Ochrana čipů pro vesmírné cestování

První lidská posádka by se měla na Mars dostat do roku 2030. I když je ochrana kosmonautů důležitá, stejně důležitá je ochrana samotných čipů a počítačů, které vše řídí.

Běžně používané čipy v telefonech, mobilních zařízeních a dalších místech nejsou vybavené žádnou ochranou proti vysokoenergetickým částicím, které bombardují naši Zemi neustále. Chyba počítače tak nemusí být vždy kvůli návrhu hardwaru nebo softwarovu, jediná částice dokáže totiž ovlivnit i tisíce elektronů.

I když je na Zemi taková šance malá (většinu vysokoenergetických částic zachytí magnetické pole Země a atmosféra), statisticky nejde o nic nemožného. S nástupem menší a menší výrobní technologie jsou navíc čipy stále náchylnější na podobné vlivy, takže stejné nebezpečí bude nutné řešit i na Zemi.

Současné  čipy jsou založené na elektronech a poměrně přesně řízenému toku elektrické energie, i extrémně malé ovlivnění může změnit byť jedinou nulu na jedničku a způsobit problém. Částečnou ochranou jsou vybavené třeba paměti ECC, které dokáží základní chyby korigovat.

Jak to ale funguje u čipů, které míří do vesmíru?

Ochrana čipů určených pro zařízení mířící do vesmíru, má dvě základní rozdělení. Prvním stupněm jsou čipy pro satelity a zařízení, která obíhají kolem Země. I když už není elektronika chráněná atmosférou, stále ještě spoustu vysokoenergetických částic zachytává magnetické pole Země, které má poměrně velký dosah.

Klepněte pro větší obrázek
Slunce a magnetické pole Země (Zdroj. NASA)

Pro cestu do vesmíru je ale situace jiná. Není k dispozici žádné externí magnetické pole, takže čipy musí mít mnohem lepší ochranu. Vysokoenergetické částice mohou v takovém případě nejen ovlivnit chod a způsobit zaseknutí hlavního systému, ale také nenávratné poškození čipu.

Pro zařízení určená do vesmíru se tak vždy používají starší čipy, kteé jsou ještě vyráběné starší technologií zahrnující větší tranzistory. Menší tranzistory totiž znamenají větší náchylnost a ovlivnění i méně nabitými částicemi. Výrobci čipů to řeší několika způsoby.

Klepněte pro větší obrázek
Detail ochranné vrstvy čipu proti vysokoenergetickým částicím (Zdroj: Wikipedia)

Architekturu čipů lze vylepšovat a vytvářet redundantní obvody i uvnitř samotného čipu, základní ochrana je tak už v samotném logickém obvodu. Lze pochopitelně zvolit i odolnější materiály a více vrstev chránící proti vysokoenergetickým částicím. I přes tyto ochrany ale občas částice proniknou, takže je nutné s chybami počítat nejen v hardwaru, ale i v rámci softwaru.

Ochrana se přitom týká všech čipů – jak výpočetních jako jsou procesory, tak i pamětí jako je operační paměť nebo SSD.

Cyklotron pro testování a výzkum odolnosti čipů

Ještě než se čipy pošlou do vesmíru, je nutné je pořádně otestovat a případně ještě upravit pro lepší odolnost. Testování probíhá třeba laboratořích Berkeley, kde mají k dispozici 88palcový Cyklotron (informace o zařízení na Wikipedii). Tento přístroj je forma urychlovače částic a je schopen generovat velmi úzký paprsek protonů, které mají podobné vlastnosti jako třeba protony letící ze Slunce (až 85 % všech částic), ale také kosmické paprsky ze vzdálených míst (alfa částice).

Klepněte pro větší obrázek
88palcový Cyklotron v laboratořích Berkeley

Testované čipy se umístí do dráhy paprsku a dochází ke sledování chování čipu v reálném čase. Inženýři mohou zkoumat různé hodnoty energie částic, právě dle toho, jak daleko od Země má čip namířeno.

Tvůrci návrhu procesoru i programátoři použitého operačního systému tak mohou získat data o tom, jak se čip při těchto událostech chová a ještě vylepšit případnou ochranu. Pokud i přes všechny stupně ochrany dojde k chybě, dochází k případnému restartování celého počítače.

U satelitů to zas takový problém není, maximálně někomu chvilku nepůjde komunikace nebo televize. Ale u lodi s lidskou posádkou, která má namířeno na dlouhou cestu na Mars a bude muset poměrně dlouho přežít jak na cestě tam, tak i na Marsu, je to mnohem větší problém, který může zabíjet.

