Zemlji. Misija Rosetta, ki je leta 2014 pristala na kometu 67P/Čurjumov-Gerasimenko, je imela robota Philae, ki je deloval na baterije. Ko so se te izpraznile, zaradi premalo sončne svetlobe ni nikoli več oživel.
Sončne celice so drugi, bistveno pogostejši vir energije, ki napaja med drugim tudi satelite. Roverja Spirit in Opportunity sta uporabljala ta vir, ki ga omejujejo praktične težave. Če peščena nevihta panele prekrije s peskom, se rover ne bo več zbudil. Enake težave lahko povzroči pristanek v osojnem kraterju ali pa preprosto zima.
Vrste učinkov ionizirajočega sevanja na elektroniko
• premestitve atomov
• vpliv absorbirane doze ionizirajočega sevanja (kvarjenje tranzistorjev MOSFET)
• prehodni vplivi (zaradi kratkotrajno povečanega sevanja)
• vpliv elektromagnetnih pulzov (inducirajo ionizacijo in električne tokove)
• enkratni dogodki (SSE)
Perseverance pa tako kot Curiosity uporablja radionuklide (MMRTG). Ima zalogo plutonija-238, ki je radioaktivni element z razpolovno dobo 87,7 leta. Ta mu nudi sorazmerno konstantno energijo z močjo 110 W, ki nato eksponentno upada za nekaj odstotkov letno. Poleg električne energije MMRTG zagotavlja tudi toploto, ki skrbi, da so čipi na primerni temperaturi za delovanje. Konkretno vsebuje 4,8 kilograma plutonijevega dioksida, hkrati pa ima še 26,5 kilograma baterij s kapaciteto 43 Ah (rahlo podpovprečen avtomobilski akumulator).
Večnamenski termoelektrični generator na radioizotope (MMRTG), ki napaja rover Perseverance, vsebuje 4,8 kg plutonijevega dioksida. Slika: Department of Energy
V vesolju so torej razmere drugače, prioritete pa povsem drugje kot na Zemlji. Namesto hitrosti in novosti cenimo zanesljivost in robustnost, vrhunske grafike ne potrebujemo, medtem ko je za preračunavanje trajektorij in poganjanje instrumentov dovolj tudi skromnejša računska moč. In zato je videti, kakor da bi v milijarde vrednih misijah med zvezde pošiljali staro šaro. A videz vara.
