芯片价值仅 2.6 万!看马斯克的 SpaceX 如何用工业级器件搞翻航天圈

  • 作者:zccc
  • 来源:网络
  • 2020-06-03 15:03:14

芯片价值仅 2.6 万!看马斯克的 SpaceX 如何用工业级器件搞翻航天圈 本文经九天微星(ID:commsat)授权转载作者:九天波粒(九天微星通信航天人)引言:北京时间 5 月 31 日凌晨 3:23 ,Space...

芯片价值仅 2.6 万!看马斯克的 SpaceX 如何用工业级器件搞翻航天圈

本文经九天微星(ID:commsat)授权转载

作者:九天波粒(九天微星通信航天人)

引言:北京时间 5 月 31 日凌晨 3:23 ,SpaceX 最新的载人龙飞船在美国肯尼迪航天中心 39A 发射台成功发发射。在经过将近一整天的飞行后,6 月 1 日凌晨 1 点 22 分,搭乘美国 SpaceX 载人龙飞船的两位 NASA 宇航员终于进入国际空间站,与等在那里的宇航员正式会面,这预示着全球商业载人航天时代的到来。

除了创造历史之外,SpaceX 的龙飞船5384倍的主芯片降本成效也足以让半导体业者振奋。

01

宇航级,用不起

在航天圈里,有一种器件如贵族般存在:

宇航级器件

一个二极管只要上天验证成功,

就可以从一个工业级十八线小明星跃升为

宇航级一线大明星,

身价可以倍增上百倍甚至上万倍。

以现有载人飞船搭载的星载计算机和控制器举例,

单个控制器价格为500 万人民币左右,

一共 14 个系统,

为了追求高可靠性,

每个系统 1+1 备份,

一共 28 个控制器,

成本总计约 1.4 亿人民币!

而 SpaceX 的龙飞船主控系统的芯片组,

仅用了 2.6 万人民币,

成本相差 5384 倍!

Elon Musk 到底是如何做到的?

我们看以下几条重要的知识点。

知识点

1、 SpaceX 猎鹰九号和龙飞船用的都是Intel 双核的 x86 处理器;

2、 操作系统用的是Linux,还有LabView 和 Matlab;

3、 软件工程用的是C++,有些时候也用Python;

4、 整个主控程序只有几十万行代码。

工业级器件小屌丝的困境:粒子翻转

航天器所有的器件要经历很苛刻很苛刻的环境。

首先发射时要禁得住剧烈的抖动和很高的温度,

才能走出地球。

而真正的炼狱在入轨后才刚刚开始,

面对太阳面的时候,温度迅速提升,最高到 120 ° C

背离太阳面的时候,温度骤减,最低到 -150 ° C

就这样90 分钟一圈又一圈,周而复始,

每圈都是270 ° C 的温差。

而对于电子器件来说,温度不是最难熬的,

最难熬的是太空中的辐射,

这些辐射有来自地球的召唤:地球磁场

也有来自太阳的问候:高能粒子

还可能有来自三体文明的问候:

其他太阳系以外的粒子。

而这些粒子,将引发电子器件的神经紊乱,

专业名词是:粒子翻转

它将很 Surprise 地告诉星载计算机和星载存储器

" 下面将是见证奇迹发生的一刻!"

"我要把 1 变成 0,然后再把 0 变成 1。"

有些人问了,多大点事啊,不就差个 1 吗?!

但是在比特界,差一位就可差之千里。

举个栗子:

如果指令 20 是向上爬升,指令 24 是停止推进,

后果是难以想象的。

所以如果发生了 1 和 0 不分的情况,

整个飞行器的运算结果曾导致非常大的灾难。

在 1996 年,阿里安 501 火箭,

虽然没有粒子翻转,

但是系统试图将一个64 位的数字,

放到一个16 位的地址里面去,

随即发生了 1/0 错乱的现象。

结果在点火 37 秒后,

火箭开始侧翻,

随之爆炸,

因为这个 " 小 " 问题,

那次发射损失高达 3.7 亿美金!

回到主题,既然粒子翻转这么恐怖,

那 SpaceX 如何做到发现问题和解决问题的呢?

