NASA rozwija procesor HPSC, czyli nowy układ obliczeniowy dla przyszłych misji kosmicznych. Ma być odporny na promieniowanie, wydajny energetycznie i gotowy do pracy tam, gdzie szybka pomoc z Ziemi nie będzie możliwa: na Księżycu, Marsie i w głębokim kosmosie.
Procesor HPSC NASA ma rozwiązać jeden z największych problemów misji kosmicznych
Im dalej człowiek i jego maszyny lecą od Ziemi, tym bardziej rośnie znaczenie autonomii. Na orbicie okołoziemskiej kontakt z centrum kontroli jest względnie szybki. Ale na Księżycu, Marsie czy podczas misji w głęboki kosmos opóźnienia komunikacyjne zaczynają mieć realne znaczenie.
Nie chodzi tylko o wygodę. Jeśli lądownik, łazik albo habitat napotka problem, nie zawsze będzie można czekać na instrukcje z Ziemi. System pokładowy musi sam analizować dane, reagować na warunki i podejmować decyzje szybciej, niż zrobiłby to zespół oddalony o miliony kilometrów.
Właśnie dlatego NASA testuje procesor HPSC NASA, czyli High Performance Spaceflight Computing. To układ zaprojektowany z myślą o przyszłych misjach, w których sztuczna inteligencja i szybkie przetwarzanie danych będą równie ważne jak silniki, panele słoneczne czy systemy podtrzymywania życia.
Dlaczego stare procesory kosmiczne przestają wystarczać?
Przez lata NASA korzystała z procesorów tworzonych głównie z myślą o niezawodności. W kosmosie to cecha kluczowa. Elektronika musi znosić promieniowanie, skrajne temperatury, wstrząsy i długą pracę bez serwisu.
Problem w tym, że współczesne misje zbierają coraz więcej danych. Kamery, radary, czujniki lądowania, instrumenty naukowe i systemy nawigacyjne generują ogromne ilości informacji. Jeśli komputer pokładowy jest zbyt wolny, część danych trzeba przesłać na Ziemię do późniejszej analizy. To zajmuje czas, zużywa zasoby i ogranicza tempo badań.
Nowy układ HPSC ma to zmienić. NASA opracowuje go we współpracy z firmą Microchip Technology Inc. z Arizony. Według założeń procesor ma zapewniać nawet 100 razy większą moc obliczeniową niż obecnie stosowane systemy kosmiczne, zachowując odporność potrzebną do pracy poza Ziemią.
Czym właściwie jest procesor HPSC NASA?
HPSC to układ typu system-on-a-chip, czyli SoC. W uproszczeniu: wiele elementów komputera mieści się w jednym, kompaktowym procesorze.
W takim układzie mogą znaleźć się między innymi jednostki centralne, moduły obliczeniowe, pamięć, interfejsy wejścia i wyjścia oraz elementy odpowiedzialne za komunikację wewnątrz systemu. Podobną ideę stosuje się w smartfonach czy tabletach, ale wersja kosmiczna musi spełniać zupełnie inne wymagania.
Zwykły procesor nie jest tworzony po to, by latami działać w środowisku pełnym promieniowania, daleko od Ziemi i bez możliwości naprawy. HPSC ma być odporny na błędy, elastyczny i zdolny do pracy w warunkach, które dla klasycznej elektroniki byłyby bardzo trudne.
NASA/JPL-Caltech/Ryan Lannom )
Sztuczna inteligencja w kosmosie potrzebuje mocniejszych komputerów
Jednym z głównych powodów rozwoju HPSC jest rosnąca rola sztucznej inteligencji w misjach kosmicznych. AI może pomagać w analizie obrazów, rozpoznawaniu zagrożeń, planowaniu ruchu łazików, obsłudze lądowania czy selekcji najważniejszych danych naukowych.
