Uydular hangi işlemcileri kullanıyor?

Uyduların hangi işlemcileri kullandığını hiç merak ettiniz mi? Filmlerde süper bilgisayarlar ve yapay zeka ile uzay gemileri, uydular ve robot gezginleri görmeye alışkınız. Ama gerçek oldukça farklı. Uzaya fırlatılan tüm bilgisayarlar, bazıları 80’lerde tasarlanmış oldukça ilkel ve yavaş CPU’lar kullanıyor. Yeni AMD Ryzen veya Intel Core ile ilgisi yok… Nedenini bilmek istiyor musunuz?

Uydularda ve gezici araçlarda neden yavaş mikroişlemciler kullanılıyor?

Örneğin ünlü Mars gezgini Curiosity, gücünü iki adet 200 MHz BAE RAD750 işlemciden, yani 1990’ların sonunda Apple PowerBook G3’te kullanılanlara benzer iki PowerPC 750 tabanlı işlemciden alıyor. Bunun yanında 256 MB RAM ve veri depolama için 2 GB flash bellek.

Cebimizde taşıdığımız tüm akıllı telefonlara kıyasla RAD750’nin performansı çok daha düşük. Tasarım, IBM ve Motorola tarafından 1997’nin sonlarında Intel’in Pentium II ile rekabet etmek için piyasaya sürdükleri işlemciye dayanıyor. Bu, teknolojik olarak en gelişmiş uzay donanımının şu anda herhangi bir mobil cihazda veya PC’de kullandığımızdan çok daha yavaş ve daha ilkel olduğu anlamına gelir.

Buna rağmen, RAD750’nin fiyatı 200.000 dolar civarında. Neden daha iyi performansa sahip ve daha az maliyetli olan güncel bir tane koymuyorlar? Çok basit, iki ana neden:

• Önceki nesil işlemciler denendi ve test edildi, bu nedenle milyonlarca dolarlık bir uzay görevini etkileyebilecek potansiyel hatalardan arınmış oldukları biliniyor. Aslında NASA, Gameboy’dakiler gibi Zilog Z80 işlemcilerini uzay görevleri için satın alıyordu, çünkü bu çip oldukça kararlıydı.
• Öte yandan, Dünya atmosferini terk edecek olan ve uzay radyasyonuna maruz kalan ekipmanlar için radyasyon sorunu vardır. Bu radyasyon çipler için çok zararlıdır ve onları etkisiz hale getirebilir. Bu nedenle iyonlaştırıcı radyasyon parçacıklarına karşı korumalı modellere ihtiyaç vardır.

Radyasyon dikkate alınmadığında

Bir örnek, yüksek yüklü bir parçacıkla vurulan bir SRAM bellek çipini taşıyan Rus Phobos-Grunt görevidir. Bu ekipmanın taşıdığı çip, ne kadar savunmasız olduğunu görmek için daha önce parçacık hızlandırıcıda radyasyona maruz bırakılarak test edildiğinden, uzay endüstrisinde iyi biliniyor ve kullanılıyordu. Ve gerçek şu ki, uzay kadar değildi. Bu bellek yongalarının, uzay için değil, bir miktar radyasyona dayanacak şekilde askeri sınıf uçaklar için üretildiğini unutmayın. Ancak yine de Phobos-Grunt’taki Ruslar, uzay sınıfı belleklerden daha ucuz oldukları için onları seçtiler.

