เหตุใด NASA และ ESA จึงเดิมพัน RISC V สำหรับชิปอวกาศในอนาคต

สามสัปดาห์หลังจากที่ ESA ส่งโปรเซสเซอร์ทดสอบ RISC V ตัวแรกสู่อวกาศ NASA ได้ประกาศการพัฒนาคอมพิวเตอร์อวกาศในอนาคตบนสถาปัตยกรรมไมโครเดียวกันนี้ ซึ่งดูเหมือนสถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์แห่งอนาคตมากกว่าที่เคย ทั้งในอวกาศและบนโลก

โปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูงตัวถัดไปของ NASA จะไม่เป็นคอร์รุ่นที่ 12- หรือชิป ARM iPhone และไม่ใช่ชิป PowerPC อย่างแน่นอนเหมือนใน Perseverance หรือ JWST ไม่ ชิปแห่งอนาคตคอมพิวเตอร์การบินอวกาศประสิทธิภาพสูงของหน่วยงานอเมริกันที่ควรปรับใช้”พลังงานมากกว่าคอมพิวเตอร์อวกาศในปัจจุบันถึงร้อยเท่า» จะมีคอร์ตามสถาปัตยกรรมไมโครที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงที่เรียกว่า RISC V

เรื่องเดียวกันในยุโรปที่สวยงามของเรา RISC V ไม่เพียงแต่ได้รับเลือกให้เป็นผู้สืบทอดของ SPARC ที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน แต่ยังเป็นรุ่นแรกอีกด้วยเอฟพีจีเอโปรแกรมโดยใช้สถาปัตยกรรมไมโครนี้ได้บินไปในอวกาศเป็นเวลาสามสัปดาห์แล้ว ซึ่งหมายความว่าในอีกไม่กี่ปี ชิปทั้งหมดที่ปฏิบัติภารกิจสำคัญของหน่วยงานอวกาศที่ใหญ่ที่สุดในโลกทั้งสองจะทำงานโดยใช้ชุดคำสั่งเดียวกัน

เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญของข่าวนี้ คุณต้องเข้าใจ (เล็กน้อย) ว่า RISC V คืออะไร และสถาปัตยกรรมนี้มีอะไรบ้าง คุณต้องรู้ (เพิ่มเติมเล็กน้อยที่นี่) เกี่ยวกับชิปอวกาศปัจจุบัน รวมถึงข้อจำกัดเฉพาะที่ชิปอวกาศนั้นต้องเผชิญ และเพื่อสิ่งนั้น เราจะต้องเข้าใจ (ฉันสัญญานิดหน่อย!) บริบทปัจจุบันของสถาปัตยกรรมเหล่านี้

เอาล่ะ? พร้อมสำหรับการขึ้นเครื่องครั้งแรกของคุณแล้วหรือยัง? จุดหมายปลายทาง: มุ่งสู่ (เกือบ) อนันต์ และไกลออกไป อนาคตของการประมวลผลในอวกาศซึ่งอาจมาพร้อมกับอนาคตของการคำนวณภาคพื้นดิน ใครจะรู้

ผู้ประมวลผลอวกาศในปัจจุบันเป็นฟอสซิล

ไม่มีใครได้ยินผู้ประมวลผลอวกาศกรีดร้อง ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตรเช่นนี้ ชิ้นส่วนของซิลิคอนจะถูกทดสอบ เนื่องจากขาดการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลังของโลกของเรา รังสีคอสมิกสามารถทำลายชิปและทำให้บิต "กระโดด" แม้ว่าจะไม่เป็นอันตรายอย่างที่คิดบนกระดาษ การเปลี่ยนจาก "0" เป็น "1" (และในทางกลับกัน) ที่เรียกว่า "พลิก" เล็กน้อย สามารถทำลายระบบคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกใดๆ ก็ได้ แต่ไม่ใช่ชิปที่หน่วยงานอวกาศต่างๆใช้ ชิปเหล่านี้ล้วนได้รับการปกป้องจากรังสีในด้านหนึ่ง โดยไม่คำนึงถึงสถาปัตยกรรมไมโคร และอีกด้านหนึ่งได้รับการออกแบบเพื่อความซ้ำซ้อนและการรักษาความปลอดภัย (ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์)*