Taki system musi jednak mieć na czym pracować. Algorytm sztucznej inteligencji bez odpowiedniej mocy obliczeniowej jest jak świetny kierowca w samochodzie bez silnika. HPSC ma zapewnić wydajne przetwarzanie danych AI, w tym obsługę obliczeń wektorowych i dużych strumieni informacji z czujników.
To szczególnie ważne podczas lądowania. Wtedy statek kosmiczny musi błyskawicznie analizować otoczenie, wysokość, prędkość, ukształtowanie terenu i potencjalne przeszkody. Każda sekunda ma znaczenie.
Oszczędzanie energii będzie równie ważne jak wydajność
W kosmosie energia jest zasobem, którego nie można marnować. Dlatego HPSC ma nie tylko liczyć szybciej, ale też elastycznie zarządzać poborem mocy.
NASA zaprojektowała układ tak, aby można było dostosowywać jego wydajność do aktualnych potrzeb. Gdy pełna moc nie jest wymagana, część funkcji może zostać wyłączona albo przełączona w tryb niższego zużycia energii.
To ważne w misjach, które mają bardzo różne wymagania. Inaczej pracuje orbiter, inaczej łazik, a jeszcze inaczej habitat dla astronautów. Jeden system obliczeniowy, który da się skalować energetycznie, może więc znaleźć zastosowanie w wielu typach misji.
Testy w JPL: promieniowanie, temperatura i trudne scenariusze
Nowy procesor jest testowany przez techników z Jet Propulsion Laboratory NASA. Próby rozpoczęły się w lutym i mają potrwać kilka miesięcy. Ich celem jest sprawdzenie, czy układ poradzi sobie z warunkami podobnymi do tych, które spotka w czasie prawdziwych misji.
Inżynierowie badają między innymi odporność na promieniowanie, skrajne temperatury i wstrząsy. To nie są formalności. W kosmosie wysokoenergetyczne cząstki pochodzące ze Słońca oraz promieniowanie kosmiczne mogą zakłócać pracę elektroniki. Z kolei ekstremalne zimno może doprowadzić do problemów z bateriami i uruchomienia trybu awaryjnego statku.
NASA sprawdza też wydajność procesora w realistycznych scenariuszach, między innymi związanych z lądowaniem. To właśnie tam liczy się szybkie przetwarzanie danych z wielu czujników jednocześnie.
Pierwsze wyniki wyglądają obiecująco
Według obserwacji inżynierów JPL procesor HPSC wypada bardzo dobrze w pierwszej rundzie testów środowiskowych. Materiał podaje, że układ jest 500 razy wydajniejszy od obecnie używanych procesorów zabezpieczonych przed promieniowaniem.
Jeśli procesor przejdzie certyfikację do lotów kosmicznych, NASA będzie mogła wykorzystać go w przyszłych orbiterach, łazikach, habitatów oraz misjach w głęboki kosmos.
To może być duża zmiana. Nie dlatego, że statek kosmiczny nagle „zacznie myśleć” jak człowiek, ale dlatego, że będzie mógł szybciej analizować sytuację i działać bez ciągłego czekania na polecenia z Ziemi.
W praktyce oznacza to sprawniejsze misje, szybszą naukę i większą niezależność maszyn pracujących tam, gdzie człowiek nie może po prostu podejść z laptopem i naprawić problemu.
Co to oznacza dla przyszłości eksploracji kosmosu?
Procesor HPSC NASA pokazuje, w jakim kierunku zmierza eksploracja kosmiczna. Przyszłe misje będą potrzebowały nie tylko mocniejszych rakiet, ale też bardziej samodzielnych komputerów. Szczególnie tam, gdzie komunikacja z Ziemią jest opóźniona, a warunki mogą zmieniać się szybciej, niż zdąży zareagować centrum kontroli.
Jeśli testy zakończą się sukcesem, HPSC może stać się jednym z tych elementów technologii, których przeciętny widz nie zobaczy na pierwszym planie, ale bez których kolejne „gigantyczne skoki” NASA byłyby znacznie trudniejsze.