Pytanie:
Dlaczego nie chronimy istniejących procesorów przed promieniowaniem, zamiast projektować nowe?
mattia.b89
2019-11-12 21:05:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Właśnie przeczytałem ten artykuł o procesorach z klasą kosmiczną [1]”.

Nie jestem ekspertem w dziedzinie kosmosu wcale , ale pytanie narodziło się naturalnie:
dlaczego nie wolimy osłonić procesorów zaprojektowanych z uziemieniem (znacznie tańsze) niż projektować zupełnie nowe procesory odporne na promieniowanie?

PS: Przeczytałem tutaj kilka pytań, ale nikt nie mówi o tej stronie problemu.


[1] https: //arstechnica.com/science/2019/11/space-grade-cpus-how-do-you-send-more-computing-power-into-space/

Przy okazji to fajny artykuł, jest tam dużo historii.
Zdecydowana większość promieni kosmicznych, które padają na komputer, po prostu przechodzi. Niewielka frakcja powoduje obrażenia. Jest podobny problem z ekranowaniem. Większość promieni kosmicznych, które padają na warstwę ołowiu o grubości kilku metrów, po prostu przechodzi przez nią. (To oszustwo z mojej strony; ołów stanowi kiepską osłonę przed promieniowaniem kosmicznym). Aluminium, woda i ciekły wodór są o wiele lepsze. Wszystko, czego potrzeba, to megatona tych materiałów, aby zapewnić odpowiednie ekranowanie dla małego, małego komputera. Taka ilość osłon oznacza, że ​​uruchomienie jest niemożliwe.
Brak dowodów na badania. Różne qns pod tagiem promieniowania kosmicznego rzucają światło na ten obszar, np. Https://space.stackexchange.com/questions/388/what-materials-provide-the-best-protection-from-cosmic-radiation
@andy256: czy to faktycznie rzuca trochę światła na * jak * w rzeczywistości jest wrażliwy na promieniowanie nowoczesny procesor wykonany w 10 nm procesie krzemowym? Dzięki tak małym funkcjom, nie wymaga wiele zbędnych opłat, aby gdzieś się odwrócić (np. W pamięci podręcznej, w której wszystkie dane są „cenne”. Lub nawet w tabeli alokacji rejestrów dla niedziałającego w kolejności procesora wykonawczego prowadzącego do instrukcji przekazywanie do nich niewłaściwych danych wejściowych. Lub prawdopodobnie inne błędy bitowe mogą całkowicie zablokować procesor (ROB uważa, że ​​nie został wykonany i nie może się wycofać, ale już opuścił harmonogram, więc nigdy nie zostanie wykonany. Przejście na emeryturę zatrzymuje się na zawsze)
(Więc oczywiście potrzebujesz jakiegoś solidnego systemu nadzorującego, który resetuje komputer, jeśli okresowo nie niszczy jakiegoś sprzętu. Błędy blokowania mogą być mniej szkodliwe niż niewykryte błędy uszkodzonych danych).
@PeterCordes Ten rodzaj pasywno-agresywnej odpowiedzi jest powodem, dla którego nie spędzam już czasu na stosie.
@andy256: Nie zamierzałem, żeby to było pasywnie agresywne. Po szybkim przejrzeniu tego linku (i wyszukaniu słowa „procesor”) nie zauważyłem niczego, co rzuciłoby jakiekolwiek światło na to, jak bardzo ekran będzie potrzebował komputerowi. Pytałem na wypadek, gdybym przeoczył coś, co dotyczyło ekranowania procesorów; nie jest * wcale * oczywiste, nawet po przeczytaniu (bardzo dobrego) artykułu Ars Technica, jakiego poziomu ekranowania potrzebowałby zwykły ARM Cortex A53 (podstawa HPSC). Potem dałem się ponieść rozmowie o architekturze procesora, która jest głównym powodem, dla którego spędzam czas nad SO. To Q wygląda dobrze dla mnie.
@RonJohn: Oczywiście, że pomyśleli o tym. Ponieważ tego nie robią, musi być jakiś powód. Przypuszczam, że pytanie o wyjaśnienie tego powodu (np. Że wysokoenergetyczny promień kosmiczny może przeniknąć znaczną osłonę i wytworzyć w procesie deszcz cząstek o niższej energii) jest celem tego pytania bardziej szczegółowo niż „nie nie działa ”.
@PeterCordes, jeśli OP chciał wiedzieć, dlaczego musimy wysłać wzmocnione Radiem chipy w kosmos, zapytał o to. Ale mówiąc „Dlaczego nie osłaniamy istniejących procesorów?”, Dość rażąco sugeruje, że ekranowanie jest oczywistą odpowiedzią.
