ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОРОВ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

MODERN TRENDS IN THE DEVELOPMENT OF PROCESSORS FOR SPACECRAFT

Alfiya Slepova

senior lecturer B21 Voskhod branch of the Moscow aviation Institute (national research University),

Kazakhstan, Baikonur

Evgeny Urazaev

2nd year student areas of training 09.03.01 Voskhod branch of the Moscow aviation Institute (national research University),

Kazakhstan, Baikonur

В современном мире человеку необходимо обрабатывать огромное количество информации, начиная от простых повседневных задач на карманном персональном компьютере (КПК), смартфоне, персональном компьютере и заканчивая сложными наукоёмкими вычислениями на суперкомпьютерах, которые выполняются процессором компьютера. В космической отрасли процессор - неотъемлемая часть различных систем, например, таких как, единая командно-телеметрическая система транспортного космического аппарата (ЕКТС–ТКА), бортовые цифровые вычислительные системы, спутники дистанционного зондирования (Канопус-В), глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС).

Характеристиками современного процессора являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографичес­кого процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура [1, с. 160-161]. Принцип работы современных процессоров, построенных на базе кремниевого кристалла с расположенными на нем транзисторами, основывается на переносе электрических зарядов при изменении электрического поля. При этом процессор потребляет энергию, большую часть из которой выделяет в виде тепла в окру­жающую среду. Этим обусловлена актуальность проблемы разработки перспективных технологий систем обработки и вычислений.

По закону Гордона Мура [2, с. 207], описанному в 1965 году, число транзисторов должно увеличиваться каждые два года в два раза, что приводит к увеличению потребляемой энергии и большему тепло­выделению. При этом большинство процессоров имеют рабочий диапазон температур до 358,1 К. Потребление мощности ряда моделей процессора варьируется в пределах от 130 Вт и более. В связи с этим для нормальной работы процессора требуется применение различных систем охлаждения и теплоотвода, которые также потребляют некоторое количество энергии.

Как следствие, возникла необходимость уменьшения размеров транзисторов. Однако, уменьшение размеров транзисторов бесконечно невозможно, так как при очень малых размерах начнут действовать законы квантового мира, что приведет к невозможности управлять электронами при помощи электрических полей [3, с. 22].

В качестве альтернативы классическим процессорам можно исполь­зовать магнитные процессоры, которые управляются посредством магнитного поля, действующего на наностержневые магниты. Наномагнитные чипы - магниты, упорядоченные в виде прямоугольной сетки. Каждый наномагнит имеет размеры порядка 100 нанометров, а значение записанной в нем информации хранится в виде направления полюсов этого магнита. В структуре наномагнитных чипов полностью отсутствуют какие-либо проводники, для выполнения наночипом различных операций необходимо только воздействие внеш­него магнитного поля определенной конфигурации. Размеры таких процессоров будут гораздо меньше и энергетические затраты вычислений будут существенно малы по сравнению с обычными процессорами. Это связано с физической особенностью магнитов.

Эксперимент физиков из Калифорнийского университета в Беркли показал, что на запись и чтение одного бита информации с намагни­ченной наночастицы тратится всего 4 зептоджоуля (4*10^–21 Дж), то есть примерно в миллион раз меньше, чем тратится на обработку одного бита в современных компьютерах [4, с. 1]. Эти данные были получены в результате 2000 экспериментов и сравнены с пределом Ландауэра, по которому при потере одного бита информации выделяется энергия равная:

                                               (1)

где:   k_b − постоянная Больцмана,

T − температура вычислительной системы в кельвинах.

На рисунке 1 представлена схема экспериментальной установки [4, с. 3].

Установка состоит из лазера с фокусирующей линзой (1 - 2), поляризатора (3), держателя образца (4), образца наномагнитов (5), модуля светового сигнала (6), анализатора (7), детектора с фокусирующей линзой (8 – 9).

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки

Таким образом, в случае получения отработанной методики управления магнитным полем в таких процессорах, они превзойдут современные кремниевые по своей энергоэффективности с сохранением вычислительной мощности. Использование магнитного процессора в космической отрасли позволит увеличить срок работы оборудования от одного заряда аккумуляторных батарей, а также сократить площади системы охлаждения за счет низкого тепловыделения на процессоре. Помимо этого возможно уменьшение веса космических аппаратов, так как необходимая ёмкость аккумуляторов сократится, понизятся значения рабочих температур процессоров. В целом, внедрение технологии наномагнитных чипов в процессоры систем космического аппарата повысит их эксплуатационную надежность путем сокращения числа сбоев и отказов аппаратуры, возникающих из-за влияния ионизирующего излучения (влияние тяжелых заряженных частиц, электронов, протонов и продуктов ядерных реакций).

Магнитное поле или магнитосфера Земли простирается на высоту до 90 000 км от поверхности Земли, которое разделяется на два радиационных пояса: внутренний – до 4000 км и внешний – до 17000 км [5, с. 245]. На высоте до 500 км магнитосфера Земли подвержено незначительному влиянию ионизирующего излучения и других воздей­ствующих факторов [6, с. 37], поэтому международная космическая станция (МКС) летает на высоте 340-430 км от Земли, и соответственно Ракеты космического назначения (РКН), обеспечивающие и поддержи­вающие функционирование МКС, запускаются на высоту до 400 км. В связи с этим при использовании наномагнитных чипов вероятность паразитного влияния на процессоры предлагаемой технологии незначи­тельна.

Все эти факторы позволят повысить эффективность работы процессоров, при этом понизив необходимость замены комплектующих в связи с их быстрым износом из-за высоких нагрузок.

Список литературы:

1. Э. Таненбаум, Т. Остин Архитектура компьютера, 6-е издание - М., СпБ: Питер, 201 - с.160-161.
2. С.А. Майоров, Кириллов В.В., Приблуда А.А. Введение в микроЭВМ - Л.: Машиностроение, 1996 - с. 207.
3. Э. Мур, No Exponential is Forever: But “Forever” Can Be Delayed! // Твердотельные схемы: Дайджест технических докладов Международной конференции, том. 1 - 2003 - с. 22.
4. Jeongmin Hong, Brian Lambson, Scott Dhuey, Jeffrey Bokor Experimental test of Landauer’s principle in single-bit operations on nanomagnetic memory bits / Science Journals - AAAS // URL: http://advances.sciencemag.org/content/advances/2/3/e1501492.full.pdf.
5. Блинов В.Н., Иванов Н.Н., Сеченов Ю.Н., Шалай В.В. Ракеты-носители. Проекты и реальность. Книга 2 - Ом.: ОмГТУ, 2011 - с.245.
6. ОСТ 134-1034-2003. Методы испытаний и оценки стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электронного и протонного излучений космического пространства по дозовым эффектам – с. 37.