SpaceX 最新的載人龍飛船在美國(guó)肯尼迪航天中心 39A 發(fā)射臺(tái)成功發(fā)發(fā)射。在經(jīng)過將近一整天的飛行后，搭乘美國(guó)SpaceX載人龍飛船的兩位NASA宇航員終于進(jìn)入國(guó)際空間站，與等在那里的宇航員正式會(huì)面，這預(yù)示著全球商業(yè)載人航天時(shí)代的到來。

除了創(chuàng)造歷史之外，SpaceX的龍飛船5384倍的主芯片降本成效也足以讓半導(dǎo)體業(yè)者振奮。

宇航級(jí)，用不起

在航天圈里，有一種器件如貴族般存在：

宇航級(jí)器件

一個(gè)二極管只要上天驗(yàn)證成功，

就可以從一個(gè)工業(yè)級(jí)十八線小明星躍升為

宇航級(jí)一線大明星，

身價(jià)可以倍增上百倍甚至上萬倍。

以現(xiàn)有載人飛船搭載的星載計(jì)算機(jī)和控制器舉例，

一共14個(gè)系統(tǒng)，

為了追求高可靠性，

每個(gè)系統(tǒng)1+1備份，

一共28個(gè)控制器，

成本總計(jì)約1.4億人民幣！

而SpaceX的龍飛船主控系統(tǒng)的芯片組，

僅用了2.6萬人民幣，

成本相差5384倍！

Elon Musk到底是如何做到的？

我們看以下幾條重要的知識(shí)點(diǎn)。

知識(shí)點(diǎn)

1、 SpaceX 獵鷹九號(hào)和龍飛船用的都是Intel雙核的x86處理器；

2、 操作系統(tǒng)用的是Linux，還有LabView和Matlab；

3、 軟件工程用的是C++，有些時(shí)候也用Python；

4、 整個(gè)主控程序只有幾十萬行代碼。

工業(yè)級(jí)器件小屌絲的困境：粒子翻轉(zhuǎn)

航天器所有的器件要經(jīng)歷很苛刻很苛刻的環(huán)境。

首先發(fā)射時(shí)要禁得住劇烈的抖動(dòng)和很高的溫度，

才能走出地球。

而真正的煉獄在入軌后才剛剛開始，

面對(duì)太陽面的時(shí)候，溫度迅速提升，最高到120°C

背離太陽面的時(shí)候，溫度驟減，最低到-150°C

就這樣90分鐘一圈又一圈，周而復(fù)始，

每圈都是270°C的溫差。

而對(duì)于電子器件來說，溫度不是最難熬的，

最難熬的是太空中的輻射，

這些輻射有來自地球的召喚：地球磁場(chǎng)

也有來自太陽的問候：高能粒子

還可能有來自三體文明的問候：

其他太陽系以外的粒子。

而這些粒子，將引發(fā)電子器件的神經(jīng)紊亂，

專業(yè)名詞是：粒子翻轉(zhuǎn)

它將很Surprise地告訴星載計(jì)算機(jī)和星載存儲(chǔ)器

“下面將是見證奇跡發(fā)生的一刻！”

“我要把1變成0，然后再把0變成1。”

