¿Por qué las computadoras de las naves espaciales son obsoletas en el lanzamiento?

Hay una serie de razones por las que la electrónica de las naves espaciales suele retrasarse varios años con respecto a lo que está disponible comercialmente.

Tolerancia a la radiación

La electrónica es muy susceptible al fenómeno de la radiación del que la electrónica terrestre está protegida en gran medida por la atmósfera y el campo magnético de la Tierra. Los mecanismos comunes de falla basados ​​en la radiación son Evento/alteración de evento único (SEE/SEU, por sus siglas en inglés), más comúnmente considerado como un bit invertido, enganche, donde un bit se atasca en un estado determinado y la parte debe apagarse para ser reiniciado, quemado, donde una partícula de alta energía (por ejemplo, un protón o un neutrón) destruye la parte, y dosis total, donde la exposición a largo plazo (en lugar de un evento anormal) degrada la parte. A medida que los chips y los circuitos avanzan y empaquetan los transistores con más fuerza, aumenta la probabilidad de que ocurran estos eventos.

Existen varias técnicas y métodos de prueba para demostrar si los ensamblajes electrónicos son robustos en entornos de radiación espacial, pero estas pruebas son costosas. Entonces, una vez que se han hecho para una pieza, componente o ensamblaje, el intercambio a menudo se hace para vivir con menos rendimiento y ahorrar el costo de volver a probar y evitar el riesgo de una falla completa de la misión.

Fiabilidad

Es más fácil hacer el mantenimiento de una computadora terrestre, y los costos de falla son a menudo mucho más bajos que para una nave espacial. Los sistemas terrestres tampoco tienen los mismos presupuestos ajustados de potencia, tamaño y masa que los sistemas espaciales, lo que limita la cantidad de redundancia que es factible. Una solución es seguir utilizando piezas que han demostrado tener una alta fiabilidad. Otra forma de aumentar la confiabilidad es realizar una selección de piezas y realizar muchas pruebas electrónicas (por ejemplo, horneado para encontrar mortalidad infantil, pruebas de vibración aleatoria para imitar entornos de lanzamiento, pruebas de choque para imitar eventos pirotécnicos como desprendimiento de carenado y pruebas de vacío térmico para imitar el espacio. Esta prueba lleva tiempo y es costosa. El retraso de tiempo por sí solo pone a la mayoría de los sistemas espaciales al menos un ciclo de la ley de Moore por detrás de las últimas piezas de consumo.

Tiempo de construcción para los satélites

Por no hablar de la aviónica, los satélites tardan mucho en construirse. Incluso cuando las computadoras están listas, el resto del vehículo debe ensamblarse y probarse. Para naves espaciales grandes, esto puede llevar años. Mientras tanto, la computadora no se está volviendo más joven y una aversión (a menudo justificada) al riesgo significa que actualizarla requeriría volver a realizar muchas de estas pruebas.

El consumo de energía

Con el tiempo, la ley de Moore ayuda a los chips a aumentar la potencia de procesamiento y disminuir el consumo de energía, pero en términos generales, cuando se comparan piezas contemporáneas, los chips más potentes consumen más energía. Las naves espaciales están casi universalmente hambrientas de energía, por lo que hay pocos incentivos para usar un chip que consuma más energía de la que es absolutamente necesaria. Todo en una nave espacial es una compensación: un vatio de potencia utilizado para la computadora de vuelo principal que transporta ciclos no utilizados es un vatio que no se puede usar para comunicaciones de RF o para proporcionar energía a una carga útil (cuando esa carga útil no es comunicaciones), etc

