Moc obliczeniowa dla nowego pokolenia badaczy kosmosu
Nowoczesne pojazdy kosmiczne muszą dysponować znaczną mocą obliczeniową, aby wykonywać precyzyjne operacje w niewiarygodnej odległości od Ziemi, w tym manewry wchodzenia w atmosferę i lądowania, obliczenia i korekty nawigacyjne oraz przetwarzanie ogromnych ilości danych generowanych przez oprzyrządowanie badawcze. Choć procesory przystosowane do działania w kosmosie są tak ważne dla funkcjonowania pojazdów kosmicznych, dostępne obecnie konstrukcje osiągnęły już granice swoich możliwości. Jeśli ludzkość ma kontynuować i poszerzać badania kosmosu, konieczne jest znalezienie nowych systemów obliczeniowych. W ramach finansowanego przez UE projektu APEX, którego realizacja dobiegła końca we wrześniu 2016 r., poczyniono znaczne postępy w tej dziedzinie. Prace dotyczyły procesorów w architekturze ARM, stanowiących serce ogromnej większości obecnie używanych smartfonów, tabletów i urządzeń wbudowanych. Dostosowywanie technologii komercyjnej "Systemy obliczeniowe przystosowane do działania w kosmosie są obecnie kilka generacji technologicznych w tyle za najnowszymi urządzeniami komercyjnymi, na przykład procesorami ARM", wyjaśnia główny badacz projektu APEX, dr. Xabier Iturbe z brytyjskiej firmy ARM. Ogromna większość procesorów do zastosowań kosmicznych powstaje w technologii produkcyjnej zwiększającej odporność na promieniowanie, co przekłada się na znacznie wyższe koszty, większy pobór mocy i znaczące pogorszenie wydajności. "Zajęliśmy się zaprojektowaniem prototypu odpornego na błędy, energooszczędnego i wydajnego procesora ARM, który mógłby być używany jako procesor wbudowany w oprzyrządowaniu naukowym wysyłanym w misje NASA", ciągnie dalej Iturbe. Prace projektu APEX rozpoczęto od lepszego poznania wymagań przyszłych misji badań kosmicznych NASA pod względem zasobów obliczeniowych i odporności na błędy, po czym odpowiednio do tych wymagań przystosowano komercyjną konstrukcję procesora ARM używanego obecnie w systemach pojazdowych. Na poziomie architektury procesora zastosowano dobrze znane techniki zwiększania odporności na błędy, na przykład równoległe przetwarzanie nadmiarowe, a na poziomie mikroarchitektury opracowano nowatorskie techniki zmniejszające pobór mocy. Badacze zaprojektowali między innymi tryb zwiększonej odporności procesora, w którym krytyczne procedury programowe są wykonywane przy użyciu minimalnej możliwej liczby komponentów mikroarchitektury sprzętowej, co pozwala ograniczyć podatność procesora na błędy bez pogorszenia wydajności. Wykonalności technicznej tego podejścia dowiedziono podczas symulacji, które potwierdziły dużą odporność i zwiększoną wydajność procesora opracowanego w ramach projektu APEX. Procesor ten potrafi w ciągu kilku mikrosekund korygować większość błędów spowodowanych promieniowaniem, dając przy tym o połowę większą moc obliczeniową od istniejących procesorów do zastosowań kosmicznych. Następny krok: realizacja "Spodziewamy się, że technologie opracowane w ramach tego projektu umożliwią partnerom z ekosystemu ARM budowanie odpornych na promieniowanie systemów do zastosowań kosmicznych oraz zwiększanie bezpieczeństwa i integralności systemów używanych na Ziemi", mówi Iturbe. Zainteresowanie użyciem nowej technologii w przypadku jej udostępnienia komercyjnego wyraziły już agencje kosmiczne, w tym NASA i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), oraz producenci oprzyrządowania kosmicznego, w tym Airbus. "Prace projektu APEX nad stworzeniem odpornych na błędy, energooszczędnych i wydajnych technologii obliczeniowych na bazie procesorów komercyjnych mogą przyczynić się do ulepszania awioniki i radykalnie zwiększyć ilość danych naukowych uzyskiwanych z misji NASA", twierdzi dr Didier Keymeulen, członek zespołu technicznego ośrodka NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) prowadzonego przez California Institute of Technology oraz koordynator projektu APEX ze strony JPL. NASA potwierdziła ostatnio opracowanie wydajnego procesora kosmicznego w architekturze ARM, który będzie w najbliższej przyszłości używany w załogowych i bezzałogowych pojazdach kosmicznych. Firma ARM realizuje też we współpracy z ESA inicjatywę ARM University Programme, w ramach której planowane jest między innymi stworzenie prototypowego rozwiązania pozwalającego wykorzystać technologię APEX w budowanych na uczelniach całego świata miniaturowych satelitach CubeSat do badań kosmicznych na orbicie okołoziemskiej.
Słowa kluczowe
APEX, satelita, ARM, procesor, Jowisz, Saturn, kosmiczne, Wenus, promieniowanie, NASA, ESA
