Strahlenresistente Computer

EAFTC-Computer in einem platzreifen Flugchassis. Bildnachweis: NASA / Honeywell. klicken um zu vergrößern
Leider kann die Strahlung, die den Raum durchdringt, solche Störungen auslösen. Wenn Hochgeschwindigkeitsteilchen wie kosmische Strahlen mit den mikroskopischen Schaltkreisen von Computerchips kollidieren, können sie dazu führen, dass Chips Fehler machen. Wenn diese Fehler das Raumschiff in die falsche Richtung fliegen lassen oder das Lebenserhaltungssystem stören, kann dies eine schlechte Nachricht sein.

Um die Sicherheit zu gewährleisten, verwenden die meisten Weltraummissionen strahlungsgehärtete Computerchips. "Rad-harte" Chips unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von gewöhnlichen Chips. Zum Beispiel enthalten sie zusätzliche Transistoren, die mehr Energie zum Ein- und Ausschalten benötigen. Kosmische Strahlung kann sie nicht so leicht auslösen. Radharte Chips führen weiterhin genaue Berechnungen durch, wenn gewöhnliche Chips „fehlerhaft“ sein könnten.

Die NASA verlässt sich fast ausschließlich auf diese besonders haltbaren Chips, um Computer platzsparend zu machen. Diese maßgeschneiderten Chips haben jedoch einige Nachteile: Sie sind teuer, stromhungrig und langsam – bis zu zehnmal langsamer als eine vergleichbare CPU in einem modernen Desktop-PC für Endverbraucher.

Da die NASA Menschen zurück zum Mond und weiter zum Mars schickt – siehe Vision für Weltraumforschung – würden Missionsplaner ihrem Raumschiff gerne mehr Rechenleistung geben.

Wenn mehr Rechenleistung an Bord ist, kann das Raumschiff eine seiner begrenztesten Ressourcen schonen: die Bandbreite. Die Bandbreite, die zum Zurücksenden von Daten zur Erde zur Verfügung steht, ist häufig ein Engpass. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist sogar langsamer als bei alten DFÜ-Modems. Wenn die Unmengen von Rohdaten, die von den Sensoren des Raumfahrzeugs erfasst werden, an Bord „zerkleinert“ werden könnten, könnten Wissenschaftler nur die Ergebnisse zurückstrahlen, was viel weniger Bandbreite beanspruchen würde.

Auf der Oberfläche des Mondes oder des Mars könnten Entdecker ihre Computer direkt nach dem Sammeln mit schnellen Computern analysieren, Bereiche von hohem wissenschaftlichen Interesse schnell identifizieren und möglicherweise mehr Daten sammeln, bevor sich eine flüchtige Gelegenheit ergibt. Auch Rover würden von der zusätzlichen Intelligenz moderner CPUs profitieren.

Die Verwendung der gleichen kostengünstigen, leistungsstarken Pentium- und PowerPC-Chips wie bei Consumer-PCs würde enorm helfen, aber dazu muss das Problem strahlungsinduzierter Fehler gelöst werden.

Hier kommt ein NASA-Projekt namens EAFTC (Environmentally Adaptive Fault Tolerant Computing) ins Spiel. Forscher, die an dem Projekt arbeiten, experimentieren mit Möglichkeiten, Consumer-CPUs in Weltraummissionen einzusetzen. Sie sind besonders an "Einzelereignisstörungen" interessiert, der häufigsten Art von Störungen, die durch einzelne Strahlungsteilchen verursacht werden, die in Chips eindringen.

Teammitglied Raphael Einige von JPL erklären: „Eine Möglichkeit, schnellere Consumer-CPUs im Weltraum zu verwenden, besteht darin, dreimal so viele CPUs zu haben, wie Sie benötigen: Die drei CPUs führen dieselbe Berechnung durch und stimmen über das Ergebnis ab. Wenn eine der CPUs einen strahlungsinduzierten Fehler macht, stimmen die beiden anderen dennoch zu, gewinnen die Abstimmung und geben das richtige Ergebnis. “

Dies funktioniert, ist jedoch häufig übertrieben und verschwendet wertvollen Strom und Rechenleistung, um nicht kritische Berechnungen dreimal zu überprüfen.

"Um dies intelligenter und effizienter zu machen, entwickeln wir Software, die die Bedeutung einer Berechnung abwägt", fährt Some fort. „Wenn es wie bei der Navigation sehr wichtig ist, müssen alle drei CPUs abstimmen. Wenn es weniger wichtig ist, wie die chemische Zusammensetzung eines Gesteins zu messen, sind möglicherweise nur eine oder zwei CPUs beteiligt. "

Dies ist nur eine von Dutzenden von Fehlerkorrekturtechniken, die EAFTC in einem einzigen Paket zusammenfasst. Das Ergebnis ist eine viel bessere Effizienz: Ohne die EAFTC-Software benötigt ein Computer, der auf Consumer-CPUs basiert, eine 100-200% ige Redundanz, um sich vor durch Strahlung verursachten Fehlern zu schützen. (100% Redundanz bedeutet 2 CPUs; 200% bedeutet 3 CPUs.) Bei EAFTC sind nur 15 bis 20% Redundanz für den gleichen Schutzgrad erforderlich. Die gesamte eingesparte CPU-Zeit kann stattdessen produktiv genutzt werden.

"EAFTC wird keine radharten CPUs ersetzen", warnt Some. "Einige Aufgaben, wie die Lebenserhaltung, sind so wichtig, dass wir immer strahlengehärtete Chips benötigen, um sie auszuführen." Zu gegebener Zeit könnten EAFTC-Algorithmen jedoch einen Teil der Datenverarbeitungslast von diesen Chips nehmen und künftigen Missionen eine erheblich größere Computerleistung zur Verfügung stellen.

Der erste Test der EAFTC wird an Bord eines Satelliten namens Space Technology 8 (ST-8) durchgeführt. ST-8 ist Teil des New Millennium-Programms der NASA und wird neue experimentelle Weltraumtechnologien wie EAFTC im Flug testen, um sie in zukünftigen Missionen mit größerem Vertrauen einsetzen zu können.
Der Satellit, dessen Start für 2009 geplant ist, wird die Van-Allen-Strahlungsgürtel während jeder seiner elliptischen Umlaufbahnen überfliegen und EAFTC in dieser Umgebung mit hoher Strahlung ähnlich dem Weltraum testen.

Wenn alles gut geht, verwenden Raumsonden, die sich über das Sonnensystem wagen, möglicherweise bald genau die gleichen Chips, die sich in Ihrem Desktop-PC befinden – nur ohne die Störungen.

Originalquelle: NASA-Pressemitteilung

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