Wohin geht die Entwicklung bei den Prozessoren im Weltraum?

Die ersten Rechner in bemannten und unbemannten Raumfahrzeugen waren Spezialanfertigungen. Sie waren auf den Design zugeschnitten und meistens aus hunderten oder Tausenden aus LSI und MSI Chips aufgebaut. Sie wurden in den achtziger Jahren von normalen Mikroprozessoren abgelöst. „Normal“ in der Hinsicht, das Bauteile aus normalen Produktionslinien verwendet wurden, wenngleich auch nicht die für die Consumergeräte sondern meist die für militärische Anwendungen oder die Luftfahrt mit höherer Strahlen- und Temperaturtoleranz.

Seit den neunziger Jahren hat sich die Rechnerentwicklung in der Raumfahrt weitgehend von Consumerchips abgekoppelt. Je kleiner die Chips werden, desto empfindlicher werden sie gegenüber Effekten durch hochenergetische Teilchen und sie bekommen immer mehr Pins an denen sich Entladungen auf den Chip übertragen können. Bei Galileo wurden nicht nur die Chips besonders geschützt, sondern auch die gesamten elektrischen Leitungen die induzierte Spannungen akkumulierten.

Je leistungsfähiger die Chips werden, desto teurer wird die Produktion. Es hat schon seinen Grund, warum nur wenige Hersteller die derzeit leistungsfähigsten Prozessoren oder GPU’s Produzieren. Je kleiner die Anforderungen werden, desto mehr Hersteller gibt es für einen Chip. Eine Fertigungsstraße für 100 Prozessoren pro Jahr aufzuziehen lohnt sich nicht, zumal ja auch Speicherbausteine, ROM’s etc. auch in dieser Technologie gefertigt werden müssen.

Einer der derzeit leistungsfähigsten Prozessoren, der RAD750 basiert auf dem PowerPC750 Prozessor (erschienen 1997) hat eine maximale Taktfrequenz von 200 MHz und ein Board kostet rund 200.000 $. Er entsteht mit Strukturbreiten von 150 nm und hat 10,4 Millionen Transistoren. Intel hat in seinen modernsten Chips dagegen 1.170 Millionen Transistoren und arbeitet mit Strukturbereiten von 32 nm. Das zeigt recht deutlich den Unterschied.

Als Alternative gäbe es nur noch die Abschirmung. Allerdings wird sie meisten zusätzlich eingeführt, obwohl bei einem Preis von 200.000 $ pro RAD750 Board man auch bei LEO Missionen stattdessen 10 bis 20 kg Abschirmung und ein normales Board in den Orbit bringen könnte – 10 kg Aluminium entsprechen immerhin bei einem Standardformat (100 x 160 mm) einer Dicke von 23 cm – bei einem Computer aus mehreren Platinen, sagen wir mal im Mini Tower Gehäuse (ITX) von 19 x 20 x 27 cm Abmessungen für 16 Karten wäre die Abschirmung immerhin noch 2,5 cm stark, wenn sie 10 kg wiegt – das ist in etwa die Abschirmung welche ISS Module aufweisen und dort können die Astronauten mit „normalen“ Notebooks arbeiten (modifiziert um kompatibel mit dem elektrischen System der Station zu sein und die Schnittstellen besonders abgesichert, aber sonst normale PC Hardware.

Trotzdem wird Abschirmung meist nur in Betracht gezogen, wenn auch strahlengehärtete Bauteile nicht ausreichend sind z.B. bei Jupitermissionen.

Die NASA Mission Space Technology 8 (ST8) des New Millenium Programms sollte eine neue Lösung erproben: Normale Elektronik, aber mehrfach vorhanden synchronisiert über ein Voting System. Hätte es funktioniert, so wäre ein Anschluss an die aktuelle Leistung möglich. Leider scheint diese Mission, die eigentlich für 2009 vorgesehen war gestrichen worden zu sein. Das ist sehr bedauerlich denn das Konzept klingt interessant, auch wenn ich Zweifel habe – wenn ein Fehler zu wahrscheinlich ist, dann müsste das Synchronisationsinterval sehr klein sein. Ansonsten ist es wahrscheinlich dass mehrere Computer betroffen sind, sofern ein Fehler nicht gleich zum Absturz führt – ein Reboot dürfte sicher einige Zeit brauchen.

Zumindest eine Lösung für spezielle Anforderungen ist es keinen Prozessor sondern ein FPGA oder anderer konfigurierbarer Logikbaustein zu verwenden – er ist zwar nicht schneller als ein Prozessor in derselben Technologie, aber er kann auf eine einzelne Aufgabe optimiert werden, schließlich braucht man die hohe Rechenleistung ja nicht für alles sondern meist für bestimmte Aufgaben wie Bildverarbeitung (bei Mars Rovern die Fahrtstrecke bestimmen, bei Erdaufnahmen feststellen wie viele Wolken im Bild sind und eventuell das Bild verwerfen) oder die Kompression von Daten.

Für die Steuerung eines Satelliten, die Datenverarbeitung der meisten Experimente reichen sicher auch die heutigen Prozessoren. Auch in der Industrie werden für Steueraufgaben durchaus Embedded Prozessoren eingesetzt die nicht dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Gerade für Raumsonden, die aber weitgehend autonom sein müssen (Paradebeispiel: mobiler Lander auf dem Mars) wäre mehr Leistung wünschenswert.