c’t 3003: Welche Computer überleben im Weltall?

Wie werden Computer so (um)gebaut, dass sie im Weltraum überleben können? Und welches pro Rohscheiben sind dies im Prinzip, die z. B. hinaus dem Roter Planet zum Kapitaleinsatz kommen? c’t 3003 hat recherchiert.

Transkript des Videos

(Kennziffer: Es handelt sich hier um verschmelzen Bonusinhalt pro Menschen, die dies Video oben nicht schauen können oder wollen. Die Informationen hinaus jener Bildspur gibt dies Transkript nicht wieder.)

Vielleicht habt ihr ja sogar so verschmelzen Onkel, jener nebst Familienfeiern immer sowas sagt wie:

„Hör mir doch hinaus mit deinem superschnellen Smartphone – die erste Mondfähre konnte zum Mond segeln und war nur so schnell wie’n Taschenrechner.“

Ja, Onkel Heiner: Dies ist zugegeben ne ziemlich abgedroschene Erzählung.

Ungeachtet ist vielleicht doch welches dran? Und welches pro Rohscheiben stecken im Prinzip heute so in Raumschiffen und Weltraumsonden?

Finden wir’s raus! Bleibt dran!

Liebe Hackerinnen, liebe Internetsurfer! Herzlich willkommen hier nebst…

In Folge dessen: Im Weltraum gibt es nicht nur unzählige Sterne, Gesteinsbrocken … und Alf…sondern sogar jede Menge Raumsonden, die wir Menschen in den letzten Jahren da hoch geschickt nach sich ziehen. Wenige umkreisen die Schutzerde, andere den Mond oder den Jupiter und wieder andere gondeln, oder segeln sogar, hinaus dem Roter Planet rum.

Und all sie Geräte zu tun sein ab jener allerersten Minute so einiges tolerieren: Raketen scheppern schon beim Start so dermaßen laut, dass im Alleingang die derbei entstehenden Schallwellen euer Equipment zertrennen können.

So gesehen neigen die nebst jener National Aeronautics and Space Administration da beim Start so viel Wasser drauf – dies ist tatsächlich jener einzig sinnvolle Weg, so viel Krach zu dämmen. Space-Hardware muss darum zuallererst mal ziemlich harte Vibrationen tolerieren.

Nachdem dem Start wird’s nicht viel besser, denn dann … kommt jener Weltraum. Da ist es natürlich sogar erstmal ziemlich lebensfeindlich, und vornehmlich fies sind waagerecht Verdichtung, Temperatur und Strahlung. Ungeachtet eins nachdem dem anderen.

Beim Verdichtung ist dies ja recht logisch: Eure Hardware muss mindestens mal 1 Gaststätte Verdichtung hinaus jener Schutzerde tolerieren, allerdings sogar dies Vakuum im Sphäre.

Und nebst jener Temperatur geht es in erster Linie um die Temperaturextreme, gegen die man nicht viel zeugen kann. Vor allem Satelliten hinaus jener Umlaufbahn können hinaus jener Seite Richtung Sonne mal waagerecht 150 Rang Celsius nach sich ziehen, während die Rückseite des gleichen Satelliten kuschelige -180 Rang tolerieren muss. Lichtvoll, denn im Weltraum gibt es keine Lufthülle, die solche Unterschiede irgendwie bezahlen könnte. Was auch immer, welches so ein Satellit an Bord hat, muss darum entweder intrinsisch dieser Temperaturspanne gehen – oder es muss soweit gekühlt oder geheizt werden, solange bis es wieder klappt. Dies kostet Leistung, und die gibt’s nebst Raumsonden meistens sogar nur sehr limitiert. Außerdem bedeuten solche Schwankungen natürlich sogar, dass sich die Gesamtheit ständig ausdehnt und wieder zusammenzieht – ist darum die Gesamtheit nicht so reibungslos.

Hinaus anderen Planeten sieht dies Ganze nicht viel besser aus. Wenn wir sowas wie Marswetterberichte hätten, würden die ungefähr so aussehen.

Joa, is kalt.

Kann man wirklich so sagen, nebst im Schnittwunde -63 Rang Celsius. So gesehen zu tun sein aus Rover, darum die “Marsautos”, die hier rumfahren, eine Heizung derbei nach sich ziehen, damit sie die eiskalten Marsnächte überleben – denn dann sind sie meistens in so einer Sorte Weltraum-Stand-By-Modus, um Leistung zu sparen.

Wenn ihr euch eine Karriere qua Weltraum-Computer vorstellt, solltet ihr darum ne dicke Mantel mitnehmen. Und dann wäre da die allseits beliebte Königsdisziplin pro Technologie im Weltraum: die Strahlung – und da … wird’s wirklich wild.

Erstmal wichtig: Strahlung ist im Weltraum quasi überall – und da geht’s vor allem um Kosmische Strahlung. Die entsteht in Sternen, sogar in unserer eigenen Sonne, allerdings sogar in fernen Galaxien.

Welche Strahlung trifft hinaus die Gesamtheit, welches irgendwie im Sphäre unterwegs ist. In Folge dessen hinaus Asteroiden, Planeten und waagerecht hinaus Raumsonden. Planeten, die wie die Schutzerde ein ordentliches Magnetfeld nach sich ziehen, können solche Strahlen um sich herumlenken. Was auch immer, welches intrinsisch des Magnetfeldes bleibt, ist dann schonmal ziemlich sicher. Und hier hinaus jener Erdoberfläche – hinaus jener ihr euch vermutlich sogar ohne Rest durch zwei teilbar rumtreibt, darum denk ich zumindest mal – schützt uns außerdem die dicke Erdatmosphäre, sodass die Strahlen, die hier kommen, im Prinzip nicht mehr viel zeugen können.

Zwischen Satelliten und Raumsonden sieht dies natürlich unterschiedlich aus, denn die zu tun sein gerne mal den Van-Allen-Gurt vorbeigehen…

…so nennt man den Strahlengürtel jener Schutzerde, jener aus vom Magnetfeld umgelenkten Teilchen besteht.

Hinaus jeden Kern qua Richtwert: Hier hinaus jener Schutzerde bekommen wir aus ungefähr 0,00253 Millisievert Kosmische Strahlung ab, pro Jahr – dies ist darum eine ziemlich ungefährliche Dosis.

Hinaus Raumstationen wie jener ISS können Astronauten schon 0,8 Millisievert abbekommen, sogar pro Jahr. Und im Van-Allen-Gurt können es manchmal sogar solange bis zu 200 Millisievert sein – allerdings nicht pro Jahr, sondern, in Extremfällen, … pro Stunde.

Wie dem sogar sei: Im Weltraum ist es ziemlich gefährlich – pro Menschen und pro Technologie – es ist zu sehr warm, zu kalt, zu verstrahlt – darum real nicht die besten Arbeitsbedingungen…

Okay: Ungeachtet wie klappt dies denn jetzt, nebst Rovern, die zusätzlich Jahre hinweg zufrieden zusätzlich den Roter Planet rollen? Warum möglich sein die nicht kaputt?

Schauen wir uns mal die letzte Hightech-Kreationen jener National Aeronautics and Space Administration an, die ziemlich identischen Roter Planet-Rover “Perseverance” und “Curiosity”. Die nach sich ziehen beiderlei ganz spezielle Hardware an Bord: Jedenfalls fährt Curiosity jetzt schon seither zusätzlich 10 Jahren da durch die Viertel und hat derbei notdürftig 30 Kilometer zurückgelegt, Fotos und Bohrungen gemacht und die Gesamtheit brav zurückgefunkt. Und Perseverance ist zwar noch frischer, hat dazu allerdings den allerersten Weltraum-Helikopter Ingenuity derbei, außerdem 23 19 Kameras, ein Radar, Mikrofone, ne Wetterwarte, sogar nen Laser und jede Menge andere wissenschaftliche Geräte, von kurzer Dauer: Die Teile nach sich ziehen ne voll stabile Hardwareausstattung.

Und all dies wird ermöglicht durch…

…verschmelzen Prozessor von 1998.

Hä?

Ja, dies klingt erstmal merkwürdig. Ungeachtet ohne Rest durch zwei teilbar dies ist ein Grund dazu, warum Roter Planet-Rover schier gehen: Es kommen Rohscheiben zum Kapitaleinsatz, die zwar nicht top notch sind, dazu allerdings sogar noch nachdem 10 Jahren hinaus jener Marsoberfläche gehen.

Die Rohscheiben in den Roter Planet-Rovern basieren tatsächlich hinaus den PowerPC-G3 CPUs, mit solange bis zu 200 MHz, und kombiniert mit sensationellen 256 MB RAM. Dies sind Specs, die an den allerersten iMac aus dem Jahr 1998 erinnern. Nur, dass jener iMac sogar in jener Basisausstattung weiland schon höher getaktet war – und hinaus dem Roter Planet dies Echtzeitbetriebssystem VxWorks gebraucht wird.

Und es gibt da noch viel mehr Unterschiede: Denn, und dies geht raus an Onkel Heiner, natürlich rollen hinaus dem Roter Planet keine ganz normalen alten iMac-Prozessoren durch die Viertel, genauso wenig, wie Taschenrechner zum Mond geflogen sind. Denn Rohscheiben, die von außen kommend jener Schutzerde überleben zu tun sein, nach sich ziehen eine ganz besondere Therapie hinter sich. Und die nennt sich „Radiation Hardening“.

Im Innersten ist dies ein Oberbegriff pro verschiedene Strategien, um verschmelzen handelsüblichen Chip gut in Form zu zeugen pro Strahlungswerte, wie sie zum Paradigma im Sphäre leben. Und die Rohscheiben an Bord jener Marsrover sind ein gutes Paradigma dazu. Welche Version des PowerPC-G3-Rohscheiben heißt RAD750, wird von BAE Systems hergestellt und soll es geben, dass in 15 Jahren Firma nur ein einziger Flugzeugunglück wegen jener marsianischen Umweltbedingungen passiert. Oh, und jener Weltraum-G3 kostet mal waagerecht 200.000 Dollar. Und ja, damit meine ich nur den Chip.

Dieserfalls steckt dies Teil da sogar zusammen innerhalb, da die meisten National Aeronautics and Space Administration-Designs zwei komplette Rechner verbauen, Redundanz und so – zumindest ist dies noch schwierig, mit dem interplanetaren Tech-Support.

Ungeachtet warum genau sind sie Rohscheiben jetzt so teuer? Naja: Wird ein Computer mit Strahlung bombardiert, können sogenannte SEUs vorbeigehen. Dies heißt „Single Event Upset“ und ist reibungslos eine Bezeichnung pro Fehler, die zutage treten, wenn ein einzelnes hochenergetisches Teilchen hinaus ein elektronisches Bauteil trifft und dort, vorübergehend, pro Fehler sorgt. Dies Ganze ist ein „Soft Error“, jener keine bleibenden Schäden am Bauteil verursacht – verschmelzen Rechner kann dies allerdings durchaus durcheinander mitbringen, zum Paradigma dann, wenn jener Zustand einzelner Bits verändert wird.

Und jetzt kommt’s: Dies Problem mit den „Single Event Upsets“ wird immer schlimmer, je moderner ein Chip ist. Denn: Erstmal sind moderne Rohscheiben, die ja in immer kleinerer Strukturbreite hergestellt werden, quasi zwangsläufig ziemlich sensibel, wenn es um Spannungen geht. Und da kann dann waagerecht schon ein einziges Teilchen aus dem Sonnenwind reichen, um Wirrwarr zu erzeugen.

Dann sind moderne Rohscheiben meistens höher getaktet qua, zum Paradigma, im Jahr 1998 – große Verwunderung. Und sogar dies ist ein Problem: Denn in Folge dessen steigt die Gefahr pro verschmelzen strahlenbedingten Latch-Up-Folgeerscheinung – da geht’s, vereinfacht gesagt, um Kurzschlüsse, die hinaus Dauer Bauteile zerstören können.

Jeder Kunstfertigkeit, mit dem moderne Rohscheiben verbessert werden, macht sie darum leider sogar anfälliger pro Strahlung und damit pro den Kapitaleinsatz im Weltraum. Und genau dies ist dies Problem und jener Grund dazu, warum es manchmal eine gute Idee ist, Tussi und erprobte Designs, die weder vornehmlich schnell noch kompakt sind, zu optimieren und – zack – schon geht’s ab hinaus den Roter Planet.

In Folge dessen, weitestgehend, denn “Optimieren” heißt in diesem Kern nicht, reibungslos verschmelzen alten Chip zu nehmen, kleinster Teil Strahlenschutz drum und fertig. Dies Ganze ist deswegen so teuer, weil manchmal völlig andere Materialien und Baugrößen verwendet werden, sodass pro die Fertigung von ein paar Rohscheiben praktisch eine eigene Foundry gebraucht wird – und dies kostet natürlich. Trotzdem kann es sich lohnen, derbei hinaus Tussi Chip-Designs zu setzen, damit man zumindest nicht komplett nebst 0 lancieren muss.

Genau drum sind RAD750 CPUs nicht nur in Roter Planet-Rovern integriert worden sondern sogar in die Kometensonde „Deep Impact“, im Weltraumteleskop Kepler und in verschiedenste Erdbeobachtungssatelliten. Außerdem kreist ohne Rest durch zwei teilbar ein RAD750 qua Teil jener National Aeronautics and Space Administration-Sonde JUNO um den Jupiter – und sogar im nagelneuen James-Webb-Teleskop steckt so ein Chip. Man kann darum sagen, dass viele spannende Missionen im ganzen Sonnensystem praktisch keiner nicht ausgeschlossen wären ohne solche Hardware.

Wie dem sogar sei: Nunmehrig setzt man in großen Teilen des Sonnensystems noch immer hinaus Technologie aus dem Jahr 1998. Ungeachtet wie sieht dies wohl in Zukunft aus? Kann ja nich immer so weitergehen und ein Upgrade hinaus Pentium 4 ist hoffentlich nicht geplant.

Tatsächlich werden ohne Rest durch zwei teilbar neue und sehr viel bessere Rohscheiben entwickelt, die extra pro den Kapitaleinsatz im Weltraum gedacht sind. Und die setzen vielmehr hinaus den Prozedur „Radiation Hardening by Formgebung“ – darum die Idee, Strahlenresistenz beim Gestalten eines Rohscheiben von Entstehen an mitzudenken, und sind meistens komplette Systems-On-A-Chip – die Hardware-Trends im Sphäre sind darum keiner so unterschiedlich qua hier hinaus jener Schutzerde.

Dieserfalls gibt’s allerdings verschiedene Grundideen. Die Europäische Weltraumorganisation hat zum Paradigma mit dem „LEON“ eine eigene Plattform pro den Weltraum-Kapitaleinsatz entwickelt, basierend hinaus jener SPARC-V8-Baukunst. Da ist vornehmlich spannend, dass die Europäische Weltraumorganisation keine kommerziellen Designs verwurstet, sondern schon seither Jahren hinaus Open Source setzt: Die frühen LEONs waren die ersten Chipdesigns schier, die komplett unter einer Open-Source-Lizenz veröffentlicht wurden. Mittlerweile wird sogar schon zusätzlich den Nachfolger mit dem Namen NOEL nachgedacht, dies soll dann ein RISC-Vanadium Chip werden.

Nebensächlich nebst jener National Aeronautics and Space Administration sagt man sich offenbar: No RISC, no fun.

Da wurde erst im September verkündet, dass jener schon lange Zeit erwartete HPSC – dies steht pro High Performance Space Computing – sogar hinaus jener RISC-Vanadium-Baukunst basieren soll. Vor ein paar Jahren war dies Ganze noch qua ARM-Formgebung geplant – ganz so reibungslos scheint es darum nicht zu sein, die perfekte Weltraum CPU-Baukunst zu finden. Welcher “neue” HPSC ist jedenfalls sogar ein System-On-A-Chip und soll mal waagerecht solange bis zu 100 Mal schneller sein qua bisherige Weltraum-CPUs.

Anstatt erprobte kommerzielle Designs zu nehmen, die dann langsamer, allerdings dazu strahlensicherer zu zeugen, wird jetzt darum an ganz neuer Hardware gearbeitet, die von Entstehen an extra dazu gemacht ist, im Weltraum abzuliefern. Dies ist im Alleingang deswegen schon wichtig, da wirklich autonome Systeme im Weltraum Gold wert sind: Jedenfalls nötig haben aus Funksignale zum Paradigma zum Roter Planet je nachdem Stand jener Planeten ganze 3,1 und 22,3 5 solange bis 20 Minuten, solange bis sie da schier kommen. Dann muss die Gesamtheit verarbeitet und zurückgesendet werden, welches dann sogar wieder 3,1 solange bis 22,3 5 solange bis 20 Minuten dauert. Wessen Hardware in jener Zwischenzeit reibungslos weiterarbeiten kann, kann darum fühlbar mehr aus Weltraummissionen herauskitzeln – und dazu braucht es halt Einiges an Rechenleistung.

Übrigens: Natürlich nutzen sogar andere Raumfahrtorganisationen qua National Aeronautics and Space Administration und Europäische Weltraumorganisation spezielle Space-Rohscheiben. Die Designs von National Aeronautics and Space Administration und Europäische Weltraumorganisation sind allerdings der bevorzugte Lösungsweg erprobt und von dort ziemlich interessant – und dies ganze Themenbereich ist ein derartiges Rabbit Hole, dass wir eigen sowieso um die 1000 spannende Chip-Designs vergessen nach sich ziehen.

In Folge dessen, Onkel Heiner: Sorry, allerdings dies mit den Taschenrechnern im Weltraum … Rogation, lass es reibungslos. Tschüss!

c’t 3003 ist jener YouTube-Channel von c’t. Die Videos hinaus c’t 3003 sind eigenständige Inhalte und unabhängig von den Artikeln im c’t magazin. Redaktor Jan-Keno Janssen und die Video-Producer Şahin Erengil und Pascal Schewe veröffentlichen jede Woche ein Video.

(jkj)