Por qué un procesador que funciona bien en la Tierra no lo hace en el espacio

Ciencia

Los procesadores de nuestros dispositivos están hechos para funcionar bajo las condiciones de la Tierra. Sin embargo, en el espacio se exponen a elementos con los que no tienen que enfrentarse aquí, como es el caso de una radiación excesiva. Por ello, han de diseñarse siguiendo determinados criterios, o te puede pasar como le pasó a los rusos en 2012.

Los procesadores del espacio apenas funcionan a unos pocos cientos de MHz

En ese año, Rusia lanzó Fobos-Grunt, una sonda que debía ir hasta la luna Phobos, que orbita alrededor de Marte. Sin embargo, se quedó dando vueltas en órbita baja en la Tierra hasta que cayó al mar. Analizando la nave, se dieron cuenta de que la memoria SRAM se había fundido por culpa de partículas muy cargadas de rayos cósmicos, una de las muchas fuentes de radiación a las que tiene que enfrentarse cualquier cosa que se lance al espacio. Este tipo de sucesos se conocen como Single Event Upset, o SEU.

cpu espacio

Para solucionarlo, el ordenador estaba configurado para reiniciarse y recibir señales desde tierra. Sin embargo, las antenas no estaban desplegadas todavía, por lo que no se podían enviar instrucciones ni hacer nada. Un pequeño fallo echó por tierra una misión de miles de millones de euros que llevaba años desarrollándose.

El procesador más avanzado desplegado actualmente en el espacio es el BAE RAD750. Dos de esos chips son los que lleva el rover Curiosity, alcanzando sólo 200 MHz, y teniendo 256 MB de RAM y un SSD de 2 GB. El diseño del chip RISC está basado en un PowerPC 750 desarrollado por IBM y Motorola y lanzado en 1997 para intentar competir con los Pentium II. El 750 fue usado en el iMac G3, el primer iMac.

A pesar de su antigüedad, el RAD750 cuesta unos 200.000 dólares. Si un chip ARM como un Snapdragon 855 no supera los 100 dólares, ¿por qué no lo equipan, siendo además mucho más potente? Ese tipo de mentalidad fue la que siguieron los rusos con Fobos-Grunt, y no les salió muy bien. El chip SRAM usado, de nombre WS512K32V20G24M, se usaba en dispositivos militares y aviones desde 2005, pero diversas pruebas habían demostrado que era vulnerable a la mínima radiación, por lo que claramente no era recomendable su uso en el espacio. A ellos les dio igual, de manera similar con otros componentes de la nave. En concreto, el 62% de los chips que llevaba la nave no estaban diseñados para operar en el espacio con tal de intentar ahorrar costes.

El procesador del Curiosity funciona a 200 MHz, a pesar de que el PowerPC 750 podía alcanzar hasta 733 MHz. Esto es debido a que, cuanta mayor es la frecuencia de un procesador, mayor es el número de ciclos de procesamiento en un tiempo concreto. Cuando una partícula de radiación llega a la memoria caché L1 o L2 que el procesador usa para almacenar sus cálculos, puede provocar menos daños si hay menos información. Así, hacer más rápidos los procesadores los hace más frágiles.

Zafiro o arseniuro de galio: la solución usada antiguamente para chips en el espacio

El silicio se comporta muy mal en el espacio ante la radiación ionizante, pero por suerte había una técnica que consiste en coger el diseño de un chip e implementarle un proceso de resistencia a la radiación. Esto se consigue utilizando zafiro o arseniuro de galio, los cuales son más resistentes a la radiación, pero carísimos de fabricar; sobre todo desde cero.

Sin embargo, en las últimas décadas se ha optado por coger chips comerciales y utilizar técnicas que frenen la presencia de errores como RHBD (Radiation Hardening By Design). Gracias a ello, se pueden usar chips comerciales con ligeras modificaciones que son muy baratas de implementar.

Uno de estos sistemas es el llamado Triple Modular Redundancy, donde cada chip tiene tres copias idénticas de cada bit de información almacenado en la memoria cache L1 y L2, y donde cada uno de los tres chips de memoria está ubicado en una parte distinta del procesador para evitar verse afectados por la misma partícula.

Así, si se pierde algún bit en un momento dado, siempre habrá al menos dos copias del mismo. Si la información de los tres es correcta, esa será la buena. Si la información de uno es incorrecta pero la de los otros dos es correcta, entonces esa será la buena. Si la información en los tres es distinta, entonces habrá un error. El problema de esto es que cada instrucción ha de procesarse tres veces, de manera que el procesador es tres veces menos potente de lo que sería si fuera diseñado para funcionar en la Tierra, a lo que hay que sumar que funcionen a menor frecuencia.