ในฝั่งอเมริกา หน่วยประมวลผลทางเลือกสำหรับภารกิจอวกาศคือ RAD750 “ม้างาน” อย่างแท้จริงในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา ชิปซึ่งปัจจุบันขับเคลื่อน Perseverance rover หรือ James Webb Space Telecospe นั้นใช้ PowerPC ซึ่งขับเคลื่อน… iMac เครื่องแรกสุด! โปรเซสเซอร์นี้ทรงพลังตั้งแต่เปิดตัว โดยโอเวอร์คล็อกที่ 233 MHz ได้พิสูจน์ตัวเองแล้ว... แต่มันจำกัดความสามารถในการประมวลผลออนบอร์ดอย่างมาก

อ่านเพิ่มเติม:โปรเซสเซอร์ Intel Atom จบลงบนดาวอังคารได้อย่างไร

โครงการอวกาศของยุโรปมีสถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์อธิปไตยของตัวเองที่เรียกว่า LEON ด้วยเทคโนโลยีที่แปลกใหม่ยิ่งกว่าที่เรียกว่า SPARC ซึ่งเป็นหัวหอกของชิป Sun Microsystems LEON ถูกนำมาใช้ในชิปหลายตัวซึ่งเป็นเรือธงคือ GR740 ชิปนี้ซึ่งใช้ LEON4 คอร์สี่คอร์มีอยู่ในเวอร์ชันโอเวอร์คล็อกที่... 250 MHz แข็งแกร่ง ? ใช่. ทรงพลัง? ไม่เชิง ! สร้างขึ้นเพื่ออนาคต? ไม่อย่างแน่นอน เนื่องจาก LEON นั้นเหมือนกับ PowerPC ที่ใช้สถาปัตยกรรมเวอร์ชัน 32 บิต จึงป้องกันการเพิ่มพลังงาน และน่ารำคาญยิ่งกว่า PowerPC: สถาปัตยกรรม SPARC ถูกทอดทิ้ง ซันและฟูจิตสึต้องยอมเสียสละ

ชิปอวกาศในปัจจุบันจาก NASA และ ESA จึงมีความน่าเชื่อถือและผ่านการพิสูจน์แล้ว และพวกเขาพึ่งพาห่วงโซ่อุปทานและซอฟต์แวร์ที่แข็งแกร่งและมีอำนาจอธิปไตย แต่ทั้งคู่กำลังจะตาย โดยมีนักอุตสาหกรรมเพียงไม่กี่คนหรือไม่มีเลยลงทุนเลย ซึ่งช่วยป้องกันผลกระทบจากขนาด และห้ามมิให้มองไปสู่อนาคต

อย่างไรก็ตาม การฟื้นฟูพื้นที่มีความต้องการพลังประมวลผลมหาศาล

อนาคตของการพิชิตอวกาศกระหายอำนาจ

โลกแห่งอวกาศอยู่ในความสับสนวุ่นวาย นั่นก็คือESA ฉันทดสอบ Intel VPUซื้อจากชั้นวางในดาวเทียมสภาพอากาศขนาดเล็ก ก็มีเช่นกันHPE ซึ่งทดสอบและตรวจสอบซูเปอร์คอมพิวเตอร์อวกาศขนาดเล็กกับ NASAในสถานีระหว่างประเทศ หรือโดรนอังคาร Ingenuity ซึ่งบินได้เกือบอัตโนมัติบนดาวเคราะห์สีแดงด้วยไปจนถึงชิปสมาร์ทโฟนรุ่นเก่า- โครงการทั้งสามนี้ใช้ส่วนประกอบ "ภาคพื้นดิน" ซึ่งไม่ได้รับการป้องกันรังสี นี่คือเหตุผลที่พวกเขาดำเนินโครงการทดลองเท่านั้น หรือแม้แต่โครงการรองในกรณีของ Ingenuity แต่สิ่งเหล่านี้เป็นข้อพิสูจน์ว่าอุตสาหกรรมอวกาศกำลังมองหาพลังงานที่มากขึ้น

