Ученые разработали компьютерные системы c устойчивой работой в условиях космического излучения.

Но, к сожалению, именно существующее космическое излучение и вызывает подобные сбои. Когда частицы высоких энергий сталкиваются с элементами микроэлектронных схем, они могут привести к возникновению ошибок. Последние же могут вызвать то, что космический корабль направится не туда или что система жизнеобеспечения будет нарушена. По этой причине большинство космических миссий используют компьютерные чипы, устойчивые к радиации (так называемые «rad-hard» chips). Во многом они отличаются от традиционных чипов. Например, они содержат избыточное количество транзисторов.

Космическое агентство NASA широко использует такие чипы для космических программ. Однако такие специализированные микросхемы имеют и определенные недостатки: они дороги, потребляют много энергии и медленны – примерно в 10 раз медленнее, чем эквивалентные процессоры в современных настольных ПК. Между тем, для запланированных пилотируемых миссий на Луну и Марс их разработчики хотели бы иметь намного большие вычислительные мощности.

Размещение более мощных компьютеров на борту космических аппаратов позволило бы решить еще одну проблему: низкую скорость передачи сигналов на Землю. Довольно часто она не превышает скорости передачи старых dial-up модемов. В то же время, если бы все объемы данных, собранных космическим аппаратом, обрабатывались «на месте», а на Землю передавались только результаты вычислений, существующей скорости передачи было бы достаточно.

Наконец, на поверхности Луны или Марса, мощные компьютеры пригодились бы исследователям для обработки данных сразу после их получения. При этом можно было бы быстро определять территории, представляющие высокий научный интерес. Планетоходы также выиграли бы от высокой производительности современных процессоров.

Для удовлетворения таких потребностей можно было бы использовать современные процессоры (например, Pentium), но при этом необходимо решить проблему сбоев, возникающих при облучении. Для этого в NASA разрабатывается проект, называемый «Устойчивые вычисления, адаптивные к окружающей обстановке» (Environmentally Adaptive Fault-Tolerant Computing, EAFTC). При этом исследователи экспериментируют со стандартными процессорами. Особый интерес у них вызывают так называемые «одиночные сбои», наиболее распространенный тип ошибок, который возникает, когда в микросхему попадает только одна частица.

Рафаэль Сам (Raphael Some), член исследовательской группы, объясняет идею проекта: «Для использования таких процессоров просто необходимо утроить их количество. Все три процессора выполняют одинаковые вычисления, а затем сверяют результаты. В том случае, если в работе одного из них из-за излучения возникла ошибка, корректные результаты двух оставшихся будут согласованы, а потому - приняты».

Такая методика действительно работает, однако постоянное ее использование мало оправданно – из-за больших затрат электроэнергии и вычислительной мощности на тройную проверку малозначимых результатов. «Чтобы сделать эту систему «умнее» и эффективнее, мы разработали программное обеспечение, которое анализирует значимость проводимых вычислений. – продолжает Сам. – Например, для навигации крайне важно использование всех трех процессоров, тогда как для химического анализа образцов будет достаточно одного или двух из них».

Описанная методика является лишь одной из многих, разработанных в рамках EAFTC и собранных в единый пакет. Итогом является более высокая эффективность: без программы EAFTC компьютер на основе стандартных процессоров требует 100-200% избыточности, чтобы избегать ошибок, вызываемых излучением (под 100%-ной избыточностью понимается использование двух процессоров, под 200%-ной - трех). В то же время, с программой EAFTC необходима всего 15-20%-ная избыточность при той же степени защиты. Соответственно, все сэкономленное процессорное время может быть использовано для других целей.

«EAFTC не подразумевает полного отказа от rad-hard чипов. – предупреждает Сам. – Некоторые задания, такие как жизнеобеспечение, столь важны, что здесь нельзя обойтись без них». Но, разумеется, системы EAFTC могут дополнять их, выполняя некоторую часть всех вычислений.

Первые тесты системы EAFTC пройдут на спутнике Space Technology 8 (ST-8). Запущенный в 2009 году, он пролетит через радиационные пояса Ван Аллена, где существует высокий уровень радиации, аналогичный глубокому космосу.