Reprezentare artistică a a amartizării lui Perseverance. NASA/JPL/CalTech

Perseverance explorează Planeta Roșie cu tehnologie din anii ‘9022 min read

De Ionuț Preda 09.04.2021, ultima actualizare: 21.04.2021

Puterea de procesare a unui calculator top-end de acum aproape 25 de ani e de ajuns pentru a explora o altă planetă.

Circulă des pe internet glume în care specificațiile computerelor de bord ale lui Apollo 11 sunt comparate cu telefoanele de mii de ori mai puternice folosite azi pentru a accesa Facebook sau Twitter. Ironia vizează ineficiența cu care a ajuns să fie folosită tehnologia de consum, dar conține un aspect care este încă cât se poate de adevărat: cercetarea spațială se bazează, în continuare, pe specificații similare unor device-uri depășite de ani buni.

Perseverance, de exemplu, a reușit să amartizeze pe cont propriu și explorează Martele doar pe baza unui set de instrucțiuni primit o dată pe zi – dar face toate acestea pe un procesor care n-ar putea rula jocuri video apărute după 2000. Acum, roverul trimis de NASA pe Marte va lansa, la rândul său, un vehicul, drona Ingenuity, în atmosfera planetei – o nouă premieră.

Faptul că tehnologia folosită în Perseverance e una de acum un deceniu nu înseamnă că agenția spațiale a trebuit să taie masiv din costuri din cauza finanțării reduse. Sunt multe motive pentru care, contrar a tot ceea ce se promovează în industria tech, tehnologia veche este mai adecvată.

Pentru a înțelege de ce, trebuie să vedem mai întâi ce se află sub șasiul celui mai recent rover care a ajuns pe Marte.

Rover marțian cu puterea unui iMac

La bază, Perseverance are un procesor care lucrează în tandem cu o serie de circuite integrate numite matrice de porți programabile în câmp (FPGA)„The Mars 2020 Rover’s „Brains””, nasa.gov – acestea pot fi configurate pentru a ghida diferite aspecte ale vehiculului, precum transmisia, roțile, suspensia sau ansamblul de amartizare. Roverul încorporează un procesor identic de rezervă, care poate prelua instant controlul, în cazul unui defect al celui inițial.

Surpriza vine când te uiți la tipul la procesor. Este bazat pe un chip lansat de IBM și Motorola în 1997, PowerPC 750, a cărui performanță este similară cu cea a unui Pentium 1. Componenta a fost folosită în primele versiuni ale coloratelor iMac-uri G3, lansate de Apple în 1998.

Vârsta venerabilă se vede clar în specificațiile chipului. Funcționează pe un singur core, cu o frecvență maximă de 200 de MHz – impresionantă pentru anii ’90, numai că acum există procesoare comerciale pentru desktop-uri care ating și 5,3 GHz. Are doar 10,4 milioane de tranzistori cu dimensiuni între 150 și 250 nanometri (nm), în condițiile în care CPU-urile actuale ajung la câteva miliarde, datorită unor mărimi reduse până la 5-7 nm.

Versiunea folosită în rover, RAD750, este modificată special pentru a putea rezista radiației de pe Marte și din spațiul cosmic. Este același procesor folosit și în roverul precedent, Curiosity, dar și în multe alte vehicule și instrumente spațiale,O listă completă pe wikipedia.org precum telescoapele Kepler și Fermi, sonda Mars Reconnaisance Orbiter și sonda Juno, aflată în prezent în orbita lui Jupiter.

Nici restul specificațiilor nu ar impresiona vreun entuziast de tehnologie din ultimii 20 de ani: roverul are doar 2 GB de spațiu de stocare, sub formă de memorie flash, 256 MB de memorie RAM și 256 KB de memorie EEPROM (folosită pentru firmware).

De ce este o misiune care costă sute de miliarde de dolari alimentată de tehnologie veche de aproape un sfert de secol? Sunt multe motive, iar mai toate se leagă de faptul că necesitățile unui rover sunt diferite de cele ale unui dispozitiv de pe Pământ.

Radiația ar câștiga ușor meciul cu procesoare moderne

RAD750 este construit special pentru a fi rezistent la radiații. Pentru că Marte are o magnetosferă foarte slabă,Cel puțin în prezent; există teorii că planeta vecină ar fi avut un câmp magnetic propriu acum câteva miliarde de ani, universetoday.com planeta este expusă la o cantitate mult mai mareESA a calculat pe baza observațiilor proprii că un echipaj ajuns pe Marte ar putea fi expus la nivele de 700 de ori mai ridicate decât pe Pământ, esa.int de radiație cosmică și solară decât Pământul.