@RonJohn: Nadal myślę "dlaczego właściwie ekranowanie nie może działać?" to uczciwe pytanie. Odpowiedź brzmi: „ponieważ musiałby być o wiele za gruby / ciężki, aby był wystarczający”, jest odpowiedzią, niezależnie od poziomu szczegółowości, na jakim chcesz się poruszać. I / lub oszczędność tej masy ekranującej z procesorem wzmocnionym radiem jest warta swojej ceny, ponieważ masa = $.
@PeterCordes Q powinien przynajmniej przyznać, że Eksperci w terenie przemyśleli problem i wybrali pozornie nielogiczne rozwiązanie.
Z grubsza podobne na [physics.se]: https://physics.stackexchange.com/questions/386297/cosmic-ray-shielding-for-electronics-on-earth Ludność świeckich wydaje się mieć bardzo optymistyczne pojęcie o tym, czym jest ochrona przed promieniowaniem może osiągnąć.
@DavidHammen "Większość promieni kosmicznych, które padają na warstwę ołowiu o grubości kilku metrów, po prostu przechodzi przez nią." z [tej odpowiedzi] (https://space.stackexchange.com/a/39873/18927), „Obniżenie promieniowania o współczynnik 1000 do sześcianu 10 cm wymagałoby około pół milimetra ołowiu, co daje coś w rodzaju 250g. " EDYCJA: komentarze wydają się temu zaprzeczać. Czy ktoś ma rzeczywiste liczby?
@andy256 Komentarze, na które odpowiedziałeś, nie wydają się zawierać nawet * wskazówki * bycia bierną agresywną wobec mnie. Wręcz przeciwnie, wydają się dobrze przemyślaną odpowiedzią na twój wcześniejszy komentarz. Samo kwestionowanie czyjegoś stwierdzenia nie oznacza, że ​​jest to bierne i agresywne.
@JollyJoker Te komentarze wydają się być oparte na poważnym błędnym zrozumieniu * przed czym * próbujesz się chronić. Są sytuacje, w których dość skromne ekranowanie jest bardzo skuteczne (ty naskórek jest wystarczającym osłanianiem przed zewnętrznymi źródłami rozpadu alpa, na przykład), ale zagrożenia tutaj są znacznie bardziej przenikliwe.
@RonJohn napisał: „Q powinien przynajmniej przyznać, że eksperci w tej dziedzinie…” - ale OP napisał: „W ogóle nie jestem ekspertem”. OP sugeruje, że decyzję podjęli prawdopodobnie ludzie z większą wiedzą. Mimo to to uznanie jest w większości nieistotne dla zadanego pytania.
@andy256 Uważam, że Twój styl komentowania jest o wiele bardziej wojowniczy i agresywny niż ten, na który odpowiedziałeś. Rzeczywiście, dwa z twoich komentarzy zawierają obelgi na temat tego, jak marnujesz swój czas, a ta strona nie jest warta odwiedzenia, itp. Uważam, że drugi komentarz jest znacznie bardziej przemyślany i rzeczowy. Możesz nie zgodzić się całkowicie z poruszonymi tam kwestiami, ale jeśli uciszymy wszystkich, z którymi się nie zgadzamy, ta strona byłaby bezużyteczna. Nie uważam twojej analogii o „biciu żony” za przydatne porównanie.
[To] (https://space.stackexchange.com/questions/31820/how-did-apollo-missions-solve-the-cosmic-radiation-problem) pytanie konkretnie zadane na temat osłon w misjach Apollo, jednak odpowiedzi zapewniają wiele przydatnych podstaw, które są pomocne w tym przypadku, w tym kilka sprzecznych z intuicją argumentów, że czasami lepiej nie osłonić, niż osłonić zbyt mało. (przynajmniej dla ludzi)
Trzy odpowiedzi:
ANone
2019-11-12 21:55:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ponieważ ochrona przed promieniowaniem jest ciężka, a waga jest wrogiem przenoszenia rzeczy w kosmos.

Procesory są dość wrażliwe na promieniowanie, a niektóre rodzaje promieniowania (promienie kosmiczne) są nie tylko dobre w wnikając w większość rzeczy, powodują kaskadę wtórnego promieniowania. Ochrona urządzenia przed przedostaniem się jakiegokolwiek tego promieniowania nie jest łatwym (lekkim) zadaniem. W pewnym momencie przeprojektowanie procesora, aby był odporny na kilka uderzeń, jest bardziej ekonomiczne, ponieważ nie musisz wykluczać żadnego zdarzenia odwracającego bit, jeśli masz tolerancję na 1 na cykl.

