Нашому шановному гостю, програмісту 1С, яка вважає, що «космічної» електроніки не існує, присвячую цей топік)
Свого часу компанія United Space Alliance (USA), що відповідає за експлуатацію комп'ютерів на борту Міжнародної космічної станції (МКС), оголосила про те, що операційна система (ОС) Windows XP фірми Microsoft, встановлена на робочих ноутбуках станції, буде замінена на Debian 6 - один з дистрибутивів Unix-подібної ОС, заснованої на ядрі Linux та відповідних положень до вільного програмного забезпечення (ПО) з відкритим вихідним кодом. «Міграція ключових операцій з Windows на Linux треба було тому, що нам потрібна стабільна і надійна ОС, що дає контроль над тим, що відбувається всередині станції, - заявив Кейт Чува (Keith Chuvala), менеджер з USA. - З її допомогою ми самостійно зможемо щось виправити, змінити або адаптувати тоді, коли це буде потрібно ».
Частина комп'ютерів на борту станції вже працює під управлінням різних дистрибутивів Linux, таких як RedHat і Scientific Linux. Крім того, повідомляється, що на «Лінукс» працює спеціалізований андроїд Robonaut-2, який покликаний допомагати екіпажу виконувати рутинну і / або небезпечну роботу як на самій станції, так і у відкритому космосі. Експерти підкреслюють, що після міграції на МКС не залишиться жодного комп'ютера, що працює під Windows.
Linux Foundation - некомерційний консорціум розвитку даної ОС - підготував кілька тренінгів з розробки та експлуатації ПЗ під Linux спеціально для екіпажу МКС і наземних команд. За словами чував, підготовлені матеріали припали до душі: «Спочатку я переживав, що наші технарі занудьгують. Цього не сталося, навпаки, людям було цікаво! »
Електроніка «ні з полиці»
Радіаційна стійкість особливо критична для сучасних великих (ВІС), надвеликих (НВІС) і гібридних великих (ГВІС) інтегральних схем. Справа в тому, що при щільному розміщенні напівпровідникових елементів на кристалічній підкладці практично неминуче поразку частини з них при попаданні в інтегральну схему заряджених частинок. У кращому випадку відбудеться усувний збій, а в гіршому схема буде просто спалена. Наприклад, при невеликій (скажімо, 5-10 на квадратний міліметр мікросхеми) щільності елементів майже всі радіаційні частинки пролетять мимо. Але при щільності монтажу в сотні, тисячі або мільйони елементів на квадратний елемент частина останніх неминуче буде порушена.
Іноді захиститися від радіації можна екрануванням, але найчастіше це може викликати зворотний ефект: «бомбардування» високоенергетичними частинками викликає цілий феєрверк вторинних частинок, вибитих з екрану і володіють більш низькою енергією, якої, проте, вистачить для знищення елементів ІС.
Той факт, що для космічного застосування важлива не тільки (і не стільки) обчислювальна потужність, скільки надійність, можна проілюструвати так. МКС налічує більше сотні складних електронних систем, які забезпечують управління руховими установками, панелями сонячних батарей, роботизованою техніки і безлічі інших функціональних пристроїв станції. Основою всіх цих комп'ютерів донині є ... процесор Intel 386: до моменту початку розробки орбітальної станції даний «камінь» якраз відповідав найвищим рівнем продуктивності при відсутності графічних інтерфейсів користувачів, а мікронних техпроцес дозволяв не використовувати конвективное (повітряне або рідинне) охолодження для процесора. При цьому невисока щільність елементів в мікросхемі дозволяє сподіватися на підвищену стійкість до впливу актуальних зараз високоенергетичних частинок.
