Computación espacial, pregunta general

¿Qué tipo de computadoras se utilizan (generalmente) en robótica (es decir, sondas espaciales y rovers) frente a naves humanas (como la ISS, soyuz)?

Subpregunta: ¿Qué tipo de especificaciones son importantes en las computadoras para operar en el espacio?

Pregunto porque tenía curiosidad sobre las diferencias entre, digamos, las computadoras portátiles que a veces usan en la ISS y las sondas espaciales y también qué tipo de principios electrónicos funcionan y no funcionan (o simplemente son y no son eficientes) en el espacio.

Respuestas (3)

Las computadoras portátiles en la ISS solo se pueden usar para usos que no sean críticos en cuanto al tiempo. Esas computadoras portátiles se usan para algunas tareas de misión crítica, pero solo si la tarea puede manejar el tiempo necesario para reemplazar una computadora portátil tostada por otra. Esas computadoras portátiles son comerciales listas para usar y no les va bien contra los rayos cósmicos. La mayoría de los impactos de rayos cósmicos dan como resultado una "alteración de un solo evento", donde los bits en la memoria se invierten. Reinicie la computadora y generalmente está bien. Normalmente. Algunos impactos de rayos cósmicos hacen más daño y la computadora realmente está tostada.

La mayoría de las computadoras de vuelo utilizadas para controlar la seguridad o los aspectos críticos de la misión de una nave espacial o un robot son computadoras resistentes a la radiación extremadamente caras cuyas contrapartes terrestres eran lo último en práctica (no lo último en tecnología) en algún milenio anterior.

La única excepción es SpaceX (ver http://aviationweek.com/blog/dragons-radiation-tolerant-design ), que logró la redundancia requerida usando muchas computadoras. La compensación es un software un poco más costoso para mantener todas esas computadoras sincronizadas y encontrar las que se han ido del rancho en comparación con un hardware informático mucho más económico y mucho, mucho, mucho más capaz. SpaceX eligió la ruta de la computadora de vuelo lista para usar. Volar con computadoras que eran lo último en práctica hace quince o veinte años impone severas limitaciones a lo que se puede hacer a bordo.

La "Encuesta de procesadores para el espacio" de Ran Ginosar (2012, PDF ) proporciona una descripción general decente de cómo se manejan los problemas de radiación y algunas de las compensaciones involucradas.

Hardware incorporado de la NASA

Las computadoras dedicadas de la misión se prueban exhaustivamente en cuanto a resistencia a la vibración, resistencia a la radiación cósmica y solar (tanto partículas como EM), campos magnéticos, y también se priorizan por su bajo consumo de energía y alta confiabilidad. En general, esto da como resultado procesadores una o tres generaciones más antiguos que los equipos de escritorio actuales y, a menudo, en versiones de arquitectura más grandes y velocidades más lentas.

Además, las placas base y los gabinetes suelen ser diseños personalizados, como el AP-101B mejorado de Shuttle, que utiliza un procesador principal de un solo núcleo de 400 kHz y 24 procesadores de E/S dedicados, en una carcasa resistente a la radiación con una placa base resistente a las vibraciones y un tamaño muy pequeño. cantidad de memoria - unos pocos cientos de kilobytes.

Muchos satélites utilizan procesadores estándar; Durante años, Zilog Z-80, Intel 8080 y Motorolla 68000 fueron procesadores básicos, porque ambos eran económicos (habían sobrevivido a las patentes) y ya habían superado los requisitos de prueba de la NASA. Desde entonces, los procesadores más nuevos los han reemplazado en el uso común, pero las misiones a fines de la década de 1990 utilizaron chips 8080 de producción específicos de la NASA. (Un Z80 de gama alta es de 20 MHz, limpio de 8 bits, de un solo núcleo y cuesta $12. Esto ha dado lugar a que un par de estudiantes busquen usarlo en proyectos de microsat; es económico y tiene una clasificación de espacio).