LEON GR740: el mejor chip de bajo consumo es europeo

Así, lo único que hacen es tener chips como los actuales, añadirles más memoria, y proteger el sitio en el que se encuentren lo mejor posible. La Agencia Espacial Europea (ESA) ya casi tiene su propio chip, el LEON GR740, capaz de aguantar 9 SEU al día. Según los cálculos, podría experimentar un error funcional cada 300 años, y puede recuperarse fácilmente de él simplemente reiniciándose. En la siguiente imagen podemos ver una placa prototipo.

El chip LEON está basado en la arquitectura SPARC, que es open source. Esta arquitectura fue elegida en los años 90 por su alta penetración en aquel entonces (Sun Microsystems lo usaba en sus estaciones de trabajo), y por no tener que pagar licencias a los fabricantes de chips por usarlo. La ESA tuvo problemas por usar un diseño propietario en el procesador ERC32, que todavía se usa hoy, a pesar de que la arquitectura era open source. Por ello, desarrollaron el LEON, controlado por ellos en su totalidad y con la posibilidad de integrar las funciones de RHBD que necesitasen.

El GR740 está fabricado en un proceso de 65 nm y es el más potente que han diseñado, operando a… 250 MHz. Eso sí, el chip ha sido diseñado para poder seguir operando con un nivel de errores más altos que sus predecesores, ya que tiene un sistema de corrección que permite proteger ante una situación donde una partícula pueda cambiar varios bits a la vez. Así, puede sufrir un error funcional en 1.310 años, y en ese caso también se reiniciaría como el ERC20.

Además, el GR740 puede resistir niveles de radiación elevadísimos. El chip ha cumplido todos los tests, aguantando incluso 125 MeV.cm2/mg. En comparación, el chip de SRAM que acabó frito del Fobos-Grunt recibió sólo 0,375 MeV.cm2/mg, unas 333 veces menos.

HSPC: el chip de Estados Unidos será el más rápido del espacio en 2022

Estados Unidos, por su parte, tiene un mayor presupuesto, y llevan más tiempo fabricando chips. Tradicionalmente han usado dos arquitecturas: PowerPC, de IBM y Motorola; y x86, de Intel, siendo ambas propietarias. Por ello, han decidido seguir diseñando sus chips propietarios con el High Performance Spaceflight Computing (HPSC), basado en arquitectura de ARM.

El chip ha sido diseñado por la NASA, Air Force Research Laboratory, y Boeing, siendo esta última quien los fabrica. El chip está basado en la arquitectura ARM Cortex A53 de cuatro núcleos. Tiene dos chips, por lo que tiene 8 núcleos, y rinde similar a un móvil de gama media de 2018, aunque al pasar por el proceso de protección ante radiación se quedará en apenas un tercio de ese rendimiento. A pesar de ello, el salto de rendimiento es enorme con respecto a los chips usados actualmente. Si bien esos núcleos de ARM en un Snapdragon 450 alcanzarían 1,2 GHz, en el caso del HPSC se quedan en unos 500 MHz, siendo el procesador del espacio más rápido.

El GR740 de la ESA tiene un TDP de 1,5 vatios. El RAD5545, que es el más potente disponible actualmente, alcanza 466 MHz y está fabricado en un proceso de 45 nanómetros. Su TDP es de 20 vatios, mucho más que el GR740. El HPSC tiene un TDP de 10 vatios.

Estados Unidos diseña chips con un mayor consumo porque planea usarlos para rovers y para llevar personas a otros planetas, a diferencia de la ESA que está centrada en satélites y sondas. En Marte será vital conocer elementos como la salud de los astronautas en tiempo real, donde incluso planean diseñar sistemas de realidad aumentada para ver sus constantes vitales en el cristal del casco. A su vez, los chips actuales son muy lentos a la hora de procesar las fotos que toman los rovers, además de no poder usar algoritmos para utilizar la información de los sensores para prevenir posibles eventos adversos.

El HPSC puede ser configurado con entre 7 y 10 vatios de consumo, procesando entre 9 y 15 GOPS (gigaoperaciones por segundo). Para monitorizar la salud de los pilotos se necesitan entre 10 y 50 GOPS, además de entre 50 y 100 GOPS para los sistemas de realidad aumentada y otros para los gráficos avanzados. Por suerte, el HPSC puede configurarse en paralelo para usar otros chips a la vez, lo cual aumenta su versatilidad.

El LEON GR740 estará disponible para la ESA a finales de este año, y será equipado en los primeros satélites en 2020. El HPSC empezará a fabricarse en 2021 y empezará a equiparse en dispositivos en el año 2022, y será probablemente el chip que use Estados Unidos en las naves que usen para visitar nuevamente la luna en el año 2024.

Escrito por Alberto García

Fuente > Ars Technica

  • martin

    Porque no hay espacio.