อ่านเพิ่มเติม:ชิป VPU จะปฏิวัติการพิชิตอวกาศได้อย่างไร

เพื่อให้คุณเข้าใจถึงความแตกต่างของพลังงานระหว่างชิปในคอมพิวเตอร์หรือสมาร์ทโฟนของคุณกับ RAD750 และ LEON 4 อื่นๆ ให้พิจารณาความเฉลียวฉลาด โดรนของ NASA มาถึงดาวอังคารพร้อมกับพี่ใหญ่ของมัน นั่นคือรถแลนด์โรเวอร์ Perseverance ในขณะที่โปรเซสเซอร์ที่ทรงพลังที่สุดของรุ่นหลังคือ RAD 750 รุ่นเก่าที่ดีความฉลาดผสมผสานกับ Snapdragon 801- SoC ที่ประกาศในปี 2014 นี้เป็นชิป ARM แบบควอดคอร์ที่แกะสลักในขนาด 28 นาโนเมตร ด้วยส่วนของ CPU สูงถึง 2.3 GHz และ Adreno 330 GPU สูงถึง 578 MHz ชิปเก่านี้ที่ติดตั้งโมโตโรล่าโมโต X (รุ่นที่ 2)etโซนี่ เอ็กซ์พีเรีย Z3ถูกแซงหน้าโปรเซสเซอร์ระดับกลางในปัจจุบันโดยสิ้นเชิง อย่างไรก็ตาม พลังของมันเพียงพอที่จะทำให้ Ingenuity บินได้อัตโนมัติบนดาวอังคารแล้ว และมีพลังมากกว่าสิบเท่าจำนวนทั้งสิ้นชิปบนรถแลนด์โรเวอร์ Perseverance!

ระหว่างความต้องการการนำร่องอัตโนมัติ ข้อจำกัดของโปรโตคอลการส่งข้อมูลอวกาศ การเพิ่มคำจำกัดความและความละเอียดของเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ (เซ็นเซอร์ภาพ ฯลฯ) โลกของอวกาศต้องเปลี่ยนเกียร์ แต่ทำไมไม่ใช้สิ่งที่ใช้ได้ผลบนโลกอย่างชิปสมาร์ทโฟนในตัวอย่างของเราแล้วปรับให้เข้ากับอวกาศล่ะ

x86 และ ARM ไม่มีโอกาส

สถาปัตยกรรมไมโครชิปสองตัวครองโลกของเรา: x86 และ ARM เมื่อคุณเปิดพีซี เมื่อคุณขอให้ Netflix ส่งวิดีโอถึงคุณ โดยทั่วไปแล้วทั้งคอมพิวเตอร์ (ที่ไม่ใช่ Mac) และศูนย์ข้อมูลระยะไกลจะขึ้นอยู่กับชิป Intel หรือ AMD โปรเซสเซอร์ที่ใช้สถาปัตยกรรมไมโครซึ่งปัจจุบันมีอายุ 40 ปี เรียกว่า x86

ไม่ว่าคุณจะเปิดตัว Disney+ บนทีวีที่เชื่อมต่อ อ่านบนสมาร์ทโฟน หรือปรึกษาคอมพิวเตอร์ออนบอร์ดของรถ ชิปที่ใช้สถาปัตยกรรมไมโคร ARM ก็กลับมามีชีวิตอีกครั้ง สถาปัตยกรรมหลังนี้ ต้องขอบคุณระบบการออกใบอนุญาต ทำให้สถาปัตยกรรมหลังนี้กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในหลายตลาด ลองดูที่การเปลี่ยนมาใช้ชิป M1 และ M2 ของ Apple