Hardware listo para usar

La NASA, desde aproximadamente 1992, ha permitido el uso de computadoras portátiles IBM estándar para algunas aplicaciones de misión crítica. Descubrieron que los dispositivos no son confiables en órbita debido a las fluctuaciones del campo magnético. Aún así, son lo suficientemente confiables como para usarse en usos generales que no son esenciales para el vuelo.

Varios astronautas han utilizado calculadoras manuales, incluidas las HP-41, a lo largo de los años; estos dispositivos tienen circuitos más grandes, procesadores más lentos, menos memoria y siempre se han usado solo para aplicaciones que no son de misión crítica. (El HP-41 también se usó para simular el AP-101. También fue el plan de respaldo en caso de falla del clúster AP-101).

Referencias

http://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/flyout/flyfeature_shuttlecomputers.html
http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/shutref/orbiter/avionics/dps/gpc.html
http://hpinspace. wordpress.com/category/hp-41/
http://www.hq.nasa.gov/pao/History/computers/Ch4-6.html

¿Cómo podrían las fluctuaciones del campo magnético causar falta de confiabilidad?
@Hobbes dos métodos: 1, al permitir que entre más radiación de partículas, y 2, los cambios rápidos inducen directamente corrientes. # 1 es el problema principal. El n.° 2 casi no es un problema, pero tenga en cuenta que he visto que ciertos dispositivos con procesadores de bajo consumo de energía se vuelven poco confiables debido a las líneas eléctricas. (El teléfono inteligente de un amigo se construyó con un procesador de 1.2v y no estaba bien protegido; pasar por debajo de un par de líneas de alta tensión provocaría un reinicio).
Corríjame si me equivoco, pero pensé que los Z80, 8080 y 68000 listos para usar eran todos NMOS/CMOS/HMOS, vulnerables a las interacciones de los rayos cósmicos y, por lo tanto, inadecuados para su uso en el espacio. Sin embargo, creo que varios diseños de CPU "clásicos" (quizás todos los anteriores) tenían implementaciones derivadas que eran resistentes a la radiación, pero estas versiones no habrían estado disponibles como elementos "listos para usar" junto con los originales (solo producidos como pedidos especiales/personalizados, o disponibles "listos para usar" solo mucho más tarde), y cuando estuvieron disponibles, habrían sido mucho más caros.
@AnthonyX TODOS los semiconductores están sujetos a interacciones de radiación cósmica. CMOS no es un problema tanto como el voltaje (5v es mejor que el extremo superior actual de 1.5v; una cascada inducida puede sobrecargar más fácilmente las máquinas de 1.5v) y el tamaño del cableado (que se correlaciona con los amperios consumidos; más amperios y más ancho gates es más potente y más resistente a fallas aleatorias de interacción de partículas individuales). Las versiones más nuevas del Z80 son más propensas a fallar debido a las uniones más pequeñas y al amperaje y voltaje más bajos.
Es un poco exagerado decir que la calculadora HP simuló el AP-101. Simplemente tenía algunas de las mismas ecuaciones programadas en él. Y si el "cúmulo" hubiera fallado, el transbordador se habría perdido ya que era un diseño fly-by-wire. Ninguna calculadora sería de ningún beneficio en ese escenario.

Para las computadoras de misión crítica (control de vuelo, etc.) ESA utiliza el procesador LEON , basado en la arquitectura SPARC de Sun. Utilizaron otros diseños personalizados antes de LEON.

Podría valer la pena mencionar que LEON utiliza el endurecimiento por radiación por diseño (técnicas de circuitos especiales y otros) en lugar de un proceso de fabricación endurecido por radiación, lo que lo distingue de algo como el RAD750. El uso de endurecido por diseño permite usar procesos de fabricación ordinarios menos costosos y más avanzados a costa de un área (que normalmente se ve más que compensada por el proceso más avanzado) y un esfuerzo de diseño significativo.
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