¿Por qué los satélites usan procesadores viejos?

Tiene la mayoría de las razones repartidas entre las respuestas, pero intentaré proporcionar una imagen más completa.

El desarrollo de equipos espaciales es costoso y lento. Las piezas deben ser endurecidas por radiación, e inspeccionadas y probadas cuidadosamente. Los fabricantes son pocos y los volúmenes son pequeños, por lo que los precios son altos y los plazos de entrega son largos. Esto significa que es común que las piezas se ordenen temprano en el proceso de diseño. Entonces la computadora está diseñada y fabricada. Luego se integró en un sistema más grande y se probó allí, luego se integró en el satélite y se probó nuevamente. Luego esperando el lanzamiento. Trabajé con el diseño de la electrónica espacial durante casi una década, pero creo que me fui antes de que el primero de mis diseños estuviera en el espacio. Por lo tanto, el diseño antiguo es inevitable.

Como otros mencionaron, los diseños más antiguos con distancias más grandes entre diferentes señales y transistores grandes con más átomos por bit, significan un menor riesgo de que los rayos cósmicos se muevan un poco. Pero no solo eso, la electrónica espacial podría usar tecnologías particulares como el silicio en el zafiro para hacerlas más resistentes a la radiación. Es común que los fabricantes seleccionen un diseño que haya demostrado su confiabilidad en la electrónica militar para tal fabricación. Por lo tanto, incluso viejo desde el principio!

No es solo la CPU. Lo mismo es cierto para la RAM, por lo que desea una CPU que funcione con pequeñas cantidades de RAM y con bajas frecuencias, ya que desea ahorrar energía. Cada kg extra de carga útil corresponde a aproximadamente 10 kg de estructura de cohete y 100 kg de combustible. Desea mantener las baterías y los paneles solares como mínimo.

La radiación es un aspecto, pero también es que un lanzamiento es muy costoso, y la mayoría de las naves espaciales permanecerán en órbitas donde es imposible alcanzarlas una vez que se lanzan. ISS y Hubble son excepciones, por ejemplo, los satélites geoestacionarios están lejos, mucho más allá del alcance de cualquier astronauta. Esto significa que la fiabilidad es muy importante para los satélites con una vida útil planificada de quizás una década sin posibilidad de reparación. La radiación también depende de la órbita, ya que las órbitas altas están más expuestas a la radiación que las muy bajas, pero las órbitas elípticas que pasan de un lado a otro a través de los cinturones de van Allen son las peores hasta donde tengo entendido.

Si los lanzamientos se vuelven lo suficientemente baratos, el punto óptimo para la electrónica espacial podría cambiar fundamentalmente. ¿Tal vez sea viable lanzar un montón de circuitos baratos y apostar a que una porción suficiente sobrevivirá a los rayos hasta que llegue el próximo grupo de bajo costo?

El espacio es un negocio difícil con poca tolerancia al fracaso: si su comsat de mil millones de dólares tiene un problema debido a un error que rara vez ocurre, no puede enviar un técnico para repararlo. Por lo tanto, las opciones de hardware tienden a ser cosas que se entienden muy bien y tienen un largo historial de pruebas.

Históricamente, también, las demandas del procesador en la nave espacial han sido limitadas: no * necesita * el último procesador GFLOPS para decodificar un comando que recibió a 100 bits / segundo y encender o apagar algún dispositivo. Incluso los bucles del sistema de control de actitud funcionan a velocidades razonables (0.1 segundos o 0.01 segundos): nada sucede rápido en una nave espacial.

Esto está cambiando: hay mucha más autonomía a bordo: los rovers que conducen en Marte y planean la ruta sobre la marcha utilizando imágenes estéreo, por ejemplo. Incluso allí, siempre puede conducir más despacio, para permitir que la CPU continúe. Si llegas a esa roca mañana o pasado mañana no cambia mucho en términos de los datos científicos que obtienes. El actual rover de Marte (por ejemplo, Curiosity) utiliza un procesador RAD750, que es básicamente un núcleo PowerPC 7XX (lanzado en 1997) que funciona a 100-200 MHz. Han estado volando RAD750 desde 2005 (Deep Impact, MRO)

La mayor parte del software en estas naves espaciales se hereda de misiones anteriores, por lo que los procesadores tienden a tener una larga vida útil. No es que haya nuevas versiones de Windows a las que tenga que adaptarse que requieren más potencia de procesador. Mantener la nave espacial apuntada de la manera correcta es casi el mismo tipo de problema en 2015 que en 2005 como 1995.

Razón adicional: radiación.

Los procesadores satelitales no son el único tipo de procesadores que no evolucionan tan rápido como otras tecnologías de procesador: la mayoría de los dispositivos analógicos todavía están en el rango de 90-135 nm (este es el tamaño del transistor por cierto, si se lo pregunta), mientras que los componentes digitales como el de tu teléfono puede alcanzar el rango de 14 nm. Esto se debe a un problema increíblemente difícil de manejar que es mucho más frecuente en la computación analógica que en el procesamiento digital:

Ruido.

En informática digital, su señal puede variar aproximadamente el 50% de su voltaje, y aún así leería el valor correcto: un 0.55 sigue siendo un 1. La mayoría de los procesadores incluso usan esto para su ventaja para alcanzar velocidades de reloj más altas: es por eso que el overclocking Aún es posible.

En computación analógica, si su señal tiene un 50% de descuento, el resultado de su cálculo tiene un 50% de descuento, lo cual es una cantidad bastante grande para un osciloscopio.

En el espacio, las cosas empeoran.

Uno de los grandes desafíos es garantizar que sus bits no hayan sido volteados por una partícula aleatoria que se estrella en su ASIC. Ya sea que intente arreglarlo usando múltiples chips, o usando un chip resistente a la radiación, no importa. Ambas opciones son extremadamente caras.