Nivelele ridicate de radiații pot deteriora ușor chipurile din dispozitive de consum, deoarece ele conțin materiale nerezistente la iradiere. Chiar și dacă procesorul ar rezista la deteriorare, există riscul ca radiația cosmică să provoace un fenomen numit „bit flip” care le dă peste cap logica de procesare.De exemplu, prin schimbarea unei valori de 1 în sistem binar în una de 0 Astfel de întâmplări au fost sesizate uneori chiar și pe Pământ.„Tech companies have been silently battling a bizarre phenomenon called ‘cosmic rays’ that would otherwise wreak havoc on our electronics”, businessinsider.com

Procesoare precum RAD750 încorporează materiale și tehnici de fabricație care le fac rezistente la doze semnificativ mai mari de radiație decât cele normale.Detalii pe wikipedia.org În plus, acestea sunt gândite să funcționeze la temperaturile ambientale aflate între -55 și -125°C de pe Marte.

Aceste modificări sunt făcute în dauna performanței. De exemplu, tranzistorii au nevoie de mai mult spațiu, pentru că sunt mult mai susceptibili la radiații cu cât sunt grupați mai aproape.Conform unei declarații a inginerului JPL Richard Riebere pentru CIO, cio.com Necesită și mai multă energie, așa că nu pot fi încorporați într-un număr prea ridicat.„Radiation Resistant Computers”, nasa.gov

 

Procesor Perseverance

PowerPC 750 a fost folosit inițial în iMac-urile G3 „Bondi Blue” lansate în 1998. Rama Muse/Bolo/Wikimedia Commons

Electricitate cu porția

În fapt, consumul de energie este un alt factor important. Perseverance este alimentat de un generator termoelectric pe bază de radioizotopi,„Mars 2020 Perseverance Launch Press Kit – Power”, nasa.gov care transformă căldura emanată de dezintegrarea radioactivă a unor izotopi de plutoniu-238 în energie electrică. Generatorul va produce la început aproximativ 110 wați, cantitate care va scădea cu câteva procente în fiecare an.

Însă roverul ar putea consuma și până la 900 de wați atunci când își folosește instrumentele științifice, așa că o parte din energia produsă constant este stocată în doi acumulatori litiu-ion pentru astfel de ocazii.

Fiecare watt contează, iar componentele trebuie să aibă un consum cât mai eficient pentru a asigura funcționarea optimă a roverului. Procesoarele de ultimă generație consumă de la 65W în sus;În practică, procesoarele de 65W pot ajunge să consume și peste 200W în funcție de setările BIOS și workload în schimb, RAD750 necesită doar 5W, oferind un spațiu de manevră semnificativ pentru restul activităților.

Machine learning-ul ajută

În ciuda specificațiilor antice și a cantității reduse de energie electrică pe care o are la dispoziție, procesorul de pe Perseverance este adecvat pentru rover.

În principal, pentru că puține din acțiunile vehiculului sunt complet autonome. Vehiculul este controlat aproape total prin intermediul instrucțiunilor primite în fiecare zi marțianăCu aproximativ 39 de minute mai lungă decât o zi pe Părmânt de la centrul de comandă. Iar atunci când nu sunt suficiente date pentru ca roverul să fie operat de la distanță, operatorii sunt ajutați de o parte din sistemele de la bord.

Sistemul AutoNav,„NASA steadily expands AI and autonomy for Mars exploration”, spacenews.com poate crea un model de elevare al zonei înconjurătoare, pe baza imaginilor captate de camerele vehicului. Ulterior, propune apoi rute optime către destinație, calculând pe unde ar putea trece fiecare dintre cele șase roți și alegând traseele cu cele mai puține obstacole și diferențe de elevație.

Deși calculul pare complex, poate fi făcut pe un procesor cu o putere scăzută, deoarece algoritmul a fost perfectat prin tehnici de machine learning, pe sisteme mult mai avansate, incluzând date și imagini minuțioase despre zona misiunii înregistrate de sondele din orbita planetei. Asta diminuează cantitatea de calcule în timp real necesare pentru funcționarea programului și propunerea rutelor.

Rezistența, mai importantă decât performanța

Poate cel mai important argument în favoarea folosirii unei tehnologii atât de vechi este chiar vârsta ei. Și anume, faptul că RAD750 a fost folosit în sute de sateliți și zeci de misiuni spațiale din 2001 încoace, de când a fost lansat sub egida producătorului BAE Systems.

Fiabilitatea este esențială într-o astfel de misiune, care include un proces complex de amartizare și deplasare la suprafață și ar putea pune probleme fizice componentelor electronice mai fragile. NASA are o experiență cu lungă cu acest tip de procesor, predecesorul lui, RAD6000, fiind folosit în roverele Spirit și Opportunity.

Iar agenția spațială are și o imagine completă asupra potențialelor probleme. Curiosity, care a folosit același tip de procesor, a înregistrat probleme cu coruperea memoriei din chip-ul principal la un an de la amartizare,„NASA Switches Curiosity Rover to Backup Computer Following Glitch”, extremetech.com iar centrul de control a trecut funcționarea roverului pe procesorul de rezervă. După ce operatorii au reușit să „carantineze” partea problematică din memoria procesorului original, Curiosity a revenit pe acesta în 2018, când au apărut probleme și la cel de rezervă.