เพื่อนสนิทสองคนนี้ x86 และ ARM ครองโลกภาคพื้นดิน ทั้งสองมีจุดแข็ง: ที่ x86, ความเข้ากันได้ของซอฟต์แวร์มหาศาลและความสามารถในการปรับขนาดที่ยอดเยี่ยม ARM มีอัตราส่วนประสิทธิภาพ/วัตต์ที่ดีที่สุด และบริษัทใดก็ตามที่จ่ายค่าลิขสิทธิ์และมีทักษะสามารถสร้างชิปภายในองค์กรได้ นอกจากนี้ สถาปัตยกรรมทั้งสองยังเป็นแหล่งที่มาของชิปหลายพันล้านชิ้นที่ผลิตในแต่ละปี ซึ่งเพียงพอที่จะได้รับประโยชน์จากผลกระทบที่เกิดขึ้นจริงจากขนาด อย่างไรก็ตาม พวกเขาไม่มีโอกาสได้รับเลือกจากเจ้าหน้าที่อวกาศเลย (แน่นอน)

อ่านเพิ่มเติม:ด้วย IFS โรงงานของ Intel จึงเป็นหัวใจสำคัญของกลยุทธ์ใหม่

ไม่ใช่เพราะโครงสร้าง แม้ว่าอัตราส่วนประสิทธิภาพ/วัตต์ของ x86 จะไม่เป็นประโยชน์ในทุกวันนี้ แต่เพื่อจุดประสงค์ทางการเมืองที่มากกว่านั้นมาก นั่นก็คือ อธิปไตย แม้ว่า Intel จะสามารถโต้แย้งได้ว่าบริการ IFS ของตนทำให้สามารถออกแบบชิปที่มีบิต CPU x86 ได้ แต่ทรัพย์สินทางปัญญา x86 ทั้งหมดเป็นของ Intel (และ AMD ในระดับหนึ่ง)

สำหรับ ARM แม้ว่าบริษัทอังกฤษจะอ้างว่ามีลูกค้า 500 รายและอนุญาตให้บางคนเช่น Apple ออกแบบคอร์ CPU ของตัวเองได้ แต่คำสั่งดังกล่าวถือเป็นทรัพย์สินของบริษัทอีกครั้ง บริษัทยักษ์ใหญ่อย่าง Qualcomm ซึ่งเป็นหนึ่งในลูกค้ารายใหญ่ที่สุดของ ARMในความเป็นจริงต้นทุนในปัจจุบัน- ทั้ง NASA และ ESA จำเป็นต้องเชี่ยวชาญเทคโนโลยีของตน และไม่สามารถอยู่ในความเมตตาของประวัติศาสตร์หรือความปรารถนาของบริษัทใดบริษัทหนึ่งได้

และนั่นคือสิ่งที่ RISC V เข้ามา

RISC V: เปิดกว้าง ร่วมมือกัน และ (อาจ) มีอำนาจอธิปไตย

แม้ว่าจะเป็นเรื่องยากที่จะตระหนักได้ในแต่ละวัน แต่ในความเป็นจริงแล้ว สถาปัตยกรรมของชิปของเรานั้นขึ้นอยู่กับความนิยมของผู้เสมือนผูกขาด ในทางตรงกันข้าม RISC V ไม่ได้เป็นของใครเลย โปรแกรมนี้มาจากโครงการมหาวิทยาลัยเพื่อสอนนักศึกษาเกี่ยวกับการออกแบบชิปประเภท RISC โดยถูกวางไว้ในปี 2020 ภายใต้การควบคุมของมูลนิธิภายใต้กฎหมายของสวิส ความเคลื่อนไหวนี้เกิดขึ้นหลังจากที่สหรัฐฯ ล้มเหลวในการป้องกันไม่ให้ ARM อนุญาติให้ Huawei ได้ปกป้องชุดคำสั่งจากการแทรกแซงของรัฐบาล

