המוח הבלתי נראה של המשימה המודרנית

חקר החלל נכנס לעידן הזהב של רכישת נתונים. אוביטל observatories, מקהלני פלנטרי, ובדיקות חלל עמוק מייצרים כעת טרה-ביאטים של מידע מדעי מדי יום.אבל היכולת לאסוף נתונים אלה כבר מזמן את היכולת לאחסן ולעבד אותו על גבי לוח. חידושים אחרונים באחסון נתונים ועיבוד חומרה הם סגירה, המאפשרים משימות לפעול עם אוטונומיה חסרת תקדים, עמידות, אינטליגנציה ואינטליגנציה.

מאמר זה צולל לאתגרים הספציפיים של ניהול נתונים בוואקום הקר, קרינה-הסוכד של החלל, ואז סוקר את פתרונות האחסון והעיבוד החדשניים שכותבים מחדש את מה שחללית יכולה לעשות.מדחף של מדינת מוצקה מקרינה ועד מאיצים מלאכותיים של אינטליגנציה מלאכותית, החומרה המתפתחת היום תאלץ את חקר המחר.

מדוע ניהול נתונים של Spacecraft הוא שונה באופן יסודי

ניהול נתונים על כדור הארץ הוא טריוויאלי בהשוואה.שרת במרכז נתונים מבוקר אקלים ניתן לתקן, להחליף או לשדרג ברצון. חללית של מיליארדי קילומטרים משם לא נהנה כל מותרות כזו.כל רכיב חייב לשרוד את הרטט, תנודות טמפרטורה קיצונית, והפגזה קבועה של קרינה מייננת. Power הוא בקושי, רוחב פס לכדור הארץ הוא מוגבל מאוד, ונפח פיזי נמדד במכ"מ.

מגבלות אלה יוצרות מערך ייחודי של אתגרים הנדסיים:

  • (FLT:0)Radiation-Induced Bit Flips:cioFLT) 1 חלקיקים באנרגיה גבוהה יכולים להשחית נתונים מאוחסנים או לגרום למעבדים לבצע הוראות לא נכונות.
  • (FLT:0)Limited Bandwidth: 1FreaLT:1 , ירידה בשיעורי Mars בממוצע 1-6 מגהביט לשנייה, בתמונה חד-משמעית אחת יכולה לקחת דקות עד שעות כדי שידור.
  • (FLT:0) תקציבי כוח נמדדים בוואטטס: אנדרל 1 (חללית מדע טיפוסי) יכול להיות מעטפה כוח כוללת של כמה מאות וואט ומערכות עיבוד צריך להיות יעיל להפליא.
  • (FLT:0) ארוכות בלתי נמנעת: ⁇ 1:1 , המשימה לעתים קרובות 10-20 שנים, ללא הזדמנות לתיקון פיזי.

גורמים אלה הכריחו מהנדסים לחשוב מחדש על כל שכבת צינורות הנתונים.התוצאה היא דור של חומרה שהוא בו זמנית יותר מחוספס, יעיל יותר, ומסוגל יותר מכל דבר שטס בתקופות אפולו או חלל.

מפתחת: Spacecraft Storage Hardware

מתוך "Fuck Drives to Flash": A Quiet Revolution

החללית הקדומה התבססה על מקליטי מגנטיים, בעוד שהם אמינים מבחינה מכנית, הם שקלו ק"ג, צרכו כוח משמעותי, ונקראו מהירות קריאה / טקס נמדדת ב-Klobits לשנייה.The Spaceעבורת, למשל, משתמשים בקלטות שמאוחסנים רק כ-100 מגה-בתים - פחות מתצלום סמארטפון נמוך ברזולוציה היום.

ה- pivot לזיכרון מצב מוצק החל עם זיכרון RAM סטטי (SRAM) עבור טלמטרי קריטי, אבל SRAM הוא תנודתי וכוח-הungry. במהלך שני העשורים האחרונים, זיכרון פלאש NAND הפך אמצעי האחסון הדומיננטי עבור החלל.עם זאת, השבבים שאתה קונה ב- SSD אינם מתאימים למסלול.

