價值145億的毅力號火星車 竟用着23年前的CPU?主頻僅200MHz

不久前,NASA毅力號(Perseverance)成功在火星表面着陸,接棒好奇者號火星車,繼續探尋火星生命存在的證據。

對於造價27億美元(約合人民幣175億元)毅力號來說,它不僅採用了空中吊車着陸技術,擁有核動力能源,同時還搭載了非常先進的儀器。

然而令人意外的是,毅力號的核心處理器RAD750居然採用的是與1998年蘋果iMac G3內置的處理器的同款架構——PowerPC 750。

價值145億的毅力號火星車 竟用着23年前的CPU?主頻僅200MHz

資料顯示,PowerPC 750的主頻率只有233MHz,集成600萬顆晶體管,性能非常有限。

顯然,對於造價27億美元的毅力號來說,選擇什麼樣的處理器,成本肯定不是考慮重要因素。那為什麼不採用性能更為強大的處理器,而選擇20多年前的處理器架構呢呢?

其關鍵原因在於,火星大氣層的厚度只有地球的百分之一,對於輻射和帶電粒子的阻擋作用遠不如地球,所以處理器越復雜,其電子元件出錯的概率就越高。

實際上,毅力號與9年前的好奇者號火星車用的都是基於PowerPC 750架構的處理器,但是毅力號所搭載的RAD750處理器也與20多年前iMac所採用的處理器並不一樣。

據悉,該處理器由BAE Systems使用0.25um或0.15um工藝製造的,管芯面積為130平方毫米,具有1040萬個晶體管、運行頻率200MHz。

並且,為了應對宇宙輻射、嚴酷的高低溫等因素的影響,RAD750經過特殊處理。

CPU本身可以承受200,000至1,000,000 Rads,溫度范圍為-55℃至125°C。

同時還配套了2GB記憶體和256MB RAM。據悉,這樣一套計算模塊成本就高達20萬美元(約合人民幣130萬元)。

報道解釋,毅力號的PowerPC 750 處理器單價會如此昂貴,並非因為性能超強大,而是必須因應未知的太空環境,因此對處理器進行抗輻射、耐寒冷功能等強化。

此處理器雖然架構依舊,但結構強化與優化,導致價格昂貴,也非量產型處理器。

雖然RAD750的性能與現代智能手機或PC上的CPU相比簡直不值一提,但是相較「勇氣號(Spirit)「和「機遇號(Opportunity)」上的RAD6000處理器,其運行頻率提升了10倍,閃存容量則提升了8倍。

除了「毅力號「和「好奇號」火星車以外,RAD750還應用於費米太空望遠鏡、月球勘測軌道飛行器、彗星探測船「深度撞擊「號和開普勒望遠鏡等航天器。

而為了應對毅力號在火星上可能會出現了處理器故障問題,毅力號上配備了三套計算模塊,一套作為處理器使用、一套進行圖像分析、一套備用。

毅力號所配備的的關鍵儀器和設備:

價值145億的毅力號火星車 竟用着23年前的CPU?主頻僅200MHz

1、Mastcam-Z:這是位於桅杆上的變焦全景相機,能夠產生高清晰的全景和立體圖像;能夠鑒定火星表面岩石的成分,還能夠輔助火星車行進。消耗功率大約17.4瓦。

2、SuperCam:這是一台激光超距分析儀,能夠遠距離利用高清相機、激光和光譜儀對火星上的岩石和土壤成分進行分析。消耗功率大約17.9瓦。

3、PIXL:這是X射線光譜儀,能夠利用礦物對X射線產生熒光的原理進行更加精確的分析。裝配有微距相機,能夠看清非常細小的火星沙粒。消耗功率大約25瓦。

4、SHERLOC:這是紫外光譜儀,能夠利用紫外激光對礦物和有機物質進行分析,這將是火星上第一個紫外拉曼光譜儀。這台儀器上還安裝有一台高分辨率的彩色相機。消耗總功率大約48.8瓦。

5、MOXIE:我們知道,火星大氣中二氧化碳占95%。這台儀器將進行一項非常重要的實驗,那就是通過化學反應從火星大氣的二氧化碳中製取氧氣。有了氧氣,不但可以供未來登陸火星的宇航員呼吸使用,而且氧還是火箭的推進劑。這台儀器消耗功率約300瓦。

6、MEDA:相當於移動氣象站,能夠對火星大氣的溫度、氣壓、風速、風向、相對濕度以及沙塵的大小和形狀進行記錄。消耗功率約17瓦。

7、RIMFAX:這是雷達探測儀,這台儀器是利用雷達對火星表面之下的地質結構進行探測,能夠達到厘米級別的分辨率。消耗功率約5瓦至10瓦。

8、機智號直升機:毅力號此次探索火星,還首次攜帶了一架名為「機智號」(Ingenuity)的小型直升機,可以對毅力號難以抵達的一些區域進行勘測。

價值145億的毅力號火星車 竟用着23年前的CPU?主頻僅200MHz

這架直升機重僅為1.8公斤,高0.5米,螺旋槳直徑1.2米,由兩個反向旋轉的螺旋槳提供升力,功率350瓦。

雖然火星的表面引力只有地球的三分之一,從這點看有利於飛行器飛行,但是火星的氣壓只有地球氣壓的1%,空氣非常稀薄,因此要求螺旋槳轉動更加快速才行。小機靈直升機螺旋槳旋轉角速度可達2400轉每分鍾。水平移動的速度為10米每秒,爬升速度為3米每秒。

這架小直升機靠頂部的太陽能板進行充電,電能儲存在鋰離子電池中。充電一天,大概能夠飛行90秒!安裝有一個彩色相機和一個黑白相機。

這架直升機無法直接和地球聯絡,要通過毅力號進行信息接力傳輸,因此,不能飛離毅力號太遠,最遠航程僅300米,最遠通訊距離為1公里。

其實,本次火星直升機項目主要是為了進行技術驗證,並沒有賦予太多任務使命。火星直升機比軌道上的人造衛星分辨率更高,而且比火星車更加靈活,機動性更強。一旦飛行成功,將為未來火星探測增加了全新的方式。

毅力號的核動力能源

毅力號火星車使用的是「放射性同位素熱發電機」(Radioisotope Thermoelectric Generator,縮寫為RTG)提供電能。其原理是,通過熱電偶裝置把放射性同位素鈈-238衰變產生的熱直接轉換為直流電來提供火星車的行駛和各項儀器設備使用。

人造同位素鈈-238的半衰期僅為88年,這意味着它的放射性衰減之快可以讓它非常熾熱。鈈-238釋放的是阿爾法射線,很容易被阻擋,這種物質不能用於核彈。RTG沒有活動的部件,所以很可靠,並且放射性材料能夠持續發熱很多年。RTG除了用於為毅力號供電之外,余熱還能為毅力