Procesory | Perseverance

Šestikolku Perseverance pohání prehistorický procesor. Podobný měl i Apple iMac G3

  • Rover pohání prehistorický čip PowerPC 750, prolétlo internetem
  • Ve skutečnosti je to složitější, je to jeho kosmická verze
  • Jmenuje se BAE RAD750 a příliš nezestárnul

Marsovský dron Ingenuity budí pozornost běžnými a levnými komponentami, ze kterých jej poskládali v laboratořích NASA JPL. Pomineme-li rozměrné karbonové listy rotorů a FPGA armádních parametrů, amatérský stavitel kvadrokoptér by si něco podobného skutečně složil dohromady i ve své vlastní dílně.

Jak je na tom ale samotný rover Perseverance? V posledních dnech prolétla technologickými weby zprávička, že jej pohání procesor ze stařičkého počítače Apple iMac G3. To je ten ikonický, který spojujeme s návratem Steva Jobse do firmy, a který stál na počátku cesty Applu zpět na vrchol. Co je na tom pravdy?

9c96732f-350d-4cf8-ac4d-f40c4ec9911d
Apple iMac G3

Původní iMacy z roku 1998 poháněl 32bitový procesor architektury PowerPC 750, který tehdy vyráběly fabriky IBM a Motorola. Na přelomu století se čip dočkal hromady revizí a postupného zvyšování výkonu, když bychom se ale na něj podívali optikou dnešních benchmarků, lehce překonával tehdejší Pentium II a potřeboval k tomu o něco méně elektrické energie.

IBM Federal Systems Divison

No dobrá, ale co má platforma PowerPC od IBM společného s lety do kosmu a na Mars? Prakticky všechno. IBM, respektive její Federal Systems Division, totiž byla desítky let dvorním technologickým dodavatelem NASA, ministerstva obrany, NSA a dalších federálních agentur. Její počítače poháněly mise Apollo, rakety Saturn a nakonec i většinu kosmických sond. Bylo tedy vcelku přirozené, že volba padala i na vlastní architektury stále pokročilejších integrovaných obvodů.

Části FSD se v 90. letech postupně dostaly pod křídla vesmírné Loral Corporation, následně Lockheed Martin a nakonec skončily v arlingtonské BAE Systems.

Chcete k Marsu? Dejte do toho RAD6000

Omlouvám se za historické okénko, nicméně je podstatné, právě v IBM, Loral a následně BAE se totiž zrodila odvozená řada čipsetů pro speciální průmyslové použití RAD. V roce 1997 to byl RAD6000 s pracovním taktem do 33 MHz, instrukční sadou POWER1, výpočetním výkonem okolo 35 MIPS a 128 MB RAM s armádní úrovní ochrany ECC proti ztrátě dat.

e4c64073-9e6f-468c-8343-0f45f73422b0
Procesor pro  rakety RAD6000

Odolný byl ostatně celý procesor, aby mohl sloužit i v nejnáročnějších podmínkách kosmu, urychlovačích částic nebo třeba v kritických obvodech jaderných reaktorů. Vyšší ochranu před radiací v takovém případě zpravidla zajišťuje odlišný výrobní proces, robustní stínění, redundance obvodů i celých funkčních bloků a právě pokročilé techniky ECC.

RAD6000 sloužil díky svým parametrům a kontraktům sahajícím hluboko do minulosti na hromadě misí NASA včetně těch, které mířily k rudé planetě. Našli byste jej na sondách Mars Odyssey, Mars Polar Lander, Mars Climate Orbiter a konečně také v zařízeních mise Mars Exploration Rover, která zkraje roku 2004 dopravila na marsovský povrch šestikolky Spirit a Opportunity.

300 tisíc dolarů

Stručně řečeno, na přelomu století byl RAD6000 v podstatě synonymem univerzálního kosmického procesoru, na kterém zpravidla běžel RTOS VxWorks, tedy real-time operační systém pro instrukce, které se musejí zpracovat okamžitě a bez čekání, což je do jisté míry protipól toho, jak fungují běžné operační systémy v našich domácích desktopech, laptopech a mobilních telefonech, kde naopak musejí v jeden okamžik běžet i stovky dílčích procesů a přepínáním bojovat o kus procesorového času bez záruky, kdy na ně přesně dojde řada.

RTOS systémy včetně VxWorks samozřejmě také umějí multi-tasking, nicméně s velmi rychlým přerušením při zachování principů real-time operací, kde jde o každou mikrosekundu.

A jen tak na okraj, kdybyste si tehdy chtěli jeden takový RAD6000 také pořídit, přišlo by vás to na dobrých 200-300 tisíc dolarů. Není divu, jedná se v podstatě o zakázkovou výrobu přímo pro účely několika málo federálních odběratelů.

BAE Systems RAD750

RAD6000 byl velmi populární, do vesmíru se dostalo několik set exemplářů, v jeho stínu se už ale na sklonku 90. let pomalu rodil hrdý nástupce RAD750. Na scénu se dostal v roce 2001 a s pracovním taktem 110-200 MHz a výkonem 266 MIPS překonával svého předchůdce prakticky desetinásobně.

354e0860-7e1a-40b1-a10c-3bfe812dab23
RAD750 s mikroarchitekturou PowerPC 750 je dodnes jedním z nejrozšířenějších CPU pro dlouhé vesmírné mise. Přitom má za sebou více než 20 let.

Pro nás je však ještě podstatnější, že sedmsetpadesátka používala instrukční sadu PowerPC v1.1 a mikroarchitekturu PowerPC 750. Právě proto ji mnozí srovnávají s procesorem v nitru Apple iMac G3, byť se v praxi jedná přece jen o dva odlišné produkty.