(ב) חברות כמו ⁇ :0) Teledyne e2vFIRLT:1 , (FLT:2BAE SystemsFLT 3, ו-FLT:4MicronirphFLT:5 עכשיו לייצר NAND פלאש מבוזר קרינה-Harded NAND מודולים.לדוגמה, FLT:6 Teledyne e2v12AQ600phir 7 זיכרון פלאש תוכנן כדי לשרוד מחסנים נמוך יותר מ-S)

מפתחת: MRAM, FRAM ו- RAM Resistive

פלאש NAND הוא לא המשחק היחיד בחלל.כמה טכנולוגיות זיכרון לא רצוניות אחרות צוברות מתח:

  • (ה-MAFLT:0 Magnetoresistive RAM (MRAM): ההרחבה של נתונים במדינות מגנטיות ולא מטען אלקטרוני.MRAM הוא בעל קרינת קרינה בלתי מוגבלת, ופועל מהר מאוד - מה שהופך אותו אידיאלי לאחסון קוד ה-חול ופרמטרים קריטיים של המשימה.
  • (ב) [ה]הזיכרון ה- RAM (FRAM: ⁇ : ⁇ 1] השתמש בגיריש חשמלי לאחסון נתונים.הוא בעל עוצמה נמוכה מאוד, מהירה ועמידה לקרינה.
  • (FLT:0) זיכרון RAM (ReRAM): ph1 עדיין מתפתח, ReRAM מבטיח הרבה יותר צפיפות אחסון גבוהה מאשר MRAM או FRAM תוך שמירה על סובלנות קרינה טובה.

לכל טכנולוגיה יש עצירות סחר בצפיפות, מהירות, סיבולת, ועלות, אבל יחד הם מאפשרים למעצבים לערבב ולתאימם סוגים של זיכרון כדי להתאים פרופילים של משימות.

תיקון ותיקון שגיאות

חומרה אחסון חלל אינה רק על תאי הזיכרון.החבילה חשובה באותה מידה.מודולים מוצצים בחבילות ממושכות קרינה, לעתים קרובות עם סיכות נוספות עבור ריצוף.רוב מכשירי אחסון שומנים בחלל משתמשים ב-FLT:0triple Modular Redundancy (TMR)FLT:1 ברמת המעגל, כלומר כל חלק מאוחסן בשלושה מקומות ורוב הצבעה קובע את הערך הנכון לקריאה.

תיקון שגיאות ברמת התוכנה הוא גם אגרסיבי הרבה יותר מאשר על כדור הארץ. SSDs מוטבעת החלל מעסיקה (FLT:0Reed-SolomoncioFLT:1 או FLT:2LDPC (Low-Density Parity-Check)FLT 3 קודים שיכולים לתקן עשרות שגיאות מעטות לקילוייט.

לפרטים נוספים על זיכרון קרינה, נאס"א:0 חלקים חשמליים ותכנית אריזה: 1 שומרת על מסד נתונים מקיף של רכיבים שנבדקו.

עיבוד חומרה: עליית המודיעין

מעבדי קרינה-הארוכים: מ-386 ל-ARM

הצורך במעבדים מהונדסים קרינה הוביל מסלול אבולוציוני מוזר. בעוד שמעבדי הצרכנים ארזו מיליארדי טרנזיסטורים לצומת צמיחות, מעבדי חלל משמשים לעתים קרובות ליתאוגרפיות גדולות יותר, כיוון שהם באופן טבעי יותר עמידים לאפקטים חד-אפילוטים.

(הראשונה ל-FLT) היה טלסקופי (FLT:0) ,001) (המבוסס על ארכיטקטורת PowerPC750), היה סוס העבודה של משימות נאס"א רבות מאז תחילת שנות ה- 2000-200 MHz ומספק בערך 0.7 MIPS (מיליוני הוראות לשנייה) ל-Meriוואט - אנמי לחלוטין בסטנדרטים של סמארטפונים, אך נבנה לעמוד ב-200 קרד וטמפרטורות מ -55 מעלות צלזיוס ל-125 מעלות צלזיוס:

(הופנה מהדף [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]],

FPGAs: Reprogrammable Brains for Space

מערך השערים הניתנים לחיזוי שדה (FPGAs) הפך הכרחי בחלליות המודרנית.בניגוד CPU בעל מטרה כללית, FPGA יכול להיות מוגדר לתוך מעגל דיגיטלי מותאם אישית מותאם למשימה מסוימת - תמונה, דחיסה, סינון או רשת עצבית בהקצאה. היתרון המרכזי הוא כי FPGAs ניתן לעצב מחדש במסלול באמצעות אלגוריתמים חלקית, המאפשרת להיות מעודכן לאחר ההשקה.