În același timp, chit că ar părea că două decenii sunt timp suficient pentru a atinge potențialul unui procesor, încă se mai fac îmbunătățiri. De exemplu, programul de navigație al roverului permite o viteză de deplasare de cinci ori mai mare„Mars 2020: Evolution of a Rover”, caltech.edu decât cea a lui Curiosity, datorită unei eficiențe mai ridicate în identificare potențialelor obstacole sau pericole de pe traseu.

Drona Ingenuity

Drona Ingenuity după ce a fost lăsată la sol de Perseverance. NASA/JPL/CalTech

Și amartizarea a fost dirijată de componente relativ vechi

FPGA-urile care lucrează cu procesorul pentru a dirija instrumentele roverului nu sunt nici ele prea noi. Cele mai multe dintre ele sunt produse de Xilinx,„NASA Mars rover Perseverance launches on time Thursday to find evidence of life on Red Planet”, fierceelectronics.com provenind din seria Virtex a producătorului cumpărat recent de AMD.

Un Virtex 5, lansat în 2006, a jucat un rol crucial în amartizarea roverului, analizând în timpul procesului imagini ale zonei de amartizare captate de camerele ansamblului, pe care le-a comparat în timp real cu o hartă virtuală,pentru a determina poziția relativă a vehicului față de sol.

Având în vedere că operatorii nu ar fi putut să intervină în timpul amartizării din cauza celor 11 minute de întârziere cu care ajung datele de pe Marte, astfel de sisteme autonome au fost cruciale pentru o amartizare reușită. Iar, pentru că FPGA-urile sunt reprogramabile, același chip Virtex-5 a fost actualizat ulterior pentru a asista sistemul de navigare autonomă prin analiza imaginilor de la sol.

Drona Ingenuity folosește Linux și un procesor mai nou

Și posibila vedetă mediatică a următoarelor zile, drona Ingenuity, vine cu aspecte interesante pe partea de tech. Primul vehicul pe care omenire l-ar putea ridica de la solul unei alte planete folosește un procesor Qualcomm Snapdragon 801 „How NASA Designed a Helicopter That Could Fly Autonomously on Mars”, ieee.org – același folosit, de exemplu, de Samsung Galaxy S5, OnePlus One sau HTC One M8.

Nici acest chip  nu este chiar de ultimă generație, fiind lansat în 2014, dar este clar mult mai avansat decât RAD750-ul folosit de rover. În principal pentru că Ingenuity are nevoie de mai multă putere de procesare pentru sistemul de ghidare menit să mențină controlul în atmosfera marțiană, ce conține și un program care captează și analizează imagini cadru-cu-cadru. Dar și pentru că este, practic, un prototip, menit în cel mai bun caz să execute cinci zboruri de câte 90 de secunde fiecare, așa că durabilitatea procesorului contează mai puțin.

Drona funcționează pe un sistem de operare Linux dezvoltat de JPL,  open-source, spre deosebire de Perseverance, care folosește o soluție VxWorks.Un sistem de operare optimizat pentru procesarea de date în timp real (RTOS), folosit în toate roverele trimise de NASA pe Marte Pasionații de drone care stăpânesc partea tehnică îl pot implementa chiar pe propriile dispozitive, codul fiind disponibil public.Disponibil pe github.com

Marte 2030 pe Pentium 4?

Va fi interesant de urmărit cum va evolua decalajul dintre tehnologia de ultimă generație și cea folosită în explorarea spațială. Deocamdată, un chip pe care funcționau Mac-uri din anii ‘90 este de ajuns pentru ca un rover să nu se piardă sau să se blocheze atunci când urmează comenzile dictate de ingineri. Dar, la un moment dat, se va pune și problema unor vehicule care să exploreze complet autonom alte lumi – poate că atunci vom ajunge să apreciem și adevărata eficiență din anii 2000.

CITEȘTE ȘI: NASA, Perseverance și căutarea vieții în rocile marțiene

 



Text de

Ionuț Preda

Redactor cu câțiva ani de experiență în presa centrală. Este curios despre aplicarea tehnologiilor SF în lumea reală și evoluția ideilor de-a lungul istoriei.

SPAȚIU|OVERVIEW

În căutarea vieții extraterestre

De
Există sau nu viață extraterestră? Astronomii sunt foarte aproape de a găsi răspunsul la această întrebare. Dar oare cum se realizează căutarea posibilelor semne de activitate biologică pe alte planete?
SPAȚIU|SCI-FACTS

6 lucruri din spațiu care pot să ne omoare

De
Erupțiile solare, supernovele și extratereștrii puși pe treabă ar putea distruge, la un moment dat, civilizația umană.
SPAȚIU|PORTRET

60 de ani de la zborul spațial al lui Iuri Gagarin

De
Acum 60 de ani, pe 12 aprilie 1961, Iuri Gagarin devenea primul om care intra în spațiul cosmic, deschizând astfel calea explorării cosmosului cu echipaje umane.
TEHNOLOGIE|OVERVIEW

Cum afli și ce faci dacă ți-au fost scurse datele pe net

De
Un efort mic pentru a te proteja de hackeri, un pas mare pentru securizarea datelor