Sin embargo, los chips con transistores más grandes son más baratos y más resistentes a la radiación, por lo que son más atractivos para usar en un transbordador espacial.

Como sé, los viejos satélites usaban un procesador especial. Una versión resistente y resistente a la radiación de Novix NC4016. (RTX2000) Este procesador podría realizar el lenguaje FORTH directamente en hardware. Y contenía muchos menos “transistores” que los conocidos microprocesadores. Los sistemas y satélites integrados necesitan un tamaño pequeño y una potencia pequeña y programas pequeños eficientes.

4.4 ARQUITECTURA DEL NOVIX NC4016

Cuantas aplicaciones, ejemplos destacados

Y ahora, con los circuitos FPGA programables muy flexibles, pueden hacerlo aún más eficientemente. 🙂 Entonces, en el caso de los satélites, no piense en una solución promedio … El uso de FPGA reprogramables en el espacio

Los FPGA tolerantes a la radiación resuelven el cuello de botella del procesamiento de la señal satelital

Aparte de las otras respuestas que cubren esto, otro factor es que los procesadores antiguos tenían menos transistores y otros más grandes. Las CPU modernas tienen una gran cantidad de transistores y estos interruptores son bastante pequeños.

Ahora, un factor importante en los errores del procesador en el espacio es que el ambiente está lleno de radiación. Proteger los circuitos de él no es trival. Pero proteger un procesador anterior es un poco más fácil porque cuando el chip recibe golpes, estos eventos pueden ser menos propensos a voltear bits o polarizar las puertas del transistor lo suficiente como para cambiar el estado de un interruptor.

A veces más viejo es mejor.

Cuando estaba en JPL, en esa era, utilizamos CPUs RCA 1802, CMOS tempranas, calificadas para el espacio. Eran bastante resistentes a la radiación y los satélites militares también los usaban. Eran muy primitivos desde el punto de vista informático en comparación con los chips actuales, pero resistentes para el espacio.

No eran procesadores antiguos cuando se implementaron. Luego lleva tiempo probar los programas y colocarlos en secuencias donde el retraso del mensaje será de minutos, horas e incluso días y semanas.

Los procesadores procesan, pero procesan ejecuciones y secuencias, pero luego solo en comando y coordinación o coordinación de módulo adjunto específico. Luego hay redundancia en múltiples tipos de formas, sin mencionar que cada conjunto de sistemas también tiene su propio conjunto de procesadores compartimentados. Hablando en general en términos simples.

Una vez que un sistema pasa del diseño a la fabricación, se establece. La actualización a sistemas más nuevos requeriría una revisión completa sin mencionar el gasto de construir uno con las protecciones requeridas.

Para los otros encuestados, fue genial leer sobre los detalles del procesador.

Para cuando un satélite ha llegado a su destino, generalmente ha pasado al menos una década desde su diseño. Eso garantiza un procesador de al menos 12-15 años. No enviamos un nuevo procesador al satélite justo antes de que aterrice.

Dos razones principales son la baja tolerancia al riesgo y las duras realidades del entorno físico. Esto está cambiando para una clase de lanzamientos actuales y futuros.

El cambiador de juego es la barra de acceso que se reduce drásticamente, es decir, el costo de lanzamiento se ha reducido significativamente y continuará disminuyendo. Esto ha permitido que nuevas aplicaciones como el plan SpaceX vuelen una constelación de miles de satélites.

Estos satélites no están volando diseños rad-hard de 30 años. Estos satélites son desechables y pueden funcionar perfectamente con las piezas de grado comercial de la generación actual; piense en los contemporáneos del SoC de teléfonos móviles.

La órbita terrestre típicamente baja también ofrece un entorno de radiación relativamente benigno. No importa si algunos fracasarán en tres años, cuando la mayoría debe reemplazarse cada pareja.

Los microprocesadores existentes tardan un tiempo en endurecerse, certificarse y probarse mediante radiación.

Endurecimiento de la radiación – Wikipedia

Efecto Lázaro – Wikipedia

Esto a menudo significa que los microprocesadores utilizados en satélites y naves espaciales son al menos varias generaciones mayores que los de las PC actuales.

Los satélites necesitan un procesador endurecido contra la radiación del sol. En general, los procesadores disponibles se basan en diseños más antiguos. Los procesadores más nuevos tienen circuitos más pequeños que son más difíciles de proteger de las consecuencias del paso de un electrón o protón perdido. No sé cuál es el procesador de elección actual, pero durante décadas hubo una versión especial del chip Pentium V utilizado en el espacio mucho después de que ninguna computadora conectada a tierra utilizara esa generación.

Me gustan las respuestas pero aquí está el flaco. Si diseña un satélite, desea ejecutar la “caja” que controla el satélite durante el mayor tiempo posible en la etapa de desarrollo, en el terreno, donde se pueden evaluar los errores y los “errores”. Para cuando se perfeccione el diseño, su nueva CPU es obsoleta Y confiable.

A principios de los 80 (como recuerdo), algunos de los primeros Ataris tenían un procesador de video personalizado que era muy demandado por los constructores e ingenieros de satélites. Incluso años después, las tiendas de segunda mano y los mercados de pulgas fueron las mejores fuentes de suministro. El ejército envió gente a buscarlos.

Además de las otras muy buenas respuestas, agregaría que el tiempo de diseño para un satélite es de años, mientras que la Ley de Moore todavía se mantiene en su mayor parte. Por lo tanto, es casi inevitable que, para cuando se complete el diseño y la construcción, se haya introducido al menos una nueva generación de procesadores.

Y, en ese punto tardío, ¡un rediseño terminaría en el mismo estado!

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