A kilka dodatkowych przemyśleń:

  • Część kosztów ma związek z jednorazowym charakterem sprzętu kosmicznego i potrzebą testowania itp. Nawet jeśli procesor był darmowy, przez kiedy był testowany w locie i przywieziony z BAE, kosztowałby duże pieniądze.

  • Nowa architektura procesora nie jest jedynym sposobem na zmniejszenie czułości chipów. Na przykład: „Jednym ze sposobów wykorzystania szybszych, konsumenckich procesorów w kosmosie jest po prostu posiadanie trzykrotnie większej liczby procesorów, niż potrzeba: trzy procesory wykonują te same obliczenia i głosują na wynik. Jeśli jeden z procesorów wywołuje błąd, pozostali dwaj nadal się zgodzą, wygrywając w ten sposób głosowanie i podając poprawny wynik. ”. Jest to podejście stosowane w programie NASA „Environmentally Adaptive Fault-Tolerant Computing” („EAFTC”). Komputery EAFTC służą temu samemu celowi. Jednak nadal nie są one uważane za tak niezawodne, jak dedykowane procesory odporne na promieniowanie. Oczekuje się, że te lub podobne systemy będą wykorzystywane w celu odciążenia części pracy z procesorów zabezpieczonych przed promieniowaniem. Nie wiem, jaki to jest status.

Czy możesz podać mi kilka liczb? na przykład „ciężar” do osłony aparatu; po drugie, czy z tego samego powodu (waga) astronauci są mniej / bardziej chronieni niż urządzenia?
@mattia.b89 astronauci są do pewnego stopnia utwardzeni promieniowaniem. Nasze DNA ma pewne mechanizmy korekcji kopiowania i jeśli komórka jest uszkodzona nie do naprawienia, w większości przypadków będzie to po prostu samobójstwo. Jest to wystarczająco dobre dla promieniowania niskiego poziomu, z ryzykiem, oczywiście, okazjonalnego raka. Ziemski procesor CPU nie ma żadnego z tych mechanizmów, więc każdy promień kosmiczny może zepsuć obliczenia w nieprzewidywalny sposób. Tak więc dawka, która jest dobra dla ludzi, nie będzie odpowiednia dla typowej elektroniki. Ekranowanie jest zwykle takie samo: warstwy polietylenu.
@Davidmh: Większość głównych procesorów używa ECC (kody korekcji błędów) w swoich pamięciach podręcznych, zazwyczaj z 32- lub 64-bitową szczegółowością. (Ciekawostka: pamięć podręczna danych Intel L1 (przynajmniej w niektórych uarche) używa tylko parzystości, a nie ECC, jak L1i / L2 / L3, więc mogą obsługiwać wydajne jednobajtowe i niewyrównane magazyny bez cyklu RMW). Możliwe jest również ECC dla pamięci głównej (i powszechnie używane na serwerach). Nie jest to oczywiście pełne rozwiązanie i jest to tylko SECDED (korekcja pojedynczego błędu, podwójne wykrywanie). Ogniwa SRAM wykorzystują również więcej niż minimalne tranzystory, dzięki czemu mogą działać stabilniej przy bardzo minimalnym napięciu.
@mattia.b89 (w odniesieniu do wagi): Trudno powiedzieć z całą pewnością, ponieważ nie ma punktu końcowego dla bycia „bezpiecznym”, nawet na Ziemi zdarzają się zdarzenia typu flip flip, są one po prostu bardzo rzadkie, a zmniejszenie poziomu promieniowania do poziomu powierzchni ziemi byłoby zaporowe: ton, a może dziesiątki ton. Jednak pamięć ECC, nie mówiąc już o systemie głosowania, może oznaczać znacznie mniej niż potrzeba, aby osiągnąć niezawodność wzmocnioną promieniowaniem.
@mattia.b89 (Re ludzie): Są tacy, którzy mogą powiedzieć o wiele więcej niż ja w tych częściach, ale: w tej chwili są bardzo podobnie chronieni na przykład (zamówienie 2,5 mm Alu dla ISS) . Różnica polega na tym, jak podatne i jakie rodzaje promieniowania są podatne. Dla ludzi długoterminowe narażenie jest prawdziwym ryzykiem, dla procesorów jest to szansa, że ​​złe obliczenia zostaną użyte do czegoś krytycznego.
Niedawno uczestniczyłem w seminarium, na którym inżynierowi, który jest ekspertem w tej dziedzinie, zadano dokładnie to pytanie, a jego odpowiedź była dokładnie taka. Po prostu nie znamy sposobu na zabezpieczenie procesora, który jest choćby mało prawdopodobny pod względem wagi.
@mattia.b89: w przypadku komputera z półki, jeśli jeden tranzystor zostanie zniszczony lub jeden bit zostanie odwrócony, oprogramowanie zazwyczaj zawiesza się lub dostarcza niepoprawne wyniki. W przypadku człowieka śmierć pojedynczej komórki nie ma większego wpływu, komórki umierają i rozmnażają się cały czas. Ludzie mają znacznie większą nadmiarowość niż komputery.
@mattia.b89 Odpowiedź na pytanie, jak astronauci tolerują promieniowanie, które dostają podczas misji w kosmosie, brzmi „nigdy nie próbowaliśmy” https://www.nasa.gov/feature/goddard/real-martians-how-to-protect- astronauci-z-kosmicznego-promieniowania-na-Marsa
@mattia.b89, nie mogę podać wagi ekranu, ale mogę podać cenę: 3000 USD / kg na pokładzie Falcona 9, a będziesz potrzebować wielu kilogramów osłony na chip.
@Mark To faktycznie wydaje się naprawdę tanie. Czy na pewno nie brakuje gdzieś kilku zer?
@Voo Wygląda na to, że może mieć rację. [Ten] (http://theconversation.com/how-spacex-lowered-costs-and-reduced-barriers-to-space-112586) artykuł mówi, że Falcon 9 może podnieść ładunek za \ 2700 USD / kg, w przeciwieństwie do promu przy \ 54,500 $ / kg
@Cort To imponujące, jak tanio możemy obecnie wysyłać rzeczy w kosmos. Cena za 50 tys. Była bardziej zgodna z moimi oczekiwaniami. Niesamowity.
PearsonArtPhoto
2019-11-14 00:55:47 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Właściwie zadajesz naprawdę dobre pytanie. Odpowiedź brzmi: robimy jedno i drugie, w zależności od potrzeb.

