Поиск землеподобных планет за пределами Солнечной системы требует от космических телескопов колоссальной вычислительной мощности. Аппараты должны обрабатывать потоки данных в реальном времени, постоянно корректируя микроскопические искажения оптики, чтобы сквозь ослепительный свет звезд разглядеть тусклые соседние миры. Сегодняшние процессоры, защищенные от радиации для работы в космосе, слишком медленные для таких задач. Мощные графические вычислительные модули потребляют слишком много энергии, что делает их использование в дальних миссиях экономически нецелесообразным. Инженеры Мичиганского университета предложили два новых дизайна чипов, ориентированных на работу с памятью, которые могут кардинально изменить ситуацию. Результаты их работы будут представлены в августе на профильной конференции по космическим вычислениям.

 

Зачем телескопам нужна обработка данных в реальном времени

Перспективная обсерватория «Обитаемые миры», которую разрабатывает американское космическое агентство, должна искать следы жизни на планетах у других звезд. Аппарат планируют вывести в точку либрации системы Солнце-Земля, расположенную в 1,5 миллиона километров от нашей планеты. Там же сейчас находится телескоп имени Джеймса Уэбба. Это положение позволяет держать Солнце, Землю и Луну за спиной аппарата, используя единый теплозащитный экран для блокировки света и тепла от всех трех небесных тел.

Для получения четких изображений землеподобных экзопланет телескоп должен постоянно подстраивать оптику, убирая паразитное свечение звезды-хозяйки. Это требует мгновенной обработки гигантских массивов данных прямо на борту. Задержки недопустимы: если сигнал не обработать сразу, слабый свет планеты потеряется в шумах.

Текущие решения не справляются с этой нагрузкой. Защищенные от радиации процессоры для космоса имеют низкую производительность, а графические модули, способные на такие вычисления, требуют слишком много энергии. Каждый лишний ватт в космосе стоит огромных денег, так как требует более мощных солнечных панелей, тяжелых аккумуляторов и систем охлаждения.

Радиация в точке либрации тоже представляет угрозу, хотя она находится далеко от Земли. Заряженные частицы могут повредить электронику, поэтому все компоненты должны быть устойчивы к таким воздействиям.

• Постоянная коррекция искажений оптики в режиме реального времени;
• Блокировка яркого света звезд для выявления тусклых планет;
• Обработка плотных матричных операций с низкой арифметической интенсивностью;
• Минимизация задержек при передаче данных между узлами системы.

 

Два варианта архитектуры с приоритетом на память

Главная проблема современных систем — не скорость вычислений, а скорость передачи данных. Натан Блиер, доцент кафедры компьютерных наук и инженерии Мичиганского университета, объясняет: «Будущим космическим миссиям не просто нужно больше вычислительной мощности, им нужен правильный тип вычислений. В таких задачах узким местом становится перемещение данных, а не сами расчеты». Исследователи сравнивают это с ситуацией, когда нужно проехать 16 километров до склада за одной коробкой, вернуться в офис, поставить галочку на листе бумаги, и снова ехать за следующей.

Чтобы устранить этот недостаток, инженеры разработали две специализированные аппаратные архитектуры. Оба варианта ориентированы на память, а не на центральный процессор.

1. Первый вариант использует 27 чипов высокоскоростной стековой памяти, расположенных горизонтально;
2. Каждый из этих чипов состоит из 16 слоев динамической оперативной памяти;
3. Они подключены к специально разработанному процессору, создавая сверхбыстрый канал передачи данных;
4. Такая конструкция превращает узкую дорогу в многополосное шоссе, позволяя обрабатывать больше информации одновременно.

Второй вариант радикально меняет подход. Он разделяет данные и обработку между 56 небольшими чиплетами, каждый из которых содержит около 2 гигабайт распределенной статической оперативной памяти. Это похоже на то, что офис переезжает на склад: коробки разбираются по отдельным комнатам, в каждой из которых стоит калькулятор, передающий результаты центральному управляющему узлу.

 

Экономия энергии и снижение веса аппарата

Исследователи использовали программный комплекс для проектирования микросхем, чтобы смоделировать характеристики каждого чипа: энергопотребление, скорость и размер. Они подставили полученные данные в стандартные аэрокосмические формулы, чтобы понять, как новые чипы повлияют на реальный аппарат.

Стандартная конфигурация на базе графических процессоров требует 3000 ватт мощности. Вариант с 27 стеками высокоскоростной памяти снижает этот показатель до 928 ватт. Второй вариант, с 56 чиплетами на базе статической памяти, потребляет всего 90 ватт. Добавление математического упрощения, округляющего данные до семи знаков после запятой, позволяет снизить потребление до 51 ватта. Это в 59 раз меньше, чем у графических процессоров.

Для сравнения: масса в 1100 килограммов сопоставима с весом небольшого легкового автомобиля, а 193 килограмма — это масса стандартного мотоцикла. Такая разница в весе позволяет сэкономить на ракете-носителе, что снижает общую стоимость запуска.

• Снижение энергопотребления вычислительного блока с 3000 до 51 ватта;
• Уменьшение массы аппарата с 1100 килограммов до 193 килограммов;
• Экономия 430 миллионов долларов за 25 лет миссии;
• Возможность использования более легких солнечных панелей и аккумуляторов.

 

Защита от космической радиации и тестирование

Космическая среда губительна для электроники. Радиация может переключить бинарный ноль в единицу прямо во время вычислений, что приведет к искажению изображений. Чтобы проверить устойчивость своих разработок, команда провела 10 000 симуляций, внедряя ошибки, характерные для космического излучения.

Радиация в космосе не щадит даже самые современные чипы.

Они использовали математический механизм защиты, основанный на алгоритмической отказоустойчивости. Этот метод позволил выявить все опасные сбои, которые могли бы размыть снимки, при этом не было ни одного ложного срабатывания. Это критически важно для научных миссий, где точность данных определяет успех всего проекта.

1. Проведение 10 000 симуляций с инъекцией ошибок от космической радиации;
2. Использование алгоритмической отказоустойчивости для выявления сбоев;
3. Отсутствие ложных срабатываний защитных механизмов в ходе тестов;
4. Подтверждение сохранения целостности данных при обработке изображений.

 

Планы по созданию прототипов новых чипов

Барри Лю, аспирант кафедры электротехники и компьютерной инженерии Мичиганского университета, отмечает: «Мы хотим, чтобы вычисления расширяли возможности космической науки, а не ограничивали их. Проектируя оборудование под конкретные задачи, мы делаем обработку данных в реальном времени доступной для будущих миссий».

Следующим шагом исследователей станет производство чиплетов на базе статической памяти. Они планируют протестировать их в лабораторных условиях, чтобы подтвердить результаты симуляций. Если испытания пройдут успешно, новые чипы могут быть использованы в перспективных телескопах уже в ближайшие десятилетия.

Разработка специализированных чипов, ориентированных на работу с памятью, открывает новые горизонты для космической астрономии. Снижение энергопотребления и веса аппаратов позволит запускать более компактные и дешевые миссии, не жертвуя их возможностями. Поиск жизни за пределами Солнечной системы требует технологий, которые еще вчера казались фантастикой, и инженеры уже делают их реальностью. Успехи в микроэлектронике напрямую влияют на то, как скоро человечество получит ответ на главный вопрос о своем одиночестве во Вселенной.