(הופנה מהדף [[1924]]]] ו[[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] ו[[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]] ו[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[[[1924]], [[1924]]]], [[[[1924]]]]]], [[1924]]]], [[[[1924]]]]]], [[[[1924]]]], [[[[1924]]]], [[[[1924]]]]]], [[[[1924]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]

FPGAs הם גם מרכזי רדיו מוגדר תוכנה (SDRs) בחלל, המאפשרים מודולציה גמישה ותכניות קידוד להסתגל לתנאי קישור מבלי לדרוש שינויים בחומרה.

AI Accelerators ו- Rise of Edge מחשוב בחלל

הגבול הבא הוא פריסת מודלים של למידת מכונה ישירות על החללית, במקום להעביר את כל הנתונים הגולמיים לכדור הארץ לניתוח, חללית עם יכולות AI יכולה לקצץ נתונים על לוח - מחיקת תמונות מחוספסות, זיהוי תכונות גיאולוגיות מעניינות, או אפילו לזהות מטרות של הזדמנות עבור מכשירים.

(האתגר הוא שרוב מאיצים AI (GPUs, TPUs, NPUs) אינם מיועדים לחלל.עם זאת, צ'יפס AI מבוהלים מיוחדים מקרינה:0Intel Myriad 203FLT 1 ו-FLT:2Myriad XFLT 3 הוטסו על משימות קובנט עבור סיווג אמיתי, RTFLT5GFlasted Power: 2FLT 5GFlasted:2Flasted:2D)

נאס"א (FLT:0)SCAN (Space Communications andניווט)FLT) תוכנית 1 של נאס"א מפתחת באופן פעיל FLT:2Fault-Tolerant AI AcceleratorFLT 3 המבוססת על ארכיטקטורה rad-hard-by-design.

ההשפעה הפוטנציאלית היא עמוקה.- Onboard AI יכול לאפשר משימה דומה ל-אירופה לזהות צנרת, להיגמל לעברם, ולתאים את הפרמטרים של כלי בזמן אמת – יכולת שהיא פשוט בלתי אפשרית כאשר lag אור אחד בכיוון עולה על 30 דקות.

מערכת אינטגרציה: Tying Storage and Processing ביחד

חומרת אחסון ועיבוד של כלי רכב היא מלאכותית; הקסם האמיתי מתרחש ברמת המערכת.אדריכלות של חלל מודרני להשתמש בחיבורים מהירים כמו FLT:0SpaceFibrecioFLT:1 (קישור סידורי של ג'יגהביט-פר-שני השני המיועד לחלל) לחבר מודולים אחסון, FPGAs, CPUs, וכלי רשת נתונים מאוחדת.

לדוגמה, מערכת עיכוב נתונים אירופית (EDRS) 1FLT משתמשת מסוף תקשורת לייזר עם מתג על לוח נתונים בזמן אמת ומאחסן אותו במערך פלאש rad-Hard.The המשולב ומערכת ההסתחררות מטפלות בשיעורי נתונים עד 1.8 Gbps - משהו שהיה דורש rack of Electronics לפני עשור.

יחידת העיבוד והתהליכים (CPU)IRLT:1 על ה-FLT:2Solar OrbitercioFLT 3) משלבת מעבד LEON3 עם מעבד של Xilinx FPGA ו-64 GB של אחסון פלאש מרד-רד-רדדרד.זה יכול לדחוס מסגרת תמונה מלאה של מכשיר ה-PHI (בערך 10) ל-1 MBGA, באמצעות גל מבוסס על ידי גל של אלגוריתם.

אתר האינטרנט של James Webb Space טלסקופ הנתונים של James

טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) מייצג את המצב הנוכחי של האמנות בטיפול בנתונים בחלל.(ה-FLT:0Solid State Recorder (SSR) LT:1 - שנבנה על ידי הנדסת ים - מחזיק ב-FLT:211512abytesFLT 3 של נתונים במערך NAND-rad-Hard.

ממשקי SSR עם מחשב RAD750 פועל ב -200 MHz.גם עם כוח עיבוד צנוע יחסית, JWST יכול לבצע עיבוד נתונים משמעותי על זבוב: זה ממוצע של מסגרות חשיפה מרובות, תת-קרקעית רקע השמיים, ומדחסחסס תמונות באמצעות ה-FLT:0 (Losless Multi-Component TransformFLT:1LT) התוצאה היא כי האלגוריתם של טלסקופים מדעיים רק כדי להפוך את הנתונים העמוקים ביותר ל-Dlinksless.

