ยานอวกาศ

เป็นเรื่องดีที่วิศวกรรู้วิธีสร้างไมโครโปรเซสเซอร์ของยานอวกาศให้แข็งแกร่งยิ่งขึ้น ในการเริ่มต้น พวกเขาชนพวกมันด้วยไอออนพลังงานสูงจากเครื่องเร่งอนุภาคบนโลกนี้ เป็นกระบวนการทดสอบด้วยรังสีที่ค้นหาจุดอ่อนของชิป โดยเน้นว่าเมื่อใด ที่ไหน และอย่างไร วิศวกรจำเป็นต้องทำให้ไมโครโปรเซสเซอร์แข็งแกร่งขึ้น โครงการทดสอบชิปอวกาศที่มีอายุการใช้งานยาวนานและใช้งานมากที่สุดโครงการหนึ่งคือที่ห้องแล็บแห่งชาติ Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ Cyclotron ขนาด 88 นิ้ว ตั้งอยู่บนเนินเขาจาก UC Berkeley ในอาคาร 88 ของ Berkeley Lab ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่เร่งไอออนให้มีพลังงานสูงตามเส้นทางวงกลม ตั้งแต่ปี 1979 ดาวเทียมอเมริกันส่วนใหญ่มีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ตั้งแต่หนึ่งชิ้นขึ้นไปผ่านไซโคลตรอนของ Berkeley Lab ไมค์ จอห์นสัน ผู้ประสานงานการวิจัยของไซโคลตรอนขนาด 88 นิ้วกล่าว ชิปบน Mars Rover Curiosity, ชิปบน Solar Dynamics Observatory, ชิปบนกระสวยอวกาศ และชิปในสถานีอวกาศนานาชาติ ล้วนถูกใส่เข้าไปในเครื่องเร่งอนุภาคก่อนเปิดตัว เป้าหมายนั้นค่อนข้างง่าย จอห์นสันกล่าวว่า มันคือ "การปะติดปะต่อเส้นโค้งของความเป็นไปได้ที่จะมีข้อผิดพลาด" ดาวอังคารที่ปราศจากข้อผิดพลาด NASA ได้ประกาศต่อสาธารณชนว่ามีแผนจะส่งนักบินอวกาศไปยังดาวอังคารภายในปี 2030 การเดินทางไปดาวอังคารจะเป็นภารกิจหลายปีซึ่งจะทำให้ลูกเรือและยานได้รับรังสีมากกว่าภารกิจอื่น ๆ ในประวัติศาสตร์ ปัจจุบัน จอห์นสันกล่าวว่า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางอย่างที่นำไปใช้กับยานสำรวจอวกาศรุ่นใหม่ที่มุ่งสู่ดาวอังคารของ NASA ที่มีชื่อว่า Orion กำลังได้รับการทดสอบที่โรงงานแห่งนี้ เช่นเดียวกับชิปใดๆ ที่อยู่ระหว่างการทดสอบ โปรเซสเซอร์ Orion จะถูกติดตั้งในห้องสุญญากาศในแนวการยิงโดยตรงจากสิ่งที่เรียกว่าลำแสงค็อกเทล จอห์นสันกล่าวว่าลำแสงนี้เลียนแบบโปรตอนจากการขับมวลโคโรนาและรังสีคอสมิก แต่ด้วยพลังงานที่ต่ำกว่า เนื่องจากเป็นส่วนผสมของพลังงานไอออนที่แตกต่างกัน ลำแสงค็อกเทลจึงช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เพิ่มหรือลดพลังงานได้อย่างง่ายดาย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ตัวอย่างเช่น ดาวเทียมที่โคจรรอบโลกจะรู้สึกถึงการแผ่รังสีชนิดต่างๆ ต้องขอบคุณการป้องกันโดยสนามแม่เหล็กของโลก มากกว่าแคปซูลที่พาผู้คนไปยังดาวอังคารซึ่งไม่มีสนามแม่เหล็กเพื่อเบี่ยงเบนโปรตอนจากดวงอาทิตย์ จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อรังสีกระทบชิป? "เมื่อไอออนผ่านไมโครโปรเซสเซอร์ มันจะทิ้งร่องรอยการทำลายล้างของอนุภาคที่มีประจุไว้ ซึ่งอาจทำให้เกิดการหยุดชะงักชั่วคราวหรือความเสียหายถาวร" จอห์นสันกล่าว ยานอวกาศ การทิ้งชิปในไซโคลตรอนเป็นวิธีที่ดีที่สุดวิธีหนึ่งในการดูว่าชิปล้มเหลวอย่างไร "เมื่อคุณรู้ว่าไมโครโปรเซสเซอร์จะทำงานอย่างไร คุณก็สามารถทำให้ชิ้นส่วนแข็งแกร่งขึ้น ปรับโครงสร้างใหม่ เพิ่มความซ้ำซ้อนหรือป้องกัน" จอห์นสันกล่าว "นอกจากนี้ยังสามารถช่วยในการออกแบบซอฟต์แวร์" ที่สามารถ เช่น รีบูตระบบโดยอัตโนมัติหรือเปลี่ยนเส้นทางการทำงานบางอย่าง ในกรณีของ Orion