NASA stawia na ultra niezawodne, a komponenty odporne na promieniowanie są bardziej niezawodne, dlatego jest to ich preferowany sposób. Jednak wiele komercyjnych satelitów wykorzystuje komponenty nieposiadające klasy kosmicznej, które są lekko ekranowane, a oprogramowanie i sprzęt są zbudowane w sposób umożliwiający 2 procesorom obliczenie tych samych obliczeń, jeśli otrzymają inne wyniki, obliczają je ponownie. W przypadku pamięci powszechnym sposobem jest użycie potrójnej nadmiarowości, w której pamięć jest przechowywana 3 razy w różnych chipach, a odpowiedzi są porównywane. Najbardziej wrażliwe i najważniejsze elementy są nadal zwykle odporne na promieniowanie, ale są to stosunkowo niewielki podzbiór elementów satelity, a podnoszenie ciężarów może polegać na bardziej wrażliwym na promieniowanie i znacznie tańszym elemencie.

GremlinWranger
2019-11-13 16:21:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Rzucając na to pytanie szorstką i gotową matematykę, szczęśliwą, że ktoś poprawi to, kto ma rzeczywiste liczby.

Utwardzanie zwiększa poziom promieniowania, aby wywołać błędy o kilka rzędów wielkości, nazwij to 1000.

1000-krotne zmniejszenie promieniowania do sześcianu o średnicy 10 cm wymagałoby około pół milimetra ołowiu, co daje około 250 g. Większość modułów komputerowych jest większa i ma bardziej niewygodny kształt niż kilka kilogramów ekranowania.

Tak więc ekranowanie byłoby osiągalne, ale kosztowałoby instrument lub element zapasowy poza ostatecznym projektem.

Prawdopodobnie brakuje tego, kto faktycznie zapłacił za wzmocniony procesor, i ile kosztowałby ekranowany, ale konwencjonalny procesor. Utwardzone procesory są w większości zrodzone z wydatków wojskowych, a nie z eksploracji kosmosu (więc NASA nie otrzyma zaoszczędzonych pieniędzy) i przybywają z dużą ilością dokumentów określających nie tylko promieniowanie podczas utwardzania, ale także `` bezpłatne '' utwardzanie w ekstremalnych temperaturach i wibracjach.

