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, Vesmír, Počítače, Technologie, Čipy, Astronomie, Cestování, Štít, Kapsle, Orion, Velký dosah, Proton, První satelit, Crew, Astronaut, Podobná cesta, Malý satelit, Dnešní čip, Pole Země, Elektron, Čip, Úzký paprsek, CES

Určitě si přečtěte

Velká podzimní aktualizace Windows 10 je tady: Co přináší Fall Creators Update

Velká podzimní aktualizace Windows 10 je tady: Co přináší Fall Creators Update

** Po půl roce je tu další aktualizace Windows ** A opět přináší hlavně hromadu drobných kosmetických vylepšení ** Podívali jsme se na ty nejzajímavější

17.  10.  2017 | Jakub Čížek | 185

Budoucností Windows 10 je Fluent Design. Takto bude jednou vypadat celý systém

Budoucností Windows 10 je Fluent Design. Takto bude jednou vypadat celý systém

** Fluent Design je vzhled, do kterého postupně Microsoft převleče celý systém ** Staví na průhlednosti a velkých plochách ** Do Windows 10 se z části dostane už zítra při vydání podzimní aktualizace

16.  10.  2017 | Stanislav Janů | 155

Jak funguje největší akumulátor v Česku: podívejte se do elektrárny Dlouhé Stráně

Jak funguje největší akumulátor v Česku: podívejte se do elektrárny Dlouhé Stráně

** Přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé stráně je obdivuhodné technické dílo ** Stejná turbína vyrábí elektřinu i tlačí vodu zpět do horního jezera ** Strojovna elektrárny je zabudována v podzemí

19.  10.  2017 | David Polesný | 17

Nejlepší optické iluze: Z toho vám půjde hlava kolem

Nejlepší optické iluze: Z toho vám půjde hlava kolem

** Mozek se nechá snadno ošálit, a to mnoha způsoby ** Podívejte se na několik nejlepších optických iluzí ** Iluze dokazují, že vnímání reality může být značně zkreslené

16.  10.  2017 | Vojtěch Malý


Aktuální číslo časopisu Computer

Nový seriál o programování elektroniky

Otestovali jsme 17 bezdrátových sluchátek

Jak na nákup vánočních dárků ze zahraničí

4 tankové tiskárny v přímém souboji