ซึ่งมีการบินทดสอบ (ไร้คนขับ) รอบโลกเป็นครั้งแรกเมื่อเดือนธันวาคมปีที่แล้ว ได้มีการวางระบบป้องกันรังสีไว้จำนวนหนึ่งแล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไมโครโปรเซสเซอร์นั้นโดยการออกแบบแล้วมีอายุมากกว่าทศวรรษ นี่เป็นเพราะอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นเก่ามีทรานซิสเตอร์ขนาดใหญ่ ซึ่งหมายความว่าพวกมันไวต่อการโต้ตอบกับไอออนน้อยกว่า และที่สำคัญ ตัวชิปเองนั้นอยู่ภายในเกราะป้องกันรังสีที่สำคัญ วิศวกรคิดว่าโปรเซสเซอร์ในคอมพิวเตอร์การบินจะไม่เสี่ยงต่อการถูกรังสีมากนัก เนื่องจากการออกแบบและการป้องกันที่ผ่านการทดสอบมาเป็นอย่างดี แต่มีตู้เซฟสำหรับป้องกันข้อผิดพลาดจำนวนมากรวมอยู่ด้วยในกรณี Orion มีคอมพิวเตอร์สำรองสองเครื่องที่สามารถออนไลน์ได้หากเครื่องหลักจำเป็นต้องรีบูต กระบวนการนี้ใช้เวลาประมาณ 20 วินาที นอกจากนี้ ยังมีโปรเซสเซอร์อีกสองตัวภายในคอมพิวเตอร์การบินที่ใช้ซอฟต์แวร์ตรวจสอบข้อผิดพลาดเพื่อให้แน่ใจว่าเอาต์พุตของโปรเซสเซอร์หลักไม่ได้ปิดอยู่ ดังนั้น รังสีไม่น่าจะทำให้เกิดความล้มเหลวทางอิเล็กทรอนิกส์อย่างรุนแรงบน Orion Cyclotron อดีตและอนาคต ไซโคลตรอนของ Berkeley Lab แบ่งเวลาระหว่างการทดสอบการแผ่รังสีของชิป (40 เปอร์เซ็นต์) และดำเนินการวิจัยฟิสิกส์นิวเคลียร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐเกี่ยวกับธาตุหนักยิ่งยวด (60 เปอร์เซ็นต์) ธาตุ 110 และ 114 ได้รับการตรวจสอบที่โรงงาน และมีการค้นพบไอโซโทปใหม่จำนวนมากในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เครื่องเร่งอนุภาคอื่น ๆ ของ Berkeley Lab ภายใต้การนำของ Glenn Seaborg มีหน้าที่รับผิดชอบในการค้นพบธาตุใหม่ 16 ชนิดในตารางธาตุ ไซโคลตรอนขนาด 88 นิ้วถูกสร้างขึ้นในปี 1960 เครื่องจักรที่น่านับถือยังคงแข่งขันได้และมีความเกี่ยวข้องในปัจจุบัน จอห์นสันอธิบาย เนื่องจากแหล่งกำเนิดไอออนซึ่งฉีดอนุภาคเข้าไปในเครื่องเร่งความเร็ว ปัจจุบัน VENUS Ion Source เป็นแหล่งพลังงานที่ทรงพลังที่สุดในโลกด้วยสถิติโลกมากมายในแง่ของความสามารถในการกำจัดอิเล็กตรอนออกจากอะตอม "เนื่องจากเราไม่สามารถเปลี่ยนแม่เหล็กไซโคลตรอนได้ เราจึงมีแหล่งไอออนที่ทันสมัยที่สุดแห่งหนึ่งของโลก" จอห์นสันกล่าว นอกจากการรักษาแหล่งไอออนให้ทรงพลังแล้ว วิศวกรของไซโคลตรอนยังทำการปรับปรุงลำแสงที่ทำลายไมโครโปรเซสเซอร์ในระหว่างการทดสอบอีกด้วย โครงการปัจจุบันมีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับรูปร่างลำอนุภาคให้เล็กลงและมีสมาธิมากขึ้น ขณะนี้มีไมโครบีมที่มีขนาดประมาณ 10 ไมครอนคูณ 10 ไมครอน แต่ภายในหนึ่งปี จอห์นสันกล่าว ทีมของเขาหวังว่าจะลดขนาดลงเหลือระดับย่อยไมครอนเพื่อระบุปัญหาการแผ่รังสีในชิปได้ดีขึ้น ในขณะเดียวกัน วิศวกรมาจากทั่วประเทศเพื่อทดสอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการใช้งานในอวกาศและภาคพื้นดินที่หลากหลาย อนุภาคพลังงานสูงไม่ได้อยู่แค่ในอวกาศเท่านั้น อนุภาคจำนวนน้อยเหล่านี้มาถึงพื้นผิวของดาวเคราะห์ด้วย ดังนั้น รุ่นของชิปรุ่นต่อไปสำหรับโทรศัพท์และคอมพิวเตอร์จึงอยู่ระหว่างการประเมินที่ cyclotron อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อถือได้มากขึ้นในอวกาศและบนโลก: นำเสนอโดย Cyclotron ขนาด 88 นิ้ว