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发信人: AFP (afp), 信区: NewExpress
标  题: 马斯克和他的计算团队在船载计算机上的斤斤计较
发信站: 水木社区 (Thu Jun  4 18:12:46 2020), 站内

芯片成本相差5384倍，看SpaceX如何用工业级器件打造航天旗舰


5月31日，经历了重重困难，马斯克的SpaceX载人飞船成功发射，这是美国自2011年以来首次发射载人航天飞船，也是美国进入由商业主导太空探索的历史性时刻，更是全人类在载人航空领域迈出的重要一步。
不过，你肯定不敢相信，在SpaceX成功发射的背后，马斯克竟然只用了2.6万人民币、几十万行C++和Python代码就完成了这个动辄上亿的项目。
接下来，一起看看马斯克如何在SpaceX上做到省钱干大事的~

?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。
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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：

SpaceX 猎鹰九号和龙飞船用的都是Intel双核的x86处理器；

操作系统用的是Linux，还有LabView和Matlab；

软件工程用的是C++，有些时候也用Python；

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。
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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。
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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）：
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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。
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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！
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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！
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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，多么的模块化，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。
注：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！
--来自微水木3.5.1
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