很简单:民主决策

技术名词叫:parity bits

同位位元

既然判断不了一个是否翻转,

那就多放几个一样的设备,

通过比较,把不一样的结果给踢出去。

攒火箭硬件选择

上文提到,SpaceX 没有选择用贵族宇航级器件,

而是选择了经典厂牌Intel 的 X86 双核处理器,

京东售价仅478 元人民币

(参考价为奔腾系列,赛扬更便宜):

而 SpaceX 也没有用双核做一件事,

而是把双核拆成了两个单核,

分别计算同样的数据。

每个系统配置 3 块芯片做冗余,

也就是 6 个核做计算。

如果其中 1 个核的数据和其他 5 个核不同,

那么主控系统会告诉这个核重新启动,

再把其他 5 个核的数据拷贝给重启的核,

从而达到数据一直同步。

周而复始,不让一个核掉队。

据 SpaceX 前火箭总师 John Muratore 透露,

龙飞船一共有 18 个系统,

每个系统配置了 3 块 X86 芯片,

龙飞船一共有 54 块。

所以龙飞船主控芯片的总价约:

2.6 万人民币,3600 美元!

而猎鹰九号一共有 9 个分立式发动机,

每个发动机配置了 3 块 X86 芯片,

加上主控系统配置了 3 块,

猎鹰九号一共有 30 块这样的芯片。

猎鹰九号主控芯片的总价约:

1.4 万人民币,2000 美元!

我差点砸了手里的 X1,

是它阻拦了我攒火箭的大计!

更让 SpaceX 开心的事情,

是 Intel X86 的程序员一抓一大把啊,

而专业宇航级器件的程序用的基本都是特定语言,

程序员比元器件还难找。

而且硬件工程师压力也小,

X86 芯片随便造,

烧坏了?再来 1 个。不不,再买一打!

可是宇航级器件仅仅是测试费,

就都够再买一车 X86 芯片的。

攒火箭软件选择

SpaceX 就用的开源Linux 写的操作系统,

而 Linux 用随便一台电脑就可以编写。

同样的,SpaceX 程序员最爱的还是C++,

用开源的GCC 或者 GDB做火箭的主控程序。

SpaceX 还用LabView,

一款图形化编辑语言,

对于火箭程序来讲,

它更容易实现可视化和流程化,

更容易做复杂的算法设计和数据分析。

SpaceX 也用Matlab,

在仿真和矩阵计算上,真的很好用。

而且,龙飞船,猎鹰九号,猎鹰重型,

分享着同一款代码,

分享着同一类迭代,

分享着同一种喜悦,

多么的模块,

多么的互联网…

大数据监控和测试

2018 年,SpaceX 一共发射 21 次,

一个公司占全球发射数量约 20%,

而 SpaceX 的工程师和分析师,

手里有大量的测试数据和实际数据,

而且他们也被鼓励用不同的维度,

去检验飞行器的安全性,

形成最新的也最实用的测试程序,

从而降低实测成本。

同时,Continuous Integration

持续集成也被应用在了程序测试上。

持续集成

为了配合敏捷开发(相对于瀑布开发)的速度和效率而产生的一个用于编译、测试、发布、部署的工具。

通过这种办法,

可以让团队每时每刻在持续的基础上,

收到反馈并进行改进,

不必等到开发周期后期才寻找和修复缺陷。

而且火箭程序不同于其他,

会进行 "断弦式" 测试,

突然关闭一台电脑,

来看看发动机到底有什么反应。

总结

航天已经经历了60 年的历史,

每一次阶跃其实都伴随着各类器件技术革新,

比如:

1950 年代的晶体管技术,

1970 年代的微控制器技术,

1980 年代的数字信号处理技术,

1990 年代的高性能存储技术,

现在,芯片工艺从 28nm,16nm,10nm 到 7nm,

工艺的提升也增加了芯片在太空中的抗辐射性能,

让商业器件在太空中应用可行性大大提升!

伴随航天成长的是经典的:摩尔定律。

但是摩尔定律到现在在地面侧都快失效了,

而在航天侧还没有开始。

比如 Greg Wyler 在 2019 年 1 月 6 号,

Twitter 的Oneweb 的新型相控阵天线,

目标定价 15 美金。

比如 AWS 与 Lockheed Martin 在 2018 年 11 月

发布的超小型地面站,

可降低地面站 80% 的成本

北京九天微星正在研制

200mW 卫星物联网终端模组,

目标定价 5 美金。

因此,

航天缺少的仅仅是大胆的商业器件验证,

缺少的仅仅是采用 MVP 快速迭代的环境,

而逐年降低的发射成本正在迅速降低试验成本,

因此,

属于航天的摩尔定律才刚刚开始!

属于航天的互联网思维才刚刚开始!

属于航天的大时代才刚刚开始!

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