מחשב עמיד בפני קרינה

חוקרים של נאס”א מפתחים מחשבים מתקדמים שיוכלו לחשוב בבהירות אפילו שהם מופגזים בקרינה בחלל

אבי בליזובסקי

בתמונה: למעלה משמאל: כיצד פוגעת קרינת החלל במעבדי המחשב. מימין: הפתרון המשולש של EAFTC. למטה – מבחר סביבות שבהן יפעלו המחשבים – בחללית, על מאדים ועל הירח

כאשר המחשב שלכם משתגע, פוגע בנתונים שלכם או סתם קורס לחלוטין, זה יכול להיות מתסכל אך עבור אסטרונאוטים הסומכים על המחשב כדי שינווט את החללית שלהם ויפקח על מערכת תמיכת החיים, תקלות במחשב יכולות להיות קטלניות (ומי אינו זוכר את המחשב האל בסרט אודיסאה בחלל 2001.
למרבה הצער, הקרינה המציפה את החלל יכולה לגרום לתקלות כאלה. כאשר חלקיקים המגיעים במהירות גבוהה כמו קרנים קוסמיות, מתנגשות בחיווט המיקרוסקופי של שבבי המחשב, הם יכולים לגרום לשבב לבצע טעויות. אם התקלות הללו גורמות לחללית לסטות ממסלולה או להפריע לתפקוד מערכת תמיכת החיים, אלו עלולות להיות חדשות רעות.
כדי להבטיח את בטיחות הטיסה, משתמשים האסטרונאוטים במחשבים שהשבבים שלהם מוקשחים בפני קרינה. שבבי “Rad-hard” שונים משבבים רגילים בדרכים רבות. לדוגמה, הם מכילים טרנזיסטורים עודפים ולפיכך נדרשת יותר אנרגיה כדי להדליק ולכבות את המחשב. הקרניים הקוסמיים אינם יכולים לשנות את השדות שלהם (מאפס לאחת או להפך) כל כך בקלות. שבבים מוקשחי קרינה ימשיכו לבצע חישובים מדויקים במקומות שבהם שבבים רגילים עלולים להשתגע.
נאס”א מסתמכת בלעדית על שבבים מוקשחים אלו כדי לבצע חישובים בחלל אך לשבבים הללו המיוצרים במיוחד עבורה יש מספר חסרונות. ראשית הם יקרים, שנית הם צורכים המון אנרגיה, ושלישית – הם איטיים, פי 10 יותר איטיים מאשר ה-CPU המקביל במחשבים ביתיים מודרניים.
כאשר תשלח נאס”א בני אדם לירח ולמאדים, ישמחו המתכננים של החלליות שישאו אותם, שלמחשבים שלהן יהיה יותר כוח סוס.
כוח עיבוד חזק יותר בחללית יאפשר לשמור על המשאב המוגבל ביותר – רוחב פס. רוחב פס הזמין לשידור נתונים בחזרה לכדור הארץ הוא לרוב צוואר בקבוק, כאשר קצב השידור איטי יותר אפילו ממודמי חיוג ישנים. אם כל הנתונים הגולמיים הנאספים בחיישני החללית יכולים לעבור עיבוד על הסיפון, יכולים המדענים למשוך מהם רק את תוצאות העיבוד, דבר שידרוש הרבה פחות רוחב פס.
על פני השטח של הירח או מאדים, יוכלו האסטרונאוטים להשתמש במחשבים מהירים כדי לנתח את הנתונים לאחר איסופם, לזהות במהירות איזורים בעלי עניין מדעי ואולי גם לאסוף נתונים נוספים כדי לנצל הזדמנויות בטרם יחלפו. גם רכבי חלל רובוטיים יוכלו להנות מהתבונה העודפת של המעבדים המודרניים.
שימוש באותם מעבדים לא יקרים – בין אם אלו מעבדי פנטיום או פאואר פי.סי המשמשים למחשבים אישיים, יהווה שיפור ניכר, ובלבד שתיפתר בעיית הטעויות הנגרמות בידי הקרינה.

כאן נכנס לתמונה פרויקט חדש של נאס”א המכונה Environmentally Adaptive Fault-Tolerant Computing (EAFTC) . החוקרים עובדים כיום על הפרויקט מנסים דרכים להשתמש במעבדים רגילים במשימות חלל. הם מתעניינים במיוחד בתקלות מסוג “single event upsets,” , הסוג הנפוץ ביותר של תקלות הנגרם בידי חלקיק קרינה יחיד החודר לתוך השבב.
חברת הצוות, רפאל סאם (Some) מ-JPL מסביר: “דרך אחת היא להשתמש במעבדים מסחריים בחלל היא פשוט להשתמש בשלושה מעבדים. אם מעבד אחד יבצע שגיאה הנגרמת בידי הקרינה, השניים האחרים יוכלו עדיין להסכים, ובאמצעות החלטת רוב לתת את התשובה הנכונה.
הדבר יעבוד אבל עדיין נותרה בעית בזבוז האנרגיה על כוח מיחשוב כדי לבדוק שלוש פעמים כל חישוב שלא תמיד יהיה קריטי.
“כדי לעשות זאת באורח חכם ויעיל יותר, אנחנו מפתחים תוכנה שתשקול את חשיבות החישוב” אומר סאם. “אם מדובר בחישוב חשוב כמו ניווט, כל שלושת המעבדים חייבים להצביע. אם מדובר בחישוב פחות קריטי כמו למשל מדידת ההרכב הכימי של סלע, אפשר להסתפק רק במעבד אחד או שניים.
ואולם זהו רק אחד מתריסרי טכניקות תיקון הטעויות ש- EAFTC ישתמש בהם. התוצאה היא יעילות רבה יותר. ללא התוכנה של EAFTC, מחשב המבוסס על מעבדים צרכניים ידרש ל-100-200 אחוזי יתירות כדי להגן מפני טעויות קרינה. בעזרת EAFTC, מספיק יתירות של 15-20 אחוזים לקבלת אותה דרגת הגגנה. כל זמן העיבוד הנחסך יכול להיות מנוצל ליישומים פרודוקטיביים יותר.
“EAFTC איננה עומדת להחליף את המעבדים המוקשחים.” מסביר סאם. “יהיו משימות כמו תמיכה בקיום החיים שהן כל כך חשובות שתמיד נרצה שבבים מוקשחים שיריצו אותם. ואולם, האלגוריתמים שפיתחנו עבור EAFTC יכולות לסייע גם להקל על עומס העיבוד במחשבים אלה, וכך להגדיל את כוח המיחשוב העומד לרשות האסטרונאוטים.”
הניסוי הראשון של EAFTC יהיה על סיפון לווין המכונה Space Technology 8 (ST-8), המשתייך לתוכנית המילניום של נאס”א. ST-8 ישמש לניסוי טכנולוגיות חדשות והלקחים ממנו ישמשו לתכנון משימות החלל הבאות כאשר יהיה בטחון רב יותר בטכנולוגיה.
הלוויין, המתוכנן לשיגור בשנת 2009 יחצה את חגורת ואן אלן בכל הקפה אליפטית של כדור הארץ ויבחן את EAFTC בתנאי הקרינה החזקה הדומים לאלו שבחלל העמוק. אם הכל ילך כשורה, יוכלו חלליות שיחצו את מערכת השמש להשתמש באותם שבבים בדיוק כמו אלו שבמחשבים האישיים שלנו- רק ללא התקלות.

לידיעה באתר נאס”א
ידען האדם והחלל

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~323039534~~~80&SiteName=hayadan