國際太空站(International Space Station;ISS)目前正在進行幾項實驗,測試太空總署能否更進一步超越傳統的抗輻射元件。

如果一切按計劃進行,由美國SpaceX開發的天龍號太空船(SpaceX Dragon)預計將於今秋自國際太空站返回地球,並等待工程師測試一組登陸軌道實驗室與測試台將近一整年的伺服器。這項實驗的目的在於模擬至火星旅行將近一年,並確定現成硬體是否能在外太空中正常運作。

同時,太空總署正準備以ARM處理器核心設計作為其下一代太空電子元件的基礎。此外,它還研究了輻射對於記憶體晶片的影響。

針對美國太空總署(NASA)聯手慧與科技(Hewlett Packard Enterprise;HPE)打造的首款太空超級電腦——Spaceborne Computer,HPE工程師提供了一組安裝在國際太空站的雙插槽伺服器(另有一組相同的伺服器安裝於地面,作為該實驗的「控制組」)。HPE的伺服器於去年8月發佈,用於評估NASA最終是否能從昂貴的抗輻射元件過渡至採用現成可用的商業硬體——這些硬體經證實越來越能抵抗具破壞力的電離輻射影響。

輻射的危害也牽涉到旅行至火星——與地球最接近時的距離至少為3,500萬英哩——而且還很可能遠遠大於在地球軌道上的輻射危害。然而,HPE的工程師指出,目前的商用電子元件在抗輻射的能力方面,遠遠超過了太空站的抗輻射要求。

這兩個板載伺服器用於鏡像NASA艾姆斯研究中心(Ames Research Center)的機器,以因應太空站所要求的大部份處理任務。HPE工程師兼Spaceborne Computer計劃共同研究員Mark Fernandez表示,在這組伺服器中,其中一台伺服器持續盡可能快速地運轉,而第二台伺服器的運作速度則較慢。「如果發生異常時,它只會出現在運轉快速的伺服器上,那麼操作人員就能夠減緩其速度。」

Fernandez解釋說,這項實驗的目的在於確定機器是否能在火星旅行中存活且運作正常,如果可以的話,就能為太空人提供正確的答案。

目前的時間表要求伺服器必須在11月登上天龍號太空船返回地球。Fernandez補充說,HPE的研究人員將會針對元件進行故障分析,以確定他們在太空中使用一整年後如何開始「退化」。

NASA的太空運算計劃可以追溯到2014年的SGI——SGI是NASA Ames的長期運算設備供應商。SGI於2016年被HPE收購。

根據對於任務的描述,當太空站被高濃度的粒子或電磁輻射摧毀時,其功耗和處理速度隨之降低。因此,研究的目的在於找出伺服器在較慢速度下是否仍能正常運作。

20180704_Space_NT01 部署於國際太空站的一對HPE伺服器,作為模擬火星旅行計劃的一部份

在波動輻射的條件下,Gen 9 Apollo 40系列Xeon伺服器仍然心執行運算和資料密集型應用,同時,研究人員則監控其功耗,並「動態調整所消耗的功率」,以便在模擬火星旅行期間衡量Spaceborne Computer太空超級電腦的整體性能。

NASA長期以來採用傳統且昂貴的抗輻射電子元件,其方式是在半導體晶片上增加冗餘電路或者採用絕緣基板。但採用這種蠻力途徑的代價十分昂貴。HPE工程師在一則部落格文章中提出其所謂更便宜的抗輻射電子元件法:「……在不利的情況下只需減慢系統速度,就能夠免於故障並保持電腦的運作。」

該伺服器實驗還利用了相對較新的商業太空能力。SpaceX是Space Exploration Technologies Corp.的縮寫——它是至今唯一一家不僅能為太空站提供物資,同時還能將這些實驗及其所收集的寶貴資料送回地球的公司。

2012年5月以來,SpaceX Dragon天龍號太空船就一直在進行至國際太空站的任務。

同時,預計在接下來的幾年內就可看到未來太空運算平台的關鍵元件了。例如,太空總署預計其下一代通用處理器(ARM Cortex-A53的變化版本)將於2020年推出。

NASA在2016年選擇採用ARM處理器,意味著它很可能已經凍結其下一代載人太空船的部份設計。根據觀察家指出,Cortex-A53是在2014年推出的,這意味著到2020年,以商用電子元件的標準來看,微處理器核心很可能成為古董級元件。儘管如此,它象徵著太空電子元件的升級,畢竟這些太空電子元件大多都無法延續摩爾定律的微縮進展。

作為NASA抗輻射電子記憶體實驗的一部份,ARM處理器已於2016年旅行至國際太空站。 NASA與美國空軍(NASA–Air Force)的合作計劃則研究靜態隨機存取憶體(SRAM)在太空中遭到高能粒子撞擊時發生故障的頻率。記憶體實驗部份採用基於ARM的微控制器(MCU)進行監測。

— George Leopold是《EE Times》前執行編輯,著有《甘冒風險:Gus Grissom的超音速生活與時代》(Calculated Risk: The Supersonic Life and Times of Gus Grissom;Purdue University Press, 2016)。

編譯:Susan Hong

(參考原文:NASA Embraces Commercial Electronics,by George Leopold, Science & Technology Writer)