อ่านเพิ่มเติม: RISC-V ซึ่งเป็นคู่แข่งของ ARM จะได้รับ GPU ตัวแรก (และนั่นยังห่างไกลจากรายละเอียด)

ซึ่งทำให้ RISC V เป็นสถาปัตยกรรมไมโครแบบเปิดและร่วมมือกันเพียงแห่งเดียว ไม่ว่าคุณจะเป็นใคร คุณสามารถเรียนรู้วิธีจัดการคำสั่ง ออกแบบคอร์โปรเซสเซอร์ของคุณเองได้ และขายความรู้ความชำนาญนี้โดยการจัดเรียงทรานซิสเตอร์หรือโครงสร้างของคอร์เป็นทรัพย์สินของคุณ โดยไม่สามารถป้องกันไม่ให้ผู้อื่นทำงานตามคำสั่งเดียวกันนี้ได้ ในด้านการควบคุมดูแล บริษัทหลายแห่งมีอิทธิพลต่อการพัฒนาชุดคำสั่งที่แตกต่างกัน คล้ายกับวิธีการพัฒนาเคอร์เนล Linux

อ่านเพิ่มเติม: เหตุใด Apple จึงเตรียม (บางส่วน) ละทิ้ง ARM สำหรับ RISC-V

วงจรแห่งนวัตกรรมอันดีงามซึ่งใช้สูตรซอฟต์แวร์บางส่วนโอเพ่นซอร์สนำไปใช้กับวัสดุ และได้เห็นการกำเนิดของนักแสดงหน้าใหม่อย่างอเมริกัน SiFive,ซึ่งได้รับงบประมาณ 50 ล้านดอลลาร์เมื่อสัปดาห์ที่แล้วเพื่อพัฒนาคอร์ CPU แห่งอนาคต

SiFive ซึ่งเป็นบริษัทแรกที่เปิดตัวโปรเซสเซอร์ RISC V ที่ประชาชนทั่วไปสามารถซื้อได้ง่าย กำลังมีจำนวนเพิ่มขึ้น มากจนมีข่าวลือเรื่องการเทคโอเวอร์โดย Intel เมื่อปีที่แล้ว ความสำเร็จต่างๆ ของบริษัทนี้ทำให้บริษัทมีน้ำหนักและประสบการณ์ที่จะใช้ในการพัฒนาคอร์ CPU ที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว ข้อดีของการเปิดกว้างของ RISC V อยู่ที่นี่: NASA สามารถแทรกแซงหัวใจและรู้วิธีการทำงานของหัวใจได้ และในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงซัพพลายเออร์ด้านทรัพย์สินทางปัญญา NASA สามารถเปลี่ยนซัพพลายเออร์เทคโนโลยีคอร์ CPU ได้ง่ายขึ้น

สิ่งที่น่าสนใจในการเลือก RISC V โดยหน่วยงานอวกาศทั้งสองแห่งก็คือ แม้ว่าการทำงานร่วมกันที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นจะสามารถเกิดขึ้นได้ระหว่าง NASA และ ESA แม้ว่า PowerPC จะอเมริกันเกินไปสำหรับหน่วยงานของยุโรป ซึ่งต้องหลีกเลี่ยงการอยู่ภายใต้การควบคุมของทวีปที่เป็นมิตร แต่คราวนี้ ESA จะสามารถพูดคุยกับ NASA ได้โดยตรง บนชุดส่วนขยายหรือซอฟต์แวร์ทั่วไป เป็นต้น โดยพฤตินัยการตอกย้ำน้ำหนักของพื้นที่ในการพัฒนา RISC V. ซึ่งยังมีหนทางอีกยาวไกล