Bu, uzay görevlerinde bir dönüm noktasıydı. Uzaydan gelen radyasyonun, kozmik ışınlar, güneş parçacık olayları ve Van Allen kuşakları olarak bilinen Dünya’nın manyetik alanının kenarında dönen proton ve elektron kuşakları gibi kaynaklarla çok daha agresif olduğu bulundu. Dünya atmosferini etkileyen parçacıklar yaklaşık olarak %89 proton, %9 alfa parçacığı, %1 daha ağır çekirdek ve %1 yalnız elektronlardan oluşur. 10^19 eV’ye kadar enerjilere ulaşabilirler. Birkaç yıl boyunca derin uzayda seyahat etmeyi amaçlayan bir sondada uzay kalifiye olmayan çiplerin kullanılması, garantili bir felaketti. Hatta bir Rus askeri gazetesi olan Krasnaya Zvezda, Phobos-Grunt’ta kullanılan mikroçiplerin %62’sinin uzay uçuşu için uygun olmadığını o dönemde bildirdi.

Artık hepimiz bu Rus görevinin nasıl bittiğini biliyoruz. Keşif için Mars’a gitmeyi amaçlayan bu uydu fırlatıldıktan sonra başarısız oldu ve Dünya yörüngesinde sıkışıp kaldı…

Radyasyonu hesaba katmamakla ilgili başka bir NASA görevinde bir örneğimiz daha var. Günümüzde radyasyon, tasarımcıların alan kullanımı için bilgisayar oluştururken dikkate aldıkları temel faktörlerden biridir. Ama her zaman böyle olmamıştır. İlk bilgisayar 1960’larda bir Gemini uzay aracıyla uzaya gitti. Makine uçmak için izin almak için yüzden fazla farklı testten geçmek zorunda kaldı. Mühendisler, titreşimler, vakum, aşırı sıcaklıklar vb. karşısında davranışını kontrol ettiler. Ancak bu testlerin hiçbiri radyasyona maruz kalmayı içermiyordu. Buna rağmen Gemini’nin yerleşik bilgisayarı sorunsuz bir şekilde çok iyi çalışmayı başardı. Bunun nedeni, Gemini’nin yerleşik bilgisayarının arızalanamayacak kadar büyük olmasıydı. Kelimenin tam anlamıyla. 19,5 KB’lık devasa belleği, yaklaşık 11,7 kg ağırlığındaki çok büyük ve yoğun bir kutuya yerleştirildi. Tüm bilgisayar yaklaşık 26 kg ağırlığındaydı.

Uydu işlemcilerinde daha büyük transistörler ve daha düşük saat frekansı

Genel olarak, bilgi işlem alanında, işlemci teknolojisindeki ilerleme her zaman öncelikle transistörlerin boyutunu küçülterek yapılmıştır. Transistörler, 240nm’den 65nm’ye, 14nm’den 7nm’ye vb. giderek küçüldü ve küçüldü. Transistör ne kadar küçük olursa, açıp kapatmak için gereken voltaj o kadar düşük olur. Bu nedenle, daha büyük özelliklere sahip eski işlemciler radyasyondan etkilenmedi veya daha kesin olmak gerekirse, sözde “tek olay bozulmalarından” (SEU) etkilenmedi. Parçacık çarpmalarının yarattığı stres, yeterince büyük bilgisayarların çalışmasını gerçekten etkilemek için çok düşüktü. Yani, transistör ne kadar büyükse, durumunu değiştirmek için o kadar fazla voltaj ve dolayısıyla daha fazla enerji gerekir, bu nedenle radyoaktif parçacıkların etkileri transistörü değiştirmek için yeterli olmaz.

Mühendislerin ve geliştiricilerin CPU’ları iyileştirmek için sıklıkla yaptıkları bir diğer şey de saat frekanslarını artırmaktır. Uzay mekiklerini çalıştıran Intel 386SX, yaklaşık 20 MHz frekansa sahipti Modern işlemciler 5 GHz’e kadar çıkabiliyor. Saat hızı, bir işlemcinin belirli bir sürede kaç işlem döngüsü gerçekleştirebileceğini belirler. Radyasyonla ilgili sorun, bir parçacık etkisinin CPU belleğinde (L1 veya L2 önbelleği gibi) depolanan verileri yalnızca mandal penceresi adı verilen çok kısa bir süre boyunca bozabilmesidir. Bu, her saniyede yüklü bir parçacığın hasara neden olması için sınırlı sayıda fırsat olduğu anlamına gelir.

