Космические компьютеры научились чинить себя
История знает немало случаев, когда спутники или межпланетные станции терялись из-за отказа электроники. Обидно — дорогостоящая миссия проваливается из-за какой-нибудь копеечной микросхемы. Как хотелось бы инженерам очутиться в этот момент за миллионы километров от Земли, чтобы просто поменять испортившуюся деталь.
Может, и вправду нужно послать в безвестные дали астронавта-ремонтника с небольшим вагончиком запчастей? Такой путь повышения надёжности непилотируемой космонавтики давно придуман. В фантастике.
Юмористической.
В реальности же данным способом можно провести, пожалуй, только восстановление спутника на орбите. И то это будет редкая и сложная миссия (такая как предстоящий нынешним летом ремонт космического телескопа). Ещё можно припомнить, что недавно инженерам удалось построить автоматический спутник-ремонтник и даже проверить его в полёте.
Кевин Карр (Kevin Carr), один из авторов работы, подсоединяет радиоадаптер к компьютеру SCARS. Другие экспериментальные платы видны на заднем плане (фото Matt Brailey).
Ну а если речь идёт о поломке аппарата, работающего на Марсе, или того дальше – у Юпитера? Ничего не остаётся, кроме как надеяться на дублирование важных систем, в том числе – электроники.
Такое решение используется с самого начала освоения космоса. Но это приводит к росту массы корабля или спутника. Да и не всегда помогает.
Если же вы хотите уменьшить размеры зонда-исследователя (помните межпланетный корабль размером с копейку?), «лишние» микросхемы вам будут совсем некстати.
Есть ли другие варианты?
Можно вспомнить радиационно-устойчивый компьютер оригинальной архитектуры, в идеологию которого заложено то же дублирование, хотя и с новыми нюансами.
Однако есть иной подход, на дублирование похожий, но всё же не идентичный ему.
Акойлу, уроженец Турции, занимается реконфигурируемыми компьютерами много лет. Он подал заявки на три патента, связанные с аппаратами типа SCARS (фото с сайта ece.arizona.edu).
Доцент Али Акойлу (Ali Akoglu) из университета Аризоны (University of Arizona) и его студенты, совместно со специалистами компании Ridgetop Group, построили несколько экспериментальных компьютеров, способных диагностировать отказы в собственной аппаратной части и перестраиваться для продолжения работы.
По мнению Акойлу, бортовые компьютеры с самодиагностикой и аппаратной реконфигурацией могут придать очень высокую надёжность космическим миссиям.
Работа над этим проектом началась в 2006-м году. Студенты Акойлу, составившие описание такой системы (в качестве выпускной работы), сумели заинтересовать NASA и получить грант в размере $85 тысяч.
Теперь Али и его помощники демонстрируют первые результаты работы. Они спроектировали и построили весьма необычные компьютеры, отталкиваясь от давно известной, но специфической архитектуры, называемой многократно программируемыми вентильными матрицами (Field Programmable Gate Arrays — FPGA).
Последние представляют собой набор логических элементов, устроенный так, что при помощи специального софта его можно превратить едва ли не в любую схему. Обычно FPGA используют лишь при разработке чипов, то есть в качестве тестовых прототипов. Они очень удобны для поиска окончательного облика микросхемы.
Ведь вместо постройки нескольких вариантов «железа», тут нужно всего лишь реконфигурировать один чип FPGA.
Американцы же предложили схему такого рода применять в качестве основного компьютера. Разумеется, с рядом уточнений.
В основе схем нового типа Али (на этом снимке он — слева) и его «бойцы» положили такие принципы, как врождённый параллелизм на функциональном уровне и рациональную маршрутизацию (с минимизацией числа и длины связей) (фото с сайта ece.arizona.edu).
Тут нужно сделать небольшое отступление. В мире компьютеров известно два больших типа (или класса) схем (процессоров, чипов) — универсальные (такие как центральный процессор PC) и специализированные. Первые могут отрабатывать любые программы, но не так уж быстры. Даже двухъядерные с 3 гигагерцами тактовой частоты.
Во всяком случае — в сравнении со специализированными схемами. Последние пусть и могут выполнять только одну задачу, но зато — на аппаратном уровне и очень-очень быстро.
Скажем, это может быть чип, преобразующий аналоговый сигнал с микрофона в цифровой. Больше он ничего делать не сможет, но уж эту работу проделает на огромной скорости.
Акойлу говорит, что на основе архитектуры FPGA можно создать компьютер, лежащий где-то посередине между первым и вторым типом схем, перенимающий у обоих их достоинства. То есть такой комп, который мог бы выполнять большое количество разных задач, но на аппаратном уровне.
И главное — он мог бы использовать преимущества FPGA для самозалечивания. Али назвал эту архитектуру SCARS (Scalable Self-Configurable Architecture for Reusable Space Systems) — «масштабируемая самоконфигурируемая, для многоразовых космических систем».
Это слова. А вот и дела. Пять таких компьютеров уже проходят тесты в университете.
Создатели SCARS считают, что такие схемы могут пригодиться не только в космосе, но и на Земле, в частности для выполнения ресурсоёмких научных вычислений (геофизика, биология и так далее), а также — для обработки мультимедиаконтента. В таких областях новые машины могли бы ускорить выполнение ряда задач в 10-100 раз, пишет Акойлу. На картинке показана структура потока артериальной крови, полученная численным моделированием (иллюстрация Texas Advanced Computing Center).
Если какая-либо часть такой схемы ломается, машина сама выявляет отказ и проводит реконфигурацию системы, чтобы продолжить выполнение всех программ.
Интересно также, что все пять схем связаны между собой по беспроводной сети. Нужно это вот зачем. По замыслу Акойлу, каждая схема может управлять одним аппаратом (напримермарсоходом) из группы, высадившейся в одном районе.
Если компьютер в одном из роверов выявляет столь серьёзную поломку, что её нельзя будет «залечить» в рамках возможностей SCARS, он запросит помощь у собратьев, и те возьмут на себя часть программ, исполняемых «захворавшим» компьютером, отсылая по радио результаты.
К примеру, одно из колёс сломавшегося марсохода может управляться «мозгом» соседней машины. Тоже и с приборами, системами связи с Землёй.
Если неустранимый дефект выявится в компьютерах двух аппаратов из пяти, управление всеми машинами возьмут на себя компьютеры оставшихся трёх. Причём для такой реконфигурации машинам не понадобятся никакие команды с Земли — они сами примут решение о перестройке работы своих схем.
На этом лаборатория реконфигурируемых компьютеров (Reconfigurable Computing Laboratory), ведомая Акойлу, останавливаться не собирается.
Сейчас её кремниевые «воспитанники» научились диагностировать отказ и выбирать конфигурацию системы, способную обойти дефектный участок. А в будущем SCARS смогут (используя статистические методы и анализ ошибок) заблаговременно предсказывать отказ какого-либо из собственных узлов и проводить «залечивающую» реконфигурацию до того, как произойдёт сбой.
Такие «мозги» смогут работать без сбоев очень долго, что весьма пригодится в научных миссиях к внешним окраинам Солнечной системы. Если работа Али завершится успехом, в таких полётах нам больше не придётся полагаться на везение и случай.
И, что приятно, у нас всегда останется вариант с отправкой живого ремонтника.
