Космический компьютер следующего поколения

Не каждый клиент испытывает острую необходимость в компьютере, который умел бы делать все, начиная от посадки на поверхность Марса и заканчивая управ­ляемым спуском на летящий астероид и координированием взаимного положения спутников, но НАСА и Военно-воздушные силы США – это действительно особые клиенты.

Управление космическими аппаратами На­учно-исследовательской лаборатории ВВС США и аэрокосмическое агентство НАСА инициировали проект Next Generation Space Processor (NGSP), преду­сматривающий разработку компьютерной системы следующего поколения, кото­рую в перспективе можно было бы размещать на борту самых разных космиче­ских кораблей.

Новая система должна быть создана на базе многоядерных процессоров общего назначения, устойчивых к воздействию космического излучения, и программного обеспечения, позволяющего решать широкий спектр задач как военного, так и гражданского назначения. Оборудование предстоит монтировать на космических кораблях самого разного размера, и оно должно соответствовать ограничениям, накладываемым на энергопотребление, массу и объем аппаратных средств. При­ложения должны обеспечивать точное автономное приземлению, помогать кос­мическому аппарату входить в слои атмосферы, осуществлять спуск и безопас­ный контакт с поверхностью Луны или Марса, выявлять риски и устранять их, управлять в реальном времени сегментированными зеркалами космического те­лескопа, оперативно анализировать многомегапиксельные гиперспектральные изображения, проводить автономный ситуационный анализ, планировать зада­чи и устранять неполадки на борту космического корабля в реальном времени.

«Компьютерные процессоры и приложения, находящиеся на борту космического корабля, необходимо существенно переработать, с тем чтобы они использовали последние достижения в области вычислительной техники и отвечали новым целям, – отметил помощник руководителя Управления космических технологий НАСА Майкл Газарик. – Программа космических технологий НАСА, разрабатывае­мая совместно с ВВС США, предусматривает проектирование космического про­цессора следующего поколения и создание решений, которые отвечали бы росту потребностей космической отрасли в высокопроизводительной вычисли­тельной технике на ближайшие десятилетия».

Представители ВВС указали, что требования могут меняться, поскольку «пер­спективные потребности не до конца проанализированы, но ожидается, что в целом они будут аналогичны ранее определенным потребностям НАСА». В отли­чие от НАСА, в ВВС хотят иметь повышенную устойчивость к воздействию радиа­ции, предъявляют менее жесткие требования к энергопотреблению и управле­нию им, а также к устойчивости по отношению к сбоям. Производительность про­цессора нужна та же, что и для будущих экспедиций НАСА, а в некоторых случа­ях даже выше. К ключевым для ВВС функциям относятся: высокопроизводитель­ная обработка данных, поступающих с бортовых датчиков; поддержка автоном­ных операций; оценка ситуации и оперативное реагирование на нее; выполне­ние операций на нескольких платформах и наличие интегрированной системы жизнеобеспечения, построенной на основе определенной заказчиком модели.

  Перечень конкретных требований к вычислительным комплексам значительно шире. В НАСА и ВВС хотят, чтобы будущей системе были присущи следующие свойства:

 - Наличие не менее 24 процессорных ядер для параллельной обработки прило­жений и эффективного управления энергопотреблением, устойчивость к сбоям и распределение программных модулей.

 - Поддержка процессорными ядрами по крайней мере 32-разрядных вычисле­ний и полное соответствие оборудования стандарту IEEE 754 Floating Point.

 - Доступное для коммерческого приобретения аппаратное и программное обес­печение (сюда относятся процессорные ядра, внешние подсистемы ввода-вы­вода и интерфейсы памяти, программный стек и среда разработки).

 - Возможность обработки нескольких одновременно запущенных приложений и распределение потоков между имеющимися ядрами.

 - Потребление не более 7 Вт электрической мощности при производительности 24 GOPS (миллиардов операций в секунду) и 10 GFLOPS (миллиардов опера­ций с плавающей запятой в секунду).

 - Функционирование в режиме реального времени.

 - Время пересылки данных в пределах массива процессоров, не превышающее 1 микросекунды.

 - Продолжительность синхронизации между ядрами не выше 0,1 миллисекунды.

 - Низкая латентность и детерминированные временные промежутки как внут­ренней, так и внешней по отношению к процессору связи.

 - Прием и распределение прерываний в режиме реального времени.

 - Устойчивость к радиации на уровне по крайней мере в 1 мегарад.

 - Встроенное самотестирование и возможность удаления сбойных ядер или про­ведения других операций восстановления правильности функционирования.

 - Последовательность загрузки, обеспечивающая переход в работоспособное состояние.

 - Продолжительность наработки на отказ 100 тыс. часов.

 - Сброс отдельных ядер или ядерного кластера в рамках наименьшего модуля.

 - Поддержка таймера системы безопасности для каждого ядра и синхронизиро­ванная временная развертка для всех ядер.

 - Возможность отключения неиспользуемых ядер и других ресурсов.

 - Плавная регулировка производительности и энергопотребления, начиная от максимальной и заканчивая минимальной с шагом в 1 ватт, уменьшение быст­родействия отдельно взятого ядра (или какого-то другого элементарного блока) путем снижения энергопотребления ядер (ядерного кластера) и других неиспользуемых ресурсов.

 - Поддержка спящего режима, потери мощности не более 100 милливатт, ожида­ние внешнего события, переводящего систему в рабочее состояние. В спящий режим может переходить как весь процессор полностью, так и отдельные его ядра или области. После выхода из спящего режима процессор и ядра возоб­новляют работу с того места, где они ее прекратили, или с места, определен­ного для состояния пробуждения. Поддержка управления энергопотреблением и избыточностью внешней памяти и подсистемы ввода-вывода.

 - Возможность автономного обнаружения ошибок в режиме реального времени, предотвращение выхода этих ошибок за ранее определенные границы, восста­новление работоспособности системы и возобновление ее функционирования.

 - Возможность обнаружения ошибок и сбоев микропроцессорных ядер во время приемо-сдаточных испытаний путем двукратного выполнения операций и срав­нения полученных результатов, тройного выполнения и голосования. Подоб­ные режимы обеспечения устойчивости к сбоям могут потребовать внесения соответствующих изменений в оборудование и системное программное обеспечение.

 - Возможность выявления и трассировки сбойных внутренних соединений и пе­реключений без чрезмерного усложнения программного обеспечения с макси­мально эффективным использованием оставшихся ресурсов.

 - Предотвращение в процессорных ядрах и каналах связи одиночных аппарат­ных ошибок, приводящих к нарушению границ виртуальной памяти.

 - Объединение групп ядер, компонентных соединений и памяти в блоки, препят­ствующие дальнейшему распространению ошибок и гарантирующие работо­способность оставшейся части системы, предотвращение сохранения ядрами данных в областях памяти, закрепленных за другими группами ядер.

 - Возможность одновременного обнаружения и устранения ошибок как внутрен­них, так и внешних соединений и памяти, поддержание устойчивости к сбоям за счет использования дублирующих банков и интерфейсов для внешней памя­ти и устройств ввода-вывода. Наличие аппаратных и программных средств ло­кализации ошибок и перестройки конфигурации.

«В исследовательской лаборатории ВВС и НАСА понимают, что выполнить предъявляемые требования в полном объеме чрезвычайно сложно. Поставщики могут предлагать альтернативные подходы для вывода процессора и соответ­ствующего программного обеспечения на уровень, который обеспечил бы высо­кую производительность, устойчивость к сбоям и оптимизацию энергопотребле­ния во время полетов и решения различных космических задач в экстремальных условиях", — отмечают в двух ведомствах.

Одна из главных трудностей при строительстве любой космической системы свя­зана с радиацией. В прошлом в НАСА уже обсуждалась возможность использова­ния устойчивых к воздействию радиации компьютерных чипов. Системы подобно­го рода содержат дополнительные транзисторы, которым для включения и вы­ключения требуется больше энергии. Тем самым они защищены от самопроиз­вольного переключения под воздействием космического излучения. Устойчивые к радиации чипы продолжают выполнять точные вычисления в ситуациях, когда обычные процессоры начинают сбоить. Космическое агентство США возлагало на такие сверхустойчивые чипы большие надежды. Но выяснилось, что у них име­ются серьезные недостатки: они стоят дорого, потребляют много энергии и ра­ботают слишком медленно; по уровню производительности такой чип в десять раз уступает аналогичному процессору современного настольного ПК потреби­тельского класса. А ведь космическому кораблю требуется максимально возмож­ная вычислительная мощность.

По данным НАСА, в американском сегменте Международной космической стан­ции развернуты 44 компьютера, которые подключены к 100 сетям передачи дан­ных и передают 400 тыс. сигналов (сведения о температуре и давлении, о поло­жении клапанов и т. д.). На компьютерах выполняется 1,5 млн строк программно­го кода. При этом главный управляющий компьютер в американском сегменте оборудован жестким диском емкостью 1,5 Гбайт, тогда как емкость диска практи­чески любого современного ПК превышает 500 Гбайт.