Kromě několika druhů ochran v rámci architektury, štítů čipů i softwarovu se tak při cestě na Mars počítá s použitím rovnou tří samostatných počítačů, které jsou schopné řídit vše. Jakmile dojde k poškození jednoho z nich, který se bude muset případně restartovat, automaticky dojde k přepnutí na druhý případně třetí počítač. Restart trvá přibližně 20 sekund, rychlost spuštění je v tomto nasazení kritickou záležitostí.

Zajímavostí je, že zmíněný Cyklotron v laboratořích Berkeley byl postaven už v 70. letech a použitý zdroj záření patří mezi nejvýkonnější na planetě. Inženýři zařízení postupně vylepšovali, dnes jsou schopni paprsek 10 × 10 mikronů velmi přesně usměrňovat a do roka by tento Cyklotron měl být schopen bombardovat čipy i s paprskem s velikostí pod jeden mikron.

Orion a příprava na Mars

NASA už testuje vesmírnou kapsli Orion (Multi-Purpose Crew Vehicle), která byla vypuštěná v rámci tetu bez posádky minulý rok, ale je připravená až pro čtyři astronauty.

Klepněte pro větší obrázek

Podobně jako je to u dnešních čipů, lze při finálním vypuštění očekávat použití výrobní technologie staré deset či více let. Čipy použité v systémech lodi letící s prvními lidmi na Mars, tak budou nejspíše používat výrobní technologii dneška. A už dnes je potřeba vyvinout vše pro to, aby první lidská mise na Mars dopadla úspěšně a snížila se většina rizik, která se vyskytují všude.

Jak už jsme ale naznačili, s budoucími pokročilými čipy bude nutné řešit podobnou ochranu i pro zařízení na Zemi.

Témata článku: Hardware, Technologie, Počítače, Čipy, Vesmír

29 komentářů

Nejnovější komentáře

  • Walkeer_CZ 14. 9. 2015 14:57:13
    no a treba SpaceX pry pouziva uplne normalni cipy, zadne ultra drahe...
  • dolph1888 14. 9. 2015 10:26:33
    Ano to je dobře a supravodivost je navíc ve vesmíru dobře dosažitelná,...
  • shadow_warior 14. 9. 2015 7:34:58
    pro let na mars to chce diskovou lod tak 500m v prumeru min kde se...

Určitě si přečtěte


Deset tipů, jak ovládnout Google: Vyhledávejte jako mistři

Deset tipů, jak ovládnout Google: Vyhledávejte jako mistři

** Vyhledávače jsou natolik dobré, že si poradí i s frází v běžné češtině ** Pokud to ale nebude stačit, můžete vyzkoušet pokročilé funkce ** Vybrali jsme ty nejzajímavější

25.  9.  2016 | Jakub Čížek | 17

9 nejlepších programů na úpravu fotek. Placené i zdarma

9 nejlepších programů na úpravu fotek. Placené i zdarma

** Pro běžné úpravy fotek nemusíte pirátit Photoshop, vystačíte si s levnějšími programy ** Ceny pokročilých editorů se většinou vejdou do dvou tisíc korun ** Mnohdy stačí i bezplatné nástroje

Včera | Stanislav Janů | 34

Pojďme programovat elektroniku: Vyzkoušíme IR, ovládneme světýlko přes Bluetooth a vyšleme zprávu na sto metrů

Pojďme programovat elektroniku: Vyzkoušíme IR, ovládneme světýlko přes Bluetooth a vyšleme zprávu na sto metrů

** Budeme odposlouchávat IR ovladač klimatizace ** Vyrobíme laciný rádiový vysílač ** Vyzkoušíme komunikaci pomocí Bluetooth a v pásmu 433 MHz

21.  9.  2016 | Jakub Čížek | 19

Jak zastavit nechtěné programy na Windows? Koukněte na Plánovač úloh

Jak zastavit nechtěné programy na Windows? Koukněte na Plánovač úloh

** V systému se mohou periodicky spouštět nechtěné aplikace ** Anebo si vyberou tu nejméně vhodnou chvíli ** Prozkoumejte Plánovač úloh na Windows

23.  9.  2016 | Jakub Čížek | 127


Aktuální číslo časopisu Computer

Srovnání výhodných 27" monitorů

Velký test levných rychlých routerů

Jak nastavit Android, aby vás nesledoval

45 podrobných testů a recenzí