RISC V จะต้องเติบโต แต่มันคืออนาคตอย่างแน่นอน

นอกเหนือจากเงินหลายสิบล้านดอลลาร์ที่ผู้ผลิตจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ทุ่มทุนในการพัฒนาชิปแล้ว ยังมีทรัพย์สินสำคัญอีกประการหนึ่งสำหรับอนาคตของ RISC V: จำนวนนักพัฒนาที่หันมาใช้สถาปัตยกรรมไมโครนี้เพิ่มมากขึ้นเช่นกัน เนื่องจากเครื่องจักร “ลงจอด” น้อยลงเรื่อยๆ ทำงานบนชิป PowerPC (ไม่ต้องพูดถึงทะเลทราย SPARC) ชุมชน RISC V จึงระเบิดอย่างรวดเร็ว โดยการทำให้มันเป็น "สถาปัตยกรรมแห่งอนาคต" โดยพฤตินัย อย่างน้อยก็เพื่อพื้นที่ และสิ่งนี้ทั้งจากมุมมองของ CPU ที่ผลิตในภาคอุตสาหกรรมแล้ว เช่นเดียวกับตัวเร่งความเร็ว AI หรือ GPU ทั้งคู่อยู่ในการพัฒนาเต็มรูปแบบ

ซึ่งไม่ได้หมายความว่า ARM (เมื่อครบกำหนด) หรือ x86 (ที่มีประวัติยาวนานถึง 4 ทศวรรษและควบคุมพีซีในปัจจุบันได้ 90%) จะหายไปในชั่วข้ามคืน เช่นเดียวกับที่ธรรมชาติเจริญเติบโตบนความหลากหลาย เทคโนโลยีก็เช่นกัน และสถาปัตยกรรมไมโครโปรเซสเซอร์ก็ไม่มีข้อยกเว้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากหากพื้นฐาน (RISC) และแนวคิดของ RISC V นั้นเก่าแล้ว มาตรฐาน RISC V ก็ยังเด็กถัดจาก x86 และ ARM

อ่านเพิ่มเติม: สถาปัตยกรรม RISC-V ผ่านหลักชัยสำคัญของการแกะสลักขนาด 5 นาโนเมตร

ในด้านมาตรฐานก็ต้องพัฒนาต่อไป มากจากมุมมองที่เป็นทางการและทางทฤษฎีพอๆ กับจำนวนนักแสดงที่สามารถรับผิดชอบได้ ระบบนิเวศของซอฟต์แวร์ที่แตกต่างกันยังต้องรวมเข้ากับการออกแบบ (การออกแบบ การตรวจสอบ การผลิต) และการใช้งาน (ระบบปฏิบัติการ ไดรเวอร์ API SDK ฯลฯ) ของชิปเหล่านี้

สำหรับพื้นที่ ยังจำเป็นต้องเลือกและพัฒนากระบวนการผลิตที่เหมาะสม (ความละเอียดของการแกะสลัก วัสดุ ฯลฯ) สำหรับการป้องกันรังสี ซึ่งจำเป็นสำหรับการอยู่รอดของส่วนประกอบในนรกแห่งอวกาศแม่เหล็กไฟฟ้า แม้ว่าการออกแบบชิปอาจต้องใช้เวลา แต่คุณสมบัติของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์มักจะใช้เวลานานกว่านั้นอีก

แต่มีสิ่งหนึ่งที่แน่นอน: ในบริบททางภูมิรัฐศาสตร์ที่ปั่นป่วนในปัจจุบันซึ่งกำลังสับเปลี่ยนไพ่หลายใบ สถานะที่เปิดกว้างและร่วมมือกันของ RISC V ถือเป็นอาวุธหลักสำหรับหน่วยงานด้านอวกาศที่แสวงหาการควบคุมอนาคตและอธิปไตยของพวกเขา