كمبيوتر مقاوم للإشعاع

يقوم باحثو ناسا بتطوير أجهزة كمبيوتر متقدمة يمكنها التفكير بوضوح حتى عند تعرضها للإشعاع في الفضاء

آفي بيليزوفسكي

في الصورة: أعلى اليسار: كيف يدمر الإشعاع الفضائي معالجات الكمبيوتر. على اليمين: الحل الثلاثي الذي تقدمه EAFTC. أدناه - مجموعة مختارة من البيئات التي ستعمل فيها أجهزة الكمبيوتر - في سفينة الفضاء، وعلى المريخ وعلى القمر

عندما يصبح جهاز الكمبيوتر الخاص بك مجنونًا، أو يفسد بياناتك أو يتعطل تمامًا، فقد يكون الأمر محبطًا ولكن بالنسبة لرواد الفضاء الذين يعتمدون على الكمبيوتر للتنقل في سفينة الفضاء الخاصة بهم ومراقبة نظام دعم الحياة، يمكن أن تكون أعطال الكمبيوتر قاتلة (من لا يتذكر الله) الكمبيوتر في فيلم 2001 A Space Odyssey .
ولسوء الحظ، فإن مساحة الفيضان الإشعاعي يمكن أن تسبب مثل هذه الأعطال. عندما تصل الجسيمات بسرعة عالية مثل الأشعة الكونية، وتصطدم بالأسلاك المجهرية لرقائق الكمبيوتر، فإنها يمكن أن تتسبب في ارتكاب الشريحة لأخطاء. إذا تسببت هذه الأعطال في انحراف المركبة الفضائية عن مدارها أو التدخل في عمل نظام دعم الحياة، فقد يكون هذا خبرًا سيئًا.
ولضمان سلامة الرحلة، يستخدم رواد الفضاء أجهزة كمبيوتر ذات شرائح مقوية ضد الإشعاع. تختلف الرقائق "Rad-hard" عن الرقائق العادية بعدة طرق. على سبيل المثال، تحتوي على ترانزستورات زائدة وبالتالي تتطلب المزيد من الطاقة لتشغيل الكمبيوتر وإيقاف تشغيله. ولا تستطيع الأشعة الكونية أن تغير مجالاتها (من صفر إلى واحد أو العكس) بهذه السهولة. سوف تستمر الرقائق المقواة بالإشعاع في إجراء حسابات دقيقة حيث قد تصبح الرقائق العادية مجنونة.
تعتمد ناسا بشكل حصري على هذه الرقائق المقواة لإجراء العمليات الحسابية في الفضاء، لكن هذه الرقائق المصنوعة خصيصًا لها عيوب عديدة. أولا، أنها باهظة الثمن، ثانيا، أنها تستهلك الكثير من الطاقة، وثالثا، فهي بطيئة، 10 مرات أبطأ من وحدة المعالجة المركزية المكافئة في أجهزة الكمبيوتر المنزلية الحديثة.
عندما ترسل ناسا البشر إلى القمر والمريخ، سيكون مصممو المركبة الفضائية التي ستحملهم سعداء لأن أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهم ستتمتع بقوة أكبر.
ستجعل قوة المعالجة الأقوى في سفينة الفضاء من الممكن الحفاظ على المورد الأكثر محدودية - عرض النطاق الترددي. عرض النطاق الترددي المتاح لنقل البيانات إلى الأرض غالبًا ما يمثل عنق الزجاجة، حيث تكون معدلات النقل أبطأ حتى من أجهزة مودم الطلب الهاتفي القديمة. إذا كان من الممكن معالجة جميع البيانات الأولية التي جمعتها أجهزة استشعار المركبة الفضائية على متن الطائرة، فلن يتمكن العلماء من سحب نتائج المعالجة منها إلا، الأمر الذي سيتطلب نطاقًا تردديًا أقل بكثير.
وعلى سطح القمر أو المريخ، سيتمكن رواد الفضاء من استخدام أجهزة كمبيوتر عالية السرعة لتحليل البيانات بعد جمعها، وتحديد المجالات ذات الاهتمام العلمي بسرعة وربما جمع بيانات إضافية لاستغلال الفرص قبل فوات الأوان. وحتى المركبات الفضائية الآلية ستكون قادرة على الاستفادة من الذكاء الزائد للمعالجات الحديثة.
إن استخدام نفس المعالجات غير المكلفة - سواء كانت معالجات Pentium أو Power PC المستخدمة لأجهزة الكمبيوتر الشخصية، سيكون بمثابة تحسن كبير، بشرط حل مشكلة الأخطاء الناجمة عن الإشعاع.