Gotowy procesor musiałby zostać zapakowany w obudowę zabezpieczoną przed promieniowaniem, a następnie poddany odpowiednim testom przed uruchomieniem. Prawdopodobnie zawiodłoby i wymagałoby kilkukrotnego przeprojektowania i ponownego przetestowania. Więc ostateczny koszt byłby prawdopodobnie tańszy, ale może się okazać znacznie wyższy lub nawet opóźnić rzeczy na tyle, aby przegapić okno startowe, a to byłoby nieznane w czasie planowania. Gdzie jednostka utwardzana radioterapią byłaby znaną ilością pod względem ceny, wagi i mocy od wczesnego procesu projektowania.

Więc całkiem możliwe, że jeśli tworzysz rodzinę gniazd LEO, gdzie możesz sobie pozwolić na pierwszy para nie zdaje egzaminu i rozkłada koszty testów na resztę rodziny, co może zadziałać, a w rzeczywistości wiele satelitów obecnej generacji (szczególnie sześciany / małe statki) jedzie tą drogą.

Jeśli projektujesz sondę kosmiczną z budżetem pół miliarda dolarów i latasz przez dziesięciolecia, to wymiana kilku milionów na wystarczającą masę, aby dodać kolejny czujnik, zaczyna wyglądać lepiej. Zwłaszcza jeśli możesz kupić komputery za mniej niż cenę biletu i nazwać to projektem badawczym / popularyzatorskim dla agencji, która je zaprojektowała.

Więc to jest matematyka, która może przebiegać w obie strony, w dużej mierze w zależności od szczegółów.

Nie sądzę, żeby matematyka (y) do tego była całkiem poprawna. 0,5 mm wyprowadzenia nie jest wystarczające, aby zapobiec błędom bitowym w typowym procesorze w przestrzeni kosmicznej. Z ciekawości, skąd wziąłeś współczynnik 1000. Widziałem to tylko w kontekście całkowitej dawki promieniowania powodującej długotrwałe uszkodzenie, a nie efektów pojedynczego zdarzenia.
Zgadzam się, że matematyka jest błędna w kilku różnych kierunkach i chętnie usuwam lub aktualizuję post, jeśli ktoś ma lepsze liczby niż pierwsza strona wyników wyszukiwania. Istnieją potęgi dziesięciu różnic wynikających z tego, z czego składa się twoje promieniowanie (cząstki lub czyste EM), odległości (prawo odwrotnych kwadratów) i dokładnej natury twojej elektroniki, ale obserwowalne wyniki (kostki i sondy marsjańskie) sugerują, że można wybrać obie opcje pracować, o ile akceptujesz koszty / ograniczenia.
Absolutnie istnieją zastosowania w kosmosie niezupełnie tak silnie utwardzanych radiacyjnie urządzeń. Jak słusznie zauważyłeś, nie każda przestrzeń jest taka sama (główna różnica występuje wewnątrz lub na zewnątrz magnetosfery Ziemi). Jednak nie jest to główny czynnik powodujący potrzebę utwardzania promieniami. Prosty bezpaństwowy układ ASIC wytwarzający dane musi jedynie _przetrwać_ dawkę promieniowania. Po otrzymaniu danych anomalie można odfiltrować na Ziemi. Jednak procesor, który kontroluje coś krytycznego, nie może popełniać błędów. Nie oznacza to, że nigdy nie możesz używać urządzeń niehartowanych radiowo, po prostu nie zawsze możesz.
Re * Obniżenie promieniowania o współczynnik 1000 do sześcianu 10 cm wymagałoby około pół milimetra ołowiu *, Nie. Pół milimetra ołowiu prawie nie ma wpływu ani na wiatr słoneczny (głównie protony), ani na galaktyczne promieniowanie kosmiczne ( mieszanka zawierająca protony, deuterony i cząstki alfa usuwa również śladowe ilości bardzo szkodliwych, cięższych jonów). Efekt pół milimetra ołowiu jest w rzeczywistości gorszy niż całkowity brak ekranowania z powodu wtórnego promieniowania. Ale co najmniej pół milimetra ołowiu nie jest tak złe jak pięć milimetrów ołowiu, czyli około dwa razy mniej niż brak osłony.
Ołów dobrze blokuje promienie rentgenowskie i gammy, ale nie stanowią one znaczącego zagrożenia ze strony żółtej karłowatej gwiazdy. Głównymi zagrożeniami są wiatr słoneczny, który osiąga maksimum na słońcu, oraz galaktyczne promienie kosmiczne, które osiągają maksimum w minimum słonecznym. Ołów jest tak niewiarygodnie złym wyborem wobec protonów i cięższych jąder, że uwzględniono go w badaniach jedynie w celach porównawczych.


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 4.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...