Papeleo

El papeleo y el proceso pueden ser tan dominantes como cualquiera de las otras razones. La industria aeroespacial como una barrera de entrada históricamente alta. Una vez que la razón es el capital humano requerido para construir y lanzar naves espaciales, pero igualmente importante es la herencia espacial del software y los componentes que las integran. Los entornos espaciales son más desafiantes que los terrestres en una variedad de formas y, a menudo, requieren soluciones únicas (para aviónica, el rechazo de calor sin enfriamiento por convección es un buen ejemplo). Los entornos de lanzamiento se discutieron anteriormente. La calificación de los componentes es una tarea centrada en el hardware del mundo real, pero hay un registro en papel que respalda este análisis y brinda confianza a los clientes del fabricante de una nave espacial y al proveedor de lanzamiento de que el vehículo estará seguro durante el ascenso y que funcionará en espacio. Esto se prueba a través de una combinación de prueba, análisis y demostración, pero la mayoría de las personas que se preocupan no presencian ni supervisan estas actividades directamente, por lo que confían en una excelente documentación para brindar esa confianza. Una vez que haya pasado por la molestia de obtener la compra del widget X, el esfuerzo asociado con la obtención de una compra Δ para el widget Y o incluso X+ es más difícil de justificar si la parte anterior todavía funciona. A los proveedores aeroespaciales (contratistas principales y en toda la cadena de suministro) a menudo también se les exige que cuenten con rigurosos procesos de calidad, es decir, más papeleo y procesos. Todo esto ralentiza el ritmo de la innovación y el cambio a cambio de previsibilidad. por lo que confían en un excelente papeleo para brindar esa confianza. Una vez que haya pasado por la molestia de obtener la compra del widget X, el esfuerzo asociado con la obtención de una compra Δ para el widget Y o incluso X+ es más difícil de justificar si la parte anterior aún funciona. A los proveedores aeroespaciales (contratistas principales y en toda la cadena de suministro) a menudo también se les exige que cuenten con rigurosos procesos de calidad, es decir, más papeleo y procesos. Todo esto ralentiza el ritmo de la innovación y el cambio a cambio de previsibilidad. por lo que confían en un excelente papeleo para brindar esa confianza. Una vez que haya pasado por la molestia de obtener la compra del widget X, el esfuerzo asociado con la obtención de una compra Δ para el widget Y o incluso X+ es más difícil de justificar si la parte anterior aún funciona. A los proveedores aeroespaciales (contratistas principales y en toda la cadena de suministro) a menudo también se les exige que cuenten con rigurosos procesos de calidad, es decir, más papeleo y procesos. Todo esto ralentiza el ritmo de la innovación y el cambio a cambio de previsibilidad. A los proveedores aeroespaciales (contratistas principales y en toda la cadena de suministro) a menudo también se les exige que cuenten con rigurosos procesos de calidad, es decir, más papeleo y procesos. Todo esto ralentiza el ritmo de la innovación y el cambio a cambio de previsibilidad. A los proveedores aeroespaciales (contratistas principales y en toda la cadena de suministro) a menudo también se les exige que cuenten con rigurosos procesos de calidad, es decir, más papeleo y procesos. Todo esto ralentiza el ritmo de la innovación y el cambio a cambio de previsibilidad.

Retrasos en el lanzamiento

Luego, una vez que la nave espacial está lista, debe lanzarse, y los lanzamientos pueden tardar meses, si no años.

Una gran parte de esto es la confiabilidad. La NASA probablemente podría instalar un chip Intel Xeon fabricado en 2012 que tiene una gran cantidad de potencia de procesamiento.

Sin embargo, el chip que se usó , el RAD750, tiene años de experimentos y uso detrás, como el uso en una variedad de naves espaciales que incluyen:

• Nave espacial de persecución de cometas Deep Impact, lanzada en enero de 2005, la primera en utilizar la computadora RAD750.
• XSS 11, pequeño satélite experimental, lanzado el 11 de abril de 2005
• Mars Reconnaissance Orbiter, lanzado el 12 de agosto de 2005.
• El satélite WorldView-1, lanzado el 18 de septiembre de 2007, tiene dos RAD750.
• Telescopio espacial de rayos gamma Fermi, anteriormente GLAST, lanzado el 11 de junio de 2008
• Telescopio espacial Kepler, lanzado en marzo de 2009.
• Lunar Reconnaissance Orbiter, lanzado el 18 de junio de 2009
• Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) lanzado el 14 de diciembre de 2009
• Observatorio de Dinámica Solar, lanzado el 11 de febrero de 2010
• Nave espacial Juno, lanzada el 5 de agosto de 2011
• Rover Curiosity, lanzado el 26 de noviembre de 2011

Debido al uso desde 2005, la NASA puede estar bastante segura de que el chip no fallará debido a problemas de radiación, etc.