有些人問了，多大點(diǎn)事啊，不就差個(gè)1嗎？！

但是在比特界，差一位就可差之千里。

舉個(gè)栗子：

如果指令20是向上爬升，指令24是停止推進(jìn)，

后果是難以想象的。

所以如果發(fā)生了1和0不分的情況，

整個(gè)飛行器的運(yùn)算結(jié)果曾導(dǎo)致非常大的災(zāi)難。

在1996年，阿里安501火箭，

雖然沒有粒子翻轉(zhuǎn)，

但是系統(tǒng)試圖將一個(gè)64位的數(shù)字，

放到一個(gè)16位的地址里面去，

隨即發(fā)生了1/0錯(cuò)亂的現(xiàn)象。

結(jié)果在點(diǎn)火37秒后，

火箭開始側(cè)翻，

隨之爆炸，

因?yàn)檫@個(gè)“小”問題，

那次發(fā)射損失高達(dá)3.7億美金！

回到主題，既然粒子翻轉(zhuǎn)這么恐怖，

那SpaceX如何做到發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的呢？

很簡(jiǎn)單：民主決策

技術(shù)名詞叫：parity bits

同位位元

既然判斷不了一個(gè)是否翻轉(zhuǎn)，

那就多放幾個(gè)一樣的設(shè)備，

通過比較，把不一樣的結(jié)果給踢出去。

攢火箭硬件選擇

上文提到，SpaceX沒有選擇用貴族宇航級(jí)器件，

而是選擇了經(jīng)典廠牌Intel的X86雙核處理器，

而SpaceX也沒有用雙核做一件事，

而是把雙核拆成了兩個(gè)單核，

分別計(jì)算同樣的數(shù)據(jù)。

每個(gè)系統(tǒng)配置3塊芯片做冗余，

也就是6個(gè)核做計(jì)算。

如果其中1個(gè)核的數(shù)據(jù)和其他5個(gè)核不同，

那么主控系統(tǒng)會(huì)告訴這個(gè)核重新啟動(dòng)，

再把其他5個(gè)核的數(shù)據(jù)拷貝給重啟的核，

從而達(dá)到數(shù)據(jù)一直同步。

周而復(fù)始，不讓一個(gè)核掉隊(duì)。

據(jù)SpaceX前火箭總師John Muratore透露，

龍飛船一共有18個(gè)系統(tǒng)，

每個(gè)系統(tǒng)配置了3塊X86芯片，

龍飛船一共有54塊。

而獵鷹九號(hào)一共有9個(gè)分立式發(fā)動(dòng)機(jī)，

每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)配置了3塊X86芯片，

加上主控系統(tǒng)配置了3塊，

獵鷹九號(hào)一共有30塊這樣的芯片。

獵鷹九號(hào)主控芯片的總價(jià)約：

1.4萬人民幣，2000美元！

我差點(diǎn)砸了手里的X1，

是它阻攔了我攢火箭的大計(jì)！

更讓SpaceX開心的事情，

是Intel X86的程序員一抓一大把啊，

而專業(yè)宇航級(jí)器件的程序用的基本都是特定語言，

程序員比元器件還難找。

而且硬件工程師壓力也小，

X86芯片隨便造，

燒壞了？再來1個(gè)。不不，再買一打！

可是宇航級(jí)器件僅僅是測(cè)試費(fèi)，

就都?jí)蛟儋I一車X86芯片的。

攢火箭軟件選擇

SpaceX就用的開源Linux寫的操作系統(tǒng)，

而Linux用隨便一臺(tái)電腦就可以編寫。

同樣的，SpaceX程序員最愛的還是C++，

用開源的GCC或者GDB做火箭的主控程序。

SpaceX還用LabView，

一款圖形化編輯語言，

對(duì)于火箭程序來講，

它更容易實(shí)現(xiàn)可視化和流程化，

更容易做復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。

SpaceX也用Matlab，

在仿真和矩陣計(jì)算上，真的很好用。

而且，龍飛船，獵鷹九號(hào)，獵鷹重型，

分享著同一款代碼，

分享著同一類迭代，

分享著同一種喜悅，

多么的模塊化，

多么的互聯(lián)網(wǎng)…

大數(shù)據(jù)監(jiān)控和測(cè)試

2018年，SpaceX一共發(fā)射21次，

一個(gè)公司占全球發(fā)射數(shù)量約20%，

而SpaceX的工程師和分析師，

手里有大量的測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)，

而且他們也被鼓勵(lì)用不同的維度，

去檢驗(yàn)飛行器的安全性，

形成最新的也最實(shí)用的測(cè)試程序，

從而降低實(shí)測(cè)成本。

同時(shí)，Continuous Integration

持續(xù)集成也被應(yīng)用在了程序測(cè)試上。

持續(xù)集成

為了配合敏捷開發(fā)（相對(duì)于瀑布開發(fā)）的速度和效率而產(chǎn)生的一個(gè)用于編譯、測(cè)試、發(fā)布、部署的工具。

通過這種辦法，

可以讓團(tuán)隊(duì)每時(shí)每刻在持續(xù)的基礎(chǔ)上，

收到反饋并進(jìn)行改進(jìn)，

不必等到開發(fā)周期后期才尋找和修復(fù)缺陷。

而且火箭程序不同于其他，

會(huì)進(jìn)行“斷弦式”測(cè)試，

突然關(guān)閉一臺(tái)電腦，

來看看發(fā)動(dòng)機(jī)到底有什么反應(yīng)。

總結(jié)

航天已經(jīng)經(jīng)歷了60年的歷史，

每一次階躍其實(shí)都伴隨著各類器件技術(shù)革新，

比如：

1950年代的晶體管技術(shù)，

1970年代的微控制器技術(shù)，

1980年代的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，

1990年代的高性能存儲(chǔ)技術(shù)，

現(xiàn)在，芯片工藝從28nm，16nm，10nm到7nm，

工藝的提升也增加了芯片在太空中的抗輻射性能，

讓商業(yè)器件在太空中應(yīng)用可行性大大提升！

伴隨航天成長(zhǎng)的是經(jīng)典的：摩爾定律。

但是摩爾定律到現(xiàn)在在地面?zhèn)榷伎焓Я耍?/p>

而在航天側(cè)還沒有開始。
責(zé)任編輯:pj