386SX gibi daha yavaş işlemcilerde bu sayı nispeten düşüktü. Ancak saat hızları arttıkça, saniye başına kilit penceresi sayısı da artarak işlemcileri radyasyona karşı daha savunmasız hale getirdi. Sonuç olarak, radyasyonla sertleştirilmiş işlemciler neredeyse her zaman ticari muadillerine göre çok daha düşük bir saat hızına sahiptir.

Radyasyona karşı mücadele

Geçmişte, çiplerden yayılan radyasyonun etkileri genellikle yarı iletken üretim sürecini değiştirerek çözülüyordu. Piyasada bulunan bir işleme çekirdeğini alın ve bunu Radyasyonla Sertleştirilmiş bir süreçle uygulayın. Bu teknik, radyasyona silikondan daha az duyarlı olan safir veya galyum arsenit gibi malzemelerin kullanılmasından oluşuyordu. Bu sayede bu şekilde yapılan çipler radyasyonun çok olduğu ortamlarda bozulmadan çok iyi çalıştı. Tabii ki, yukarıda açıklanan teknikler, yani düşük saat hızları ve daha eski üretim düğümleri de uygulandı.

Bununla birlikte, uzay görevleri için yerleşik bilgisayarların performansını artırmak için, daha gelişmiş işlemcilere yapılan bu değişikliklerin maliyetleri fırladı ve artık geçerli değildi. Tasarım gereği radyasyonla sertleştirme teknikleri kullanılmaya başlandı.

RHBD (tasarıma göre radyasyonla sertleştirme) işlemi, üreticilerin standart bir CMOS (Tamamlayıcı metal oksit yarı iletken) üretim sürecini kullanmasına izin verdi. Bu şekilde, uzay sınıfı işlemciler tam olarak ticari işlemciler gibi yapılabilir, bu da fiyatları düşürür ve uzay görevi tasarımcılarının ticari işlemcilerin performansını bir şekilde yakalamasına olanak tanır. Radyasyon, malzemenin katıksız fiziği yerine mühendislik dehasıyla çözüldü.

Bu yeni RHBD teknikleri, bellekte her bir bitin üç özdeş kopyasını depolamaktan oluşan Üçlü Modüler Artıklık veya TMR gibi diğer tekniklere dayanmaktadır. Okuma aşamasında üç nüsha okunacak ve hangisi baskın olacaksa doğru olanı seçilecektir. Yani, bir radyasyon olayı bitlerden herhangi birini değiştirmişse, doğru olacak iki değiştirilmemiş bit olacaktır. Üç nüshanın aynı olması halinde, o da doğru beyan edilir. Ve üç kopya farklı olduğunda, sistem bunu bir hata olarak bildirir.

TMR’nin arkasındaki fikir, kopyaların çip üzerinde farklı noktalarda bulunan farklı bellek adreslerinde saklanmasıdır. Verileri bozmak için, iki parçacığın aynı bitin iki kopyasının depolandığı yeri aynı anda etkilemesi gerekir ve bu son derece düşük bir ihtimaldir. Bununla birlikte, TMR’nin dezavantajı, bu yaklaşımın çok fazla ek yük taşımasıdır. Bir işlemcinin her işlemi üç kez gerçekleştirmesi gerekir, bu da performansının yalnızca üçte birini elde edebileceği anlamına gelir.

Dolayısıyla, bu alandaki en son fikir, uzay sınıfı işlemcileri ticari muadillerine daha da yaklaştırmaktır. Mühendisler, radyasyona dayanıklı bileşenlerle tüm bir çip üzerinde sistem tasarlamak yerine, radyasyon sertliğinin gerçekten gerekli olduğu ve nerede güvenli bir şekilde vazgeçilebileceğini seçerler. Bu, tasarım önceliklerinde önemli bir değişikliktir. Eski uzay işlemcileri radyasyona karşı bağışık olacak şekilde inşa edildi. Modern işlemciler artık bağışık değildir, ancak radyasyonun neden olabileceği her türlü hatayla otomatik olarak başa çıkmak için tasarlanmıştır.

