毅力號登陸火星—用過時的處理器征服紅色星球

作者 : Giovanni Di Maria

征服宇宙並不需要性能超強的處理器。看看美國NASA無人駕駛探測車「毅力號」如何憑著1997年的過時處理器架構以及抗輻射技術,安全可靠地登陸火星...

征服宇宙並不需要世界上功能最強大的微處理器。真正的秘訣在於充份利用該元件的運行特性,即使它有一點過時或者甚至性能也不是最優的。讓我們看看美國太空總署(NASA)的無人駕駛探測車「毅力號」(Perseverance)如何安全可靠地登陸火星。

NASA「毅力號」探測車成功登陸火星(來源:NASA)

人類向火星邁進一步

經過數百萬公里的飛行之後,NASA的「毅力號」探測車終於在2021年2月18日登陸火星表面。我們可以將這次事件視為一次歷史性的任務,因為,儘管距離遙遠、宇宙的環境嚴苛以及硬體薄弱,人類的裝置依然順利到達了這個紅色星球。值得注意的是,光平均在大約12分鐘的時間內傳播相同的距離。因此,收集無線電訊號、影像和資訊也需要花費相同的時間。

為了完成這項「不可能的任務」,NASA使用一款安裝於蘋果(Apple) iMac G3電腦中的處理器,它採用的是1997年的處理器架構——運算頻率僅200MHz,RAM記憶體為256MB。甚至在同級商用處理器系列中還稱不上是最快的處理器。

「毅力號」探測車於本月 18 日成功著陸火星表面(來源:NASA)

為什麼採用較低階技術?

作此選擇的背後自有其道理。飛機的設計人員更關心的是機載電腦的可靠性和耐用性,而不只是運算能力。簡單的智慧型手機通常執行地更快。前往火星的任務需要CPU始終處於工作狀態。輻射轟擊將會嚴重而且很輕易地損壞現代處理器的電子元件。另一方面,Apple第三代中央處理器G3則不至於被輻射破壞,而且還能夠承受強烈的輻射和溫度。

在地球上,你可以大幅提高處理器的速度,也不必擔心會出現任何問題。電氣、熱、大氣和電磁條件都十分舒適穩定,因為地球大氣層用堅固的防護罩保護著我們。然而,宇宙的情況卻大不相同。能量在100 MeV和1 GeV之間存在著巨大的功率輻射,它可能改變電路的功能,單個離子化的粒子對於處理器的影響就足以造成計算錯誤甚至嚴重的破壞。

速度慢但安全可靠

按照當今的標準來看,「毅力號」探測車中所使用的晶片速度較慢,但已能滿足所有可靠性的測試要求(參見圖1)。即使長時間暴露在輻射下也不會損害其功能。沒錯,在當今存在時脈頻率超過3 GHz的微處理器時代,速度僅200 MHz的G3處理器顯然難以存活。然而,或許更恰當的說法是:「緩慢而穩定的勝利」。

即使在嚴苛的條件下,高可靠性也是處理器最典型的特徵。這是一款專門設計的抗輻射版本,可以在-55℃到+125℃ (-67℉到+257℉)之間的溫度下運作,尤其是考慮到火星上的環境相當寒冷。此外,該款元件也很輕薄,能讓各種輻射穿透。BAE Systems製造的抗輻射單板電腦RAD750能夠安全地承受這些條件。

太空船的要求極其關鍵。節省幾毫米的空間或幾克的重量都是最基本的條件。記憶體維持在極低的容量,具有2 GB的快閃誋體、256 MB的可用RAM和256 KB的EEPROM即足矣。該處理器「僅」有1,040萬個電晶體,是當今智慧型手機的1,000倍。「毅力號」探測車中搭載了兩個大腦,其中一個大腦在第一個處理器出現問題時隨即啟動。

極其安全可靠的處理器。(來源:Apple)

感測器

「毅力號」探測車還配備了慣性測量系統(IMU),該系統提供有關其位置的3軸資訊,以執行精確的垂直、水平和橫向運動。連接到電腦的感測器記錄許多參數,例如溫度、電壓、太陽能電池的能量儲存和功率等,以確保所有的運作情況穩定。利用這些資料,就可以控制資訊交換操作、快照以及各種對探索新環境有用的指令。

結論

這並不是第一次使用這種類型的處理器。環繞在地球周圍的一百多顆衛星中,幾乎都使用了這款RAD100電腦,至今沒出現問題。時至今日,我們所使用的可攜式裝置(筆記型電腦、智慧型手機等)都具備超強的運算能力,而高度關鍵的太空探索則僅需用更少的資源即可成就「不可能的任務」。

(參考原文:Conquering Mars with an Outdated Processor,by Giovanni Di Maria)

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