¿Por qué? Bueno, diría que la respuesta de John Besin lo resumió bastante bien, y no intentaré superarlo:

No creo que este sería el caso en absoluto. En todo caso, la NASA querría usar hardware (y software) que haya sido ampliamente probado durante años de uso, tanto en la NASA como en la industria en general. Lo último que quiere la NASA es encontrar un error en el sistema de una nave espacial en un momento inoportuno , y cuando se habla de dispositivos que necesitan viajar potencialmente cientos de miles de millas a través del espacio, hay muchos momentos inoportunos .

Uno podría pensar que las naves espaciales estarían a la vanguardia de la tecnología.

No creo que este sería el caso en absoluto. En todo caso, la NASA querría usar hardware (y software) que haya sido ampliamente probado durante años de uso, tanto en la NASA como en la industria en general. Lo último que quiere la NASA es encontrar un error en el sistema de una nave espacial en un momento inoportuno, y cuando se habla de dispositivos que necesitan viajar potencialmente cientos de miles de millas a través del espacio, hay muchos momentos inoportunos.

También puede encontrar interesante esta pregunta en Programmers.SE ; aborda los lenguajes de programación, hardware, etc. utilizados para construir el rover Mars Curiousity.

Además, me imagino que el hardware de menor especificación que usa la NASA tiene requisitos de energía más bajos que el hardware de alta potencia de última generación. Por ejemplo, si el rover no necesita un procesador más rápido para funcionar, ¿por qué desperdiciar espacio y peso alimentando un procesador de este tipo cuando uno de menor especificación será suficiente?

Otra gran razón es que simplemente no hay necesidad de hacer nada más poderoso. Existen muchas aplicaciones en la Tierra donde la confiabilidad es más importante que la velocidad. Por ejemplo, una máquina expendedora contiene una computadora simple. Usted no quiere que se estrelle y tome su dinero.

La gran mayoría del procesamiento utilizado hoy en día por las computadoras se encuentra en la interfaz gráfica. Como no hay ningún satélite que ejecute una interfaz gráfica, realmente no hace mucha diferencia.

El objetivo de la computadora de un satélite es mantener el satélite vivo, apuntando en la dirección correcta, administrar la energía y recopilar datos para usar en tierra. Por lo tanto, no necesitan tener procesadores de gigahercios, solo necesitan ser una tubería de datos. Necesitan hacer esto con un alto nivel de precisión. No puede ir y presionar el botón de encendido en una nave espacial, necesita que sus sistemas funcionen sin problemas en todo momento.

Los astronautas usan regularmente computadoras en la ISS, pero estas se hacen para sistemas no críticos. Solo cuando la computadora tiene que hacer un procesamiento significativo de los datos, la velocidad importa y, excepto por algo de compresión, la mayor parte todavía se hace en la Tierra. Además, la mayoría de los sistemas cargados de imágenes que existen tienen chips integrados personalizados que ayudan a procesar las imágenes más rápido, lo que permite que se realice menos trabajo en el procesador principal.

Hay un anime llamado " Rocket Girls " en el que la protagonista hace esta misma pregunta. La respuesta que obtuvo fue que solo usan Tecnología Clásica; tecnología que ha construido una reputación de éxito a lo largo del tiempo. Esto también es cierto para la medicina y la aviación general. De hecho, esto es cierto para la mayoría de las ramas de la ingeniería, principalmente la ingeniería de software que sigue usando las cosas "más recientes".

Además, el CMOS es más susceptible a la radiación que el TTL , por lo que cuando realiza Radiation Hardening puede ser mejor tener un chip lento basado en TTL de 100 mhz que un chip rápido basado en CMOS de 3,4 Ghz.

Un par de cosas que podría agregar a las buenas respuestas que ya están aquí:

• Plazo de selección. La decisión de qué hardware utilizar para un vehículo se toma mucho antes (¿años?) del lanzamiento del vehículo. Por lo tanto, en el momento del lanzamiento probablemente esté obsoleto.
• Endurecimiento por radiación. A menudo, estas comparaciones se centran en una o dos especificaciones que son interesantes para usos terrestres: la velocidad del reloj de la CPU y la RAM, por ejemplo. Si bien estos son importantes, la tolerancia a fallas en un entorno radiado es más importante mientras se vuela por Júpiter que cuando se juega Doom. Esta tolerancia crea una compensación que no ayuda a las otras especificaciones.