עבור מבט מעמיק יותר על מערכת הנתונים של JWST, הטלסקופ של המכון למדעי טלסקופ החלל:0.

כיוונים עתידיים: קוונטים, פוטוניקה, ו- Bio-inspired Storage

קצב החדשנות אינו מראה סימנים של להאטה.כמה טכנולוגיות עתידניות נעות ממעבדה לחומרת חלל אבטיפוס:

זיכרון קוונטי לאחסון מאובטח ויציבות גבוהה

זיכרון קוונטי, אשר מאחסן מידע במדינות הקוונטיות של אטומים או פוטונים, מציע ניתנות אחסון תיאורטית מיליוני פעמים גדול יותר מאשר זיכרון קלאסי. בעוד זיכרון קוונטי מבוסס חלל הוא עדיין רחוק שנים, ניסויים על ה-FLT:0 התחנה הבינלאומית חלליות חלליות FLT:1 (כגון FLT:2 NASA's Coldom LabFLT:3) מניחים את מבנה הקרקעי (כולל קישורי עמוק בין כדור הארץ למרחב).

Photonics ו- Optical Processing

קישורים אופטיים ומעבדי פוטוניים כבר מפותחים למרכזי נתונים ארציים.במרחב, קישורים אופטיים מציעים יתרונות רוחב פס עצומים על פני רדיו, אבל עיבוד פוטוניקה נשאר נוסנט. ESA's FLT:0 photonics InitiativeFLT:1 חוקר שבבים פוטוניים שיכולים לערבב נתונים ו routing עם צריכת חשמל אולטרה סגול.

מחשוב מעורר השראה ונומורפic

שבבי נוירומורפי מנסים לחקות את הארכיטקטורה העצבנית של המוח, עם סינפסות ונוירונים ספירת נוירונים.הצ'יפס האלה הם מאוד יעילים באנרגיה עבור משימות זיהוי דפוסים.ה-FLT:0Intel Loihi 2FLT:1 ו-FLT:2IBM True NorthFLT:3 נחקרים עבור יישומים בחלל, במיוחד עבור זיהוי מילולי בבית והתאמה רובוטית של שליטה רובוטית של נשק רובוטית.

מערכות הפעלה עצמית ומערכת יעילה

חומרה עתידית עשויה לכלול את היכולת לזהות באופן אוטונומי כישלונות ולהגדיר אותם מחדש. FPGAs עם מובנה מובנה-inFLT:0radiation IdentityזרקהFLT:1 ; בדיקות כבר יכול לנתב לוגיקה סביב בלוקים פגומים. חוקרים באוניברסיטת קליפורניה מפתחים FLT:2 עצמו-healating מעגלים דיגיטליים של LT 3 אשר משתמשים שערים חסונים ותוואי לתיקון אלגוריתמים זעירים במיקרו-אפילו השני.

מסקנה: המהפכה הבאה היא על הסיפון

חידושים בתחום אחסון נתונים חלליות וחומרת עיבוד אינם רק מצטברים; הם מאפשרים מושגים חדשים לחלוטין של שליחות.שילוב של אחסון פלאש סובלני קרינה, FPGAs מהיר במהירות גבוהה, מעבדי רב-core קרינה, ומאצים AI מתעוררים פירושו שחללית כבר לא צריכה להיות צינורות טיפשים חזרה לכדור הארץ.

היתרונות ברורים: עלויות למטה, החזרה מהירה יותר למדע, ואת היכולת להגיב תופעות בלתי צפויות בזמן אמת.עבור FLT:0ArtemisFLT:1 התוכנית, FLT:2 Mars Sample Returnof 3LT, ו- תחקירים עתידיים בין כוכביים, אלה חידושים חומרה הם גיבורים בלתי ונגישים שיגרמו מטרות שאפתניות למשימות בלתי ניתנות למשימות.

מאחר שערכי אחסון ממשיכים להגביר ולעבד גישות כוח של מכשירים צרכניים – תוך שמירה על אמינות מעצימת החלל – אנו נעים לעבר עתיד שבו מחשבת קובש יכולה לשאת את ההשוואה לסמארטפון של שנת 2020.