RAD750 je průmyslový mikropočítač navržený pro běh real-time operačních systémů za ztížených radiačních podmínek. Samotný čip absorbuje bez poškození až 10 000 Gy a standardní základní deska od BAE se všemi dalšími komponentami zhruba desetinu. Jen pro srovnání, výpočetní tomograf (CT) při snímkování břicha nebo pánve vytvoří radiační dávku v řádu jednotek mGy.

Curiosity zachránil záložní počítač

Byť má za sebou RAD750 už dlouhých 20 let (i když se dočkal hromady revizí), vzhledem ke svému speciálnímu určení nijak nezestárnul a v roce 2011 odstartoval také na palubě mise Mars Science Laboratory. My ji dnes známe spíše pod názvem jejího roveru Curiosity.

45c89f26-d468-4e4c-8962-1de55099acf9
Šestikolka Curiosty má jako první sonda na Marsu dva identické počítače. Vyplatilo se to, kvůli chybám v operační paměti mezi nimi totiž musela přepínat.

Šestikolka přistála na Marsu 6. srpna roku 2012 a o její úspěchy se postaral právě 200MHz BAE RAD750 s 250 MB RAM a 2 GB flashového úložiště, na kterém běžel nám už dobře známý RTOS systém VxWorks.

Jak už jsme si řekli výše, tyto procesory mají vlastní jištění proti radiaci, extrémním teplotním podmínkám a redundanci proti selhání, no a na ni samozřejmě mysleli i v NASA, a tak Curiosity disponuje rovnou dvěma identickými počítači Side-A a Side-B. Přišlo to vhod, po celou dobu mise se totiž šestikolka potýká s chybami v operační paměti, a NASA tak několikrát překlopila řízení z jednoho počítače na druhý.

Perseverance má stejný počítač jako Curiosity

Před pár týdny doputovala k rudé planetě konečně i mise Mars 2020 a do prastaré nivy kráteru Jezero zanesla nejnovější šestikolku Perseverance a maličkou helikoptéru Ingenuity přisátou na jejím pupku.

da812f52-c1b5-4475-866d-0d49f402845c
Perseverance má dva mozky RCE, kdyby jeden selhal

A jelikož je Perseverance ve své podstatě evolucí Curiosity, mají oba stejné počítače RCE (Rover Compute Element) a v jejich nitru 200MHz RAD750 s 256 MB RAM a 2 GB flashové paměti pro operační systém.

I tento rover tedy pohání dvojice centrálních procesorů od BAE Systems, přičemž jeden slouží jako hlavní výpočetní jednotka a druhý čeká na případné komplikace. Jsou naprosto identické a po resetu může nastartovat jakýkoliv z nich. I z tohoto důvodu mají mnohé instrumenty na sondě vlastní paměť, která je opět nezávisle dostupná z obou mašin.

20 let starý procesor s autopilotem

RAD750 a operační systém VxWorks se musejí postarat o všechny výpočetní úkoly, které jsou přitom stále náročnější. Perseverance je například vyzbrojená ohromnou dávkou autonomie, aby mohla kvůli zpoždění rádiového signálu ze Země (5-20 minut podle vzájemné polohy) plnit všechny úkoly.

03041dbb-a760-499b-9cbc-4ebdb41e0da7
Perseverance obsahuje autopilota, který vypočítá nejbezpečnější trasu terénem

Autonomní plánovací systém (PDF) na palubě proto dokáže analyzovat různé varianty pohybu z bodu A do bodu B, přičemž se umí sám rozhodnout pro ten nejefektivnější. Autopilot zároveň umí automaticky vyhledávat místa, na kterých pak Perseverance odebere vzorky a provede jejich analýzu. To vše bez potřeby lidského zásahu. RAD750 všechny tyto operace zpracuje v řádu jednotek sekund až minut.

Mobilní čipset Snapdragon v nitru laciné helikoptéry Ingenuity by to paradoxně spočítal mnohem rychleji, ta však není pro přežití mise tak důležitá, a tak mohli inženýři JPL trošku zariskovat a zvolit běžně dostupné obvody za zlomek ceny a s řádově vyšším výkonem.

Nejen na Marsu, ale i v družicích GPS

BAE RAD750 postupně nahradil svého předchůdce, a tak jej dnes najdete také v klíčové družici MRO, která se stará o komunikaci Marsu se Zemí, a v hromadě dalších výzkumných sond NASA z posledních let. Rodina RAD nakonec pohání také nejnovější várku satelitů GPS (Block III) a mnohé další.

184c5b29-944c-42b7-89a7-64158830d47d
Pro cesty k Marsu zvolte System-on-Board RAD750 3U, k Neptunu ale raději 6U-160

Suma sumárum, pokud byste chtěli z toho remízku za obcí odpálit vlastní raketu se sondou ke vzdáleným planetám, sedmsetpadesátka v nejrobustnější protiradiační verzi bude ideálním řešením. Připravte si ale pár milionů korun a patřičná exportní oprávnění od amerických úřadů, toto totiž na AliExpressu opravdu nekoupíte.

Mimochodem, BAE už má v nabídce i jeho nástupce – procesory z rodiny RAD5500 (PowerPC e5500), které splňují všechny dnešní požadavky na výkon. Abychom byli konkrétnější, takový RAD5545 při příkonu okolo 20 W spočítá až 3,7 GFLOPS. S takovou bude moci jednou NASA na Marsu těžit i Bitcoin.

Diskuze (21) Další článek: Nová technologie rozpohybuje fotky. Lidé se na nich budou smát a kroutit hlavou

Témata článku: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,