Örneğin LEON, ESA tarafından kullanılan en son Avrupa uzay sınıfı işlemcidir. Geostationary Dünya yörüngesinde günde şaşırtıcı bir 9 SEU yaşadığı tahmin edilmektedir. İşin püf noktası, tüm bu SEU’ların sistem tarafından hafifletilmesi ve arızalara yol açmamasıdır. LEON GR740 modeli (250 Mhz ve 65nm düğümü), her 300 yılda bir işlevsel bir hata yaşayacak şekilde üretilmiştir. Ve bu olsa bile, sadece yeniden başlatarak kurtarılabilir.

Avrupa’ya (açık kaynak) karşı ABD’ye (özel kod) karşı iki yaklaşım

Avrupa uzay sınıfı LEON işlemcileri, şu anda RISC-V ISA’nın yerini almasına rağmen, SPARC ISA’ya dayanmaktadır. Bu çiplerin tasarımcılarına göre, SPARC’a geçmenin temel nedenleri mevcut yazılım desteği ve açıklıktı. Açık kaynaklı bir ISA olduğu için lisanssız kullanılabilir ve bu da maliyetleri önemli ölçüde düşürür. Ancak, mikro mimari ona sahipti.

Öte yandan, uzay için CPU geliştirmeleri, Apple-IBM-Motorola’nın sahibi olduğu ve Gmini görevindeki PowerPC gibi tescilli tasarımlara dayanan Amerika Birleşik Devletleri’dir. Öte yandan uzay mekiklerinin ve Hubble uzay teleskobunun işlemcileri yine tescilli Intel’in sunduğu x86 mimarisi ile üretildi. Bu nedenle, geleneğin ardından, bu alandaki en son Amerikan tasarımı da tescillidir. ARM mimarisine dayanan Yüksek Performanslı Uzay Uçuşu Bilgi İşlemi (HPSC) olarak adlandırılır.

HPSC, çiplerin üretiminden sorumlu olan NASA, Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı ve Boeing tarafından tasarlanmıştır. HPSC, 500 Mhz ARM Cortex A53 dört çekirdekli işlemcilere dayanmaktadır. Bir AMBA veri yolu ile bağlanan bu işlemcilerden ikisine sahip olacak ve bu da onu sekiz çekirdekli bir sistem haline getirecek. Bu, performansını 2018 akıllı telefonlarla aynı seviyeye getirmelidir (ancak, RHBD uygulamalarından sonra performans neredeyse yarı yarıya düşecektir).

BAE Systems’in RAD5545’i muhtemelen bugün var olan radyasyonla sertleştirilmiş en güçlü işlemcidir. 45nm işleminde üretilmiş olup, 20W’a kadar güç dağıtımına sahip 466MHz 64-bit dört çekirdekli bir makinedir. Bu dağıtılan güç oldukça yüksektir ve hava olmadığı için fanlı soğutma sistemlerinin uzayda kesinlikle hiçbir şey yapmayacağı dikkate alınmalıdır. Bir uzay aracından ısı almanın tek olası yolu, bir soğutucu ve ısı borularıdır.

Ayrıca bazı görevler çok sıkı güç bütçelerine sahiptir ve bu kısıtlamalarla RAD5545 gibi güçlü işlemcileri kullanamaz. Avrupa LEON GR740’ın sadece 1,5 watt’lık bir güç dağılımına sahip olmasının nedeni budur. En hızlısı değil ama en verimlisi. Oldukça basit bir şekilde, watt başına en yüksek hesaplama performansını sunar. İkinci sırada 10 watt’lık bir güç kaybıyla HPSC geliyor.