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成本相差5384倍!快把电脑拆掉攒火箭

九天微星2019-01-14 09:34:42

摘要: 在航天圈里,有一种器件如贵族般存在:宇航级器件。

  01

  宇航级,用不起

  大家好,我是九天波粒。

  在航天圈里,有一种器件如贵族般存在:

  宇航级器件
成本相差5384倍!快把电脑拆掉攒火箭

  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,

  有可能让你从攒机工程师,

  阶跃为一个航天工程师。

  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。

  02

  工业级器件小屌丝的困境:粒子翻转

  航天器所有的器件都是特种兵,不是loser,

  他们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

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  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:

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  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

  03

  手把手攒火箭之硬件选择

  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):

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  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。

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  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,

  这是多么宝贵的批评与自我批评的精神啊!

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  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。

  04

  手把手教你攒火箭之软件选择

  以后遇到会Linux或者C++的程序员,

  尽管他们发量稀少了,也一定要保持尊重。

  因为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,

  同样的码农,却可以秒杀其他C++选手,

  这就是上天和开源的力量。

  当然,除了这两个,

  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。

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  而更让波粒感到兴奋的是,

  SpaceX也用Matlab

  作为通信工程师,我只能自豪的说,

  我本科和硕士的通信系统仿真全是用Matlab做的

  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,

  多么的模块化,

  多么的互联网,

  简直给我勇气再次举起互联网思维的大旗,

  进军互联网+商业航天的新时代!

  05

  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,

  也是全球最幸福的航天软件工程师,

  因为他们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。

  06

  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。

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  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。

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  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

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  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。

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  因此,波粒相信,

  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!

  PS

  请尊重你身边的

  C++,Linux,Python,Labview,Matlab

  程序猿

  他们随时都有可能上天 : )

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[责任编辑:神璐璐]
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