Бортові комп'ютери МКС зовсім не схожі на земних побратимів: вони збираються в стандартизованих корпусах (крейти), які за допомогою особливих інтерфейсів підключаються до магістральної-модульною системою. Дана технологія вибрана не випадково: в місцях підвищеного впливу радіації (особливо зовні) навіть із застосуванням описаних вище заходів, обчислювальна техніка відмовляє дуже часто - в середньому за рік на станції доводиться міняти близько двадцяти її одиниць. Крім того, більшість крейти додатково забезпечені чіпами, які виконують певну роботу. Наприклад, в центральному посту управління космічні «десктопи» оснащені математичним співпроцесором, збільшеним об'ємом пам'яті, а також додатковим - аварійним - блоком живлення.
Надійність і довговічність космічної електроніки залежить від багатьох факторів і забезпечується різними способами, зокрема, якістю вихідних матеріалів, проектування і виготовлення ЕБ, наявністю і ступенем резервування. Не менш важлива якість інтеграції електронних компонентів і грамотне рішення проблеми їх електромагнітної сумісності.
Ефективний захід підвищення надійності і живучості - багаторазове резервування ключових компонентів. Однак цей спосіб не завжди виправданий, оскільки вимагає додаткових (найчастіше позамежних) витрат маси і енергії. В даний час не менш ефективна алгоритмічна захист від збоїв. Сучасна електроніка дозволяє вирішувати завдання виходу з аварійних ситуацій шляхом перепрограмування окремих блоків, або знаходження «обхідних» шляхів передачі сигналів. Якщо стався збій, і алгоритм побудований так, що може відновити систему, то відмова буде «м'яким», особливо якщо в паралель працює кілька каналів. «Жорсткий» відмова відбувається тоді, коли електронний компонент взагалі виходить з ладу, поглинувши таку кількість енергії, який є незворотнім змінює його внутрішню структуру - він просто перестає працювати.
Всі без винятку заходи, спрямовані на підвищення надійності і довговічності ЕБ, призводять до того, що космічна електроніка багаторазово дорожче споживчої, промислової і навіть військової. Ще більші труднощі в отриманні найкращих компонентів ЕБ виникають і тому, що держави, традиційно стоять на передових позиціях в даній області - Сполучені Штати і Європа - роблять певні кроки юридичного характеру, спрямовані на обмеження експорту космічної електроніки.
Шукаємо вихід ... в магазині
З огляду на дорожнечу і труднощі отримання космічної ЕБ, розробники супутників не залишають надій використовувати в своїх проектах комерційно доступну * електроніку. На більшості «кубсатов», ряді малих космічних апаратів (КА) «університетського» класу і дуже невеликої частини наукових і / або технологічних супутників стоїть саме таке ЕБ: вона, справді, недорога, легкодоступна, порівняно надійна, її характеристики відомі і « повторювані ». Зворотний бік медалі в тому, що при її застосуванні доводиться миритися з невисоким ресурсом і можливими раптовими відмовами КА.
- «Конс'юмерскую», або, як її ще називають, «взяту з магазинної полиці» COTS (Commercial Off-The-Shelf)
На жаль, в силу ряду причин (в тому числі явно кон'юнктурного характеру) судити про ефективність таких кроків дуже складно. Відомо лише, що певних успіхів в цьому напрямку досягли японці з експериментальними апаратами серії SERVIS (Space Environment Reliability Verification Integrated System).
За останні два десятки років ринок запропонував величезний вибір ноутбуків. Шляхом селективного складання і спеціального тестування можна вибрати партію «гаджетів», на які в принципі можна буде покластися на орбіті. Тут є свої особливості.
Причиною широкого застосування лептопів в космосі стала не тільки їх природна мобільність і функціональність, а й можливість легкої модернізації і заміни. Якщо апаратна начинка «борту» пілотованого КА залишається незмінною, то в залежності від складності ПО і зміни поколінь «заліза» самі ноутбука при необхідності замінюються. Такий підхід дозволяє легко оновлювати парк «космічних» мобільних пристроїв.