• Tiempo de selección : las naves espaciales se diseñan y construyen años antes del lanzamiento. El procesador seleccionado en el momento de la compilación, incluso si es el mejor de la línea, habrá sido eclipsado por el momento del lanzamiento.
• Tolerancia a la vibración : el lanzamiento de una nave espacial requiere sistemas informáticos tolerantes a la vibración; muchos procesadores más nuevos aún no están calificados en el momento del diseño.
• Resistencia a la radiación : los circuitos más pequeños están más sujetos a errores inducidos por radiación que los circuitos más grandes. la mayoría de los procesadores más avanzados usan circuitos más pequeños para reducir los costos de energía, las cargas térmicas y los tiempos de ciclo de operación.
• Precio : los procesadores más antiguos se pueden comprar por mucho menos que los procesadores de vanguardia actuales; los precios caen notablemente una vez que expiran las patentes.
• falta de necesidad : No todos los satélites necesitan soluciones de procesamiento altamente robustas.
  Toda la misión Apolo se ejecutó con una potencia de procesamiento equivalente a un par de estaciones de trabajo Linux de gama alta... esto incluye los mainframes en JSC y Cape Kenedy. La computadora de a bordo del Apollo era tan poderosa como muchos relojes digitales. (Memoria total de 80kB; eso es 37kB palabras de 2B cada una para ROM, más 2K palabras de RAM). Funcionaba a 1 MHz, bastante rápido para su época. He comprado calculadoras de $20 con mejores especificaciones que la AGC.
  Las tareas de la mayoría de los satélites se pueden ejecutar de manera confiable con procesadores más antiguos sin comprometer la misión.

Lo mismo sucede en la aviación como lo ha identificado para la tecnología espacial. Los factores principales serían la confiabilidad, la "dureza" y los plazos de desarrollo, pero existen otras consideraciones.

Cualquier sistema crítico para la vida tiene que ser confiable, y cuando no puede llegar a él para repararlo si se rompe (como las sondas espaciales robóticas), la confiabilidad también se vuelve primordial. Cuanto más tiempo ha existido una cosa y acumulado experiencia, más se puede confiar en ella. Además, cuanto más complejo es un sistema, más difícil puede ser verificar que todas las "partes de trabajo" funcionen como deberían. Las tecnologías más nuevas siempre están empujando los límites de una forma u otra, desafiando los límites de lo que se puede hacer. Eso puede poner algo al borde de la catástrofe: no es un buen lugar para estar cuando hay vidas en juego. La tecnología informática más nueva siempre es más sofisticada (más compleja) que la que reemplaza, lo que dificulta la verificación/validación.

Los aviones y cohetes operan en entornos hostiles; los propios vehículos crean entornos duros o quizás extremos para algunos de sus propios componentes. Es difícil construir componentes y sistemas electrónicos que puedan operar en tales condiciones: temperatura, choque/vibración, EMI, radiación, etc. sin algún desafío a la confiabilidad.

Se necesita mucho tiempo (años) para que una nueva aeronave o sistema espacial pase del diseño inicial al "primer lanzamiento", y el diseño de los subsistemas (incluidos los que emplean computadoras) debe congelarse en algún momento del proceso. La tecnología informática avanza mucho más rápido, por lo que los diseños se congelan con lo que es confiable (quizás ya se está volviendo obsoleto), y la tecnología informática avanza más antes de que el avión o el cohete despeguen.

Realmente podría no ser una buena idea tratar de hacerlo de otra manera. Cuando su vida está en juego, es mucho mejor tener un sistema antiguo, tosco pero confiable, que algo nuevo y elegante, pero no completamente probado.

Curiosamente, esto no se aplica a todas las naves espaciales. Los satélites Flock de Planet Labs son en realidad bastante innovadores, como lo afirma uno de los desarrolladores en el podcast The AmpHour . De hecho, la prueba de nuevos diseños de satélites se ralentizó por el tiempo que llevó lanzar los satélites una vez que se fabricaron.

Sugiero escuchar el podcast, este episodio fue bastante interesante.