    • ismaeliko982

      Entre tus neuronas, asi te va

      • martin

        A lo mejor el mas cuerdo soy yo.

        • Danny Fernández

          ya wey andate a la verga :v no nos la peles mas :v

        • ismaeliko982

          En tu mundo paralelo, puede ser

  • juan pedro caceres

    a los portatiles que vemos en la estacion espacial no les afecta???

    • martin

      Que raro verdad.

    • Alberto García

      La ISS está en órbita baja, por lo que está dentro de los cinturones de Van Allen que nos protegen de la mayor parte de la radiación a los que vivimos en la superficie. A su vez, la estación en sí está diseñada para bloquear un 95% de la radiación del espacio, así que los equipos de su interior no se ven afectados como sí les pasa a los satélites.

      • martin

        As estado allí o te crees todo lo que te dicen.

        • Alberto García

          Se llama estudiar y saber distinguir algo falso de algo real a través de evidencias. Deberías probarlo.

          • martin

            Tu eres tan sumamente ignorante que te crees todo lo que te cuentan en lo que estudias, yo he estudiado mas que tu posiblemente y de lo que me cuentan me creo la mitad.

            • zantos

              Estudiar no se considera ver vídeos de Youtube majete… Porque para haber estudiado no sabes ni escribir… Cierra al salir, anda…

              • martin

                A ver es de lógica tontín a ti te dicen la tierra es redonda y tu te lo crees, porque eres tontín yo salgo a la calle y veo que no lo es, luego a ti te dicen la tierra se mueve a grandes velocidades tú como eres tontín te lo crees, yo salgo a la calle y veo pero si está quieta la tierra, esa es la diferencia entre un tonto como tu que te crees todo y yo que creo lo que veo.

                • martin

                  Todo esto es un ejemplo que te pongo aunque no creo que lo entiendas, porque eres muy cortito y analfabeto.

                • DiegoP

                  ¿Por qué permiten que estos bromistas opinen en esta web?

                  Claramente este infeliz intenta hacer enojar a la gente normal, no se me cruza por la cabeza que este pobrecito este diciendo lo que dice y realmente se lo crea.
                  Aquí tiene que entrar a jugar el moderador y banearlo por varios días, minimo una semana.
                  POR CIERTO: EXCELENTE ARTÍCULO, desconocía completamente los procesadores para las misiones mas allá de la órbita terrestre

                • martin

                  A ver paleto estamos en democracia y digo lo que pienso, a si que no vengas dando lecciones.

                • owncloudlora

                  Lo mejor es ignorarlos, lo peor que puedes hacer con un troll es prestarle atención.

                • zantos

                  Vaya personaje… Anda, vuelve a la cueva de donde no tuviste que salir… Y seguro que esto tiene hasta derecho al voto… Así nos va… Lo raro es que existamos aún…

            • Alberto García

              Lo bueno de la ciencia es que da igual que te la «creas» o no; no va a dejar de ser real un hecho por tu opinión.

              • martin

                Parece mentira que estes de moderador ahora entiendo porque el país donde vivo va de culo.

                • Galen Pathwarden

                  Estoy contigo, tienes toda la razón, la gente se cree cosas sin probarlas, por ejemplo… lo de que no podemos volar es mentira, sal la calle por la ventana, preferiblemente que sea más de un quinto, te animo a probarlo.

                • zantos

                  No me extraña que lo vaya, a algunos no os deberían dejar votar

              • Claudia ramirez

                Q va a saber ese martin de astronomía, ese cuando mucho sabrá de astrología, o solo sabra de uñas

        • Vaya! ya han llegado a estos foros esos pequeños seres de educación especial que se hacen llamar terraplanistas!

  • zantos

    Así sí Alberto García, estos artículos SÍ son interesantes… Enhorabuena.

  • Sergio Recio Blázquez

    Muy interesante los datos técnicos..

  • El Pelocho

    Tienes un pequeño fallo en el artículo donde pones:
    «es tres veces más potente de lo que sería si fuera»
    Es menos potente no más.

    • Alberto García

      Arreglado. Muchas gracias 🙂

  • JOHN

    Buen Artículo. Sólo una pregunta. Lo de los problemas de disipación de calor en el espacio, se te ha colado ¿No?

  • Danny Fernández

    exelente articulo muy interesante (y) 🙂

  • Lenin Acosta

    La energía no se crea ni se destruye se transforma. Tanta inteligencia y aun no han pensado en transformar la radiación en energía para hacer funcionar los procesadores y así desviar esa radiación para evitar las zonas afectadas y obtener mejores velocidades. El truco no estaría en proteger los procesadores el truco estaría en aprovechar esa radiación. Que se yo no soy 100tifico.