Використання ноутбуків дозволило кардинально змінити інтер'єр космічних станцій. Якщо раніше «орбітальні дому» були нашпиговані електронними приладами, світловими панелями, індикаторами, рукоятками перемикачів і аварійними кнопками, то сьогодні приміщення МКС нагадують пасажирські вагони, уздовж стін і стелі яких є панелі, до яких підключені лептопи. Основними функціями станції можна керувати за «гаджетів», а можливість їх перенесення дозволяє віддавати команди не тільки з центрального поста, але і з будь-якого місця, що має належний інтерфейс.
Перші космічні лептопи, як і «настільні» моделі, були засновані на процесорі Intel 386 (в мобільному виконанні), мали 8 Мбайт оперативної пам'яті і жорсткий диск на кілька десятків мегабайт. Як астронавти довгі роки примудрялися працювати на такому «залізі»? Оскільки комп'ютери призначалися, перш за все, для збору даних і управління окремими елементами обладнання, не потребували ресурсномістких утиліти і вимогливих графічних оболонках, з завданням справлявся і застарілий процесор.
Та й по «начинці» це зовсім не ті ноутбуки, що продаються в магазинах. Купивши сучасний «побутової» ноутбук, ми не отримаємо того ж рівня надійності, який має екіпаж МКС. В основу будь-якого «космічного» лептопа входить жорсткий захисний каркас з композитів - легкий і дуже міцний. Завдяки його використанню ноутбук може витримати удар, відповідний падіння з висоти 2 м, або тиск гирі в 100 кг.
Крім того, використовується спеціальна система захисту жорсткого диска, що складається з чотирьох елементів. Крім обумовленого каркаса, застосовується спеціальна система, яка пом'якшує демпфирующие пластикові напрямні, і кожух з металевої сітки. Ця технологія представлена спеціальним чіпом на материнській платі, що відстежує всі коливання на ноутбуці. У разі, якщо відбувається сильний поштовх або вібрація, протягом 500 мсек він подасть сигнал на зупинку запису і читання диска, запобігаючи втрату даних. Демпфіруючі пластини оберігають «вінчестер» від зайвих вібрацій, служать амортизаторами при невеликих поштовхах і забезпечують до 40% більш ефективний захист, ніж в звичайних ноутбуках. Нарешті, останній рубіж в захисті - щільна металева сітка, яка огортає накопичувач. Вона оберігає жорсткий диск від запилення і запобігає накопиченню статичної електрики. За охолодження відповідає основна потужна система на теплових трубках і додаткова - з чотиришвидкісним вентилятором і своїм датчиком температури.
Ноутбуки, сертифіковані для використання на МКС, перед польотом проходять тести типу Military, а також випробування на радіаційну стійкість, контроль на гази, які утворюються при їх роботі або зберіганні, на стійкість до займання. В силу надійності вони, мабуть, ще не один рік будуть служити на благо розвитку космосу. Цікаво, що з даної ситуації випливає й інший висновок: якщо спочатку інноваційні комп'ютерні технології широко застосовувалися в космосі, то сьогодні темп значно сповільнилося. Супертехнології і «наворочені» гаджети в космосі просто не потрібні, для утримання ситуації на МКС під контролем досить наявних ресурсів.
Так що американці, традиційно трепетно відносяться до продукції фірми Apple, MacBook в космос не відправили. Спочатку продукція IBM здавалася надійніше, ну а далі все понеслося сніжним комом - програми, написані під x86-сумісні процесори i386, необхідно було перенести на MacOS і процесори зовсім інший архітектури. Навіть тоді, коли сучасні «ейри» і «Прошки» були переведені на інтелловскую архітектуру, величезні програмні бази, що залишилися з першого покоління ноутбуків, без проблем запускалися (а згодом і доповнювалися) і розширювалися на сучасних моделях з процесорами Intel-архітектури. Тому MacBook так і залишився пристроєм швидше стильним і гламурним, ніж максимально захищеним і пристосованим до екстремальних умов.
А в космосі немає місця слабким ланкам.
Для самостійного вивчення