با پیشرفت اکتشافات فضایی و حرکت فضاپیماها و خدمه به نقاط دورتر از زمین، نیاز به سیستمهایی که بتوانند با حداقل نظارت انسانی (یا بدون آن) کار کنند، افزایش یافته است. این نیاز تا حدی به دلیل فواصل زیاد است؛ فضانوردان در ماه و مریخ با تأخیرهای ارتباطی مواجه خواهند شد که ارسال و دریافت گزارشها و دادهها را دشوار میکند. در عین حال، سیستمهای خودمختار (autonomous) پتانسیل تسریع نرخ بازده علمی را از طریق تجزیه و تحلیل سریعتر دادهها دارند.
برای پاسخ به این نیاز، برنامه «توسعه تغییردهنده بازی» (GCD) ناسا یک مشارکت تجاری برای توسعه سیستم «محاسبات فضایی با کارایی بالا» (HPSC) تشکیل داد. این تراشه انقلابی به فضاپیماها توانایی پردازش مستقل (فکر کردن برای خود) را میدهد و به تازگی اولین دور آزمایشهای زیستمحیطی خود را با موفقیت پشت سر گذاشته است.
مشخصات فنی تراشه
به طور سنتی، ناسا به تراشههای توسعه یافته در دهههای قبل متکی بوده است که برای مقاومت و قابلیت اطمینان طراحی شده بودند. اما با توجه به نرخ فعلی جمعآوری دادهها توسط مأموریتها، به تراشههای ارتقا یافته برای پردازش و تجزیه و تحلیل سریعتر و کارآمدتر نیاز است. این نیاز ناسا و شرکت «میکروچیپ تکنولوژی» (Microchip Technology Inc.) مستقر در آریزونا را به ایجاد تراشه HPSC هدایت کرد. این پردازنده با کارایی بالا و مقاوم در برابر تشعشعات (radiation-hardened) قادر به ارائه ۱۰۰ برابر قابلیت محاسباتی سیستمهای فعلی است.
پردازنده HPSC نمونهای از «سیستم روی یک تراشه» (system-on-a-chip یا SoC) است. این یک مدار مجتمع جمعوجور (که معمولاً در گوشیهای هوشمند و تبلتها یافت میشود) است که تمام عناصر ضروری یک سیستم محاسباتی را در یک ریزمیکروچیپ واحد ادغام میکند. با این حال، تنها SoCهایی که JPL (آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا) آزمایش میکند، برای سالها کار در فاصله میلیونها یا میلیاردها کیلومتری از زمین و بدون دسترسی به تأسیسات تعمیر، ساخته شدهاند.
یوجین شوانبک، مدیر برنامه در برنامه GCD ناسا، گفت: «با تکیه بر میراث پردازندههای فضایی قبلی، این سیستم جدید چند هستهای، مقاوم در برابر خطا، انعطافپذیر و با کارایی بسیار بالا است.»
قابلیتهای هوش مصنوعی و بهرهوری انرژی
علاوه بر قدرت محاسباتی، این تراشهها پردازش جریان داده هوش مصنوعی با کارایی بالا را با قابلیتهای محاسبات برداری مقیاسپذیر (scalable vector computing) فراهم میکنند. HPSC به گونهای طراحی شده است که از نظر مصرف برق و عملکرد محاسباتی قابل تطبیق باشد. بنابراین عملکردها را میتوان در زمان عدم استفاده خاموش کرد یا در حالتهای کم مصرف قرار داد. این قابلیت به این معنی است که پردازنده HPSC میتواند برای مأموریتهایی با نیازهای توان متفاوت استفاده شود و بهرهوری انرژی را بهبود بخشد.
آزمایشهای زیستمحیطی
برای اطمینان از اینکه این تراشهها میتوانند پرواز فضایی را تحمل کنند، تکنسینهای JPL آزمایشهای مختلفی را برای شبیهسازی چالشهایی که با آنها روبرو خواهند شد (مانند تشعشعات الکترومغناطیسی و دماهای شدید) انجام دادهاند. ذرات پر انرژی از خورشید و پرتوهای کیهانی میتوانند باعث خطا شوند. سرمای شدید نیز میتواند باعث خاموش شدن باتریها شود. هر دوی این موارد فضاپیما را به «حالت ایمن» (safe mode) میفرستند.
جیم باتلر، مدیر پروژه HPSC در JPL، گفت: «ما این تراشههای جدید را با انجام تستهای تشعشع، حرارتی و شوک تحت فشار قرار میدهیم. برای شبیهسازی عملکرد در دنیای واقعی، از سناریوهای فرود با وفاداری بالا از مأموریتهای واقعی ناسا استفاده میکنیم که معمولاً به سختافزار پرمصرف برای پردازش حجم عظیمی از دادههای سنسور فرود نیاز دارند.»
آزمایش در فوریه در JPL آغاز شده و چندین ماه ادامه خواهد داشت. نتایج تا کنون امیدوارکننده بوده است. از نظر مهندسان JPL، این پردازنده با ۵۰۰ برابر عملکرد تراشههای مقاوم در برابر تشعشعات که در حال حاضر استفاده میشوند، کار میکند. پس از تأیید برای پرواز فضایی، ناسا این تراشه را در سختافزار محاسباتی مدارگردها، مریخنوردها، زیستمحلها (habitats) و مأموریتهای اعماق فضای آینده خود ادغام خواهد کرد.