هذا هو المكان الذي يلعب فيه مشروع جديد لناسا يسمى الحوسبة المتكيفة مع الأخطاء بيئيًا (EAFTC). ويعمل الباحثون حاليًا على المشروع لمحاولة طرق استخدام المعالجات العادية في المهام الفضائية. إنهم مهتمون بشكل خاص بـ "اضطرابات الأحداث الفردية"، وهو النوع الأكثر شيوعًا من الفشل الناتج عن اختراق جسيم إشعاعي واحد للرقاقة.
يوضح عضو الفريق رافائيل سوم من مختبر الدفع النفاث: "إحدى طرق استخدام المعالجات التجارية في الفضاء هي ببساطة استخدام ثلاثة معالجات. إذا ارتكب أحد المعالجين خطأ ناجمًا عن الإشعاع، فلا يزال بإمكان المعالجين الآخرين الموافقة، وبقرار الأغلبية يقدمون الإجابة الصحيحة.
سينجح هذا ولكن لا تزال هناك مشكلة إهدار الطاقة في القدرة الحاسوبية للتحقق ثلاث مرات من كل عملية حسابية لن تكون حرجة دائمًا.
يقول سام: "للقيام بذلك بطريقة أكثر ذكاءً وفعالية، نقوم بتطوير برنامج يأخذ في الاعتبار أهمية العمليات الحسابية". "إذا كانت عملية حسابية مهمة مثل الملاحة، فيجب على المعالجات الثلاثة التصويت. إذا كانت عملية حسابية أقل أهمية مثل قياس التركيب الكيميائي للصخر، فيمكن أن يكون معالج واحد أو اثنين كافيًا.
ومع ذلك، فهذه ليست سوى واحدة من عشرات تقنيات تصحيح الأخطاء التي ستستخدمها EAFTC. والنتيجة هي كفاءة أكبر. بدون برنامج EAFTC، سيتطلب الكمبيوتر المعتمد على المعالجات الاستهلاكية تكرارًا بنسبة 100-200 بالمائة للحماية من أخطاء الإشعاع. ومع EAFTC، فإن ما يزيد عن 15-20 بالمائة يكفي للحصول على نفس الدرجة من التغطية. يمكن استخدام كل وقت المعالجة المحفوظ لتطبيقات أكثر إنتاجية.
"لن تحل EAFTC محل المعالجات القوية." يشرح سام. "ستكون هناك مهام، مثل دعم وجود الحياة، تكون في غاية الأهمية لدرجة أننا سنرغب دائمًا في تشغيل شرائح صلبة لتشغيلها. ومع ذلك، فإن الخوارزميات التي طورناها لـ EAFTC يمكن أن تساعد أيضًا في تخفيف حمل المعالجة على أجهزة الكمبيوتر هذه، وبالتالي زيادة قوة الحوسبة المتاحة لرواد الفضاء."
وستكون أول تجربة لـ EAFTC على متن القمر الصناعي المعروف باسم Space Technology 8 (ST-8)، والذي ينتمي إلى برنامج الألفية التابع لناسا. سيتم استخدام ST-8 لاختبار التقنيات الجديدة وسيتم استخدام الدروس المستفادة منه في التخطيط للبعثات الفضائية المستقبلية عندما تكون هناك ثقة أكبر في التكنولوجيا.
سوف يعبر القمر الصناعي، المقرر إطلاقه في عام 2009، حزام فان ألين في جميع أنحاء المدار الإهليلجي للأرض وسيختبر EAFTC في ظل ظروف إشعاعية قوية مماثلة لتلك الموجودة في الفضاء السحيق. إذا سارت الأمور على ما يرام، فإن المركبات الفضائية التي ستعبر النظام الشمسي ستكون قادرة على استخدام نفس الرقائق المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الشخصية لدينا - فقط دون حدوث أعطال.

للحصول على معلومات على موقع ناسا
معرفة الإنسان والفضاء

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~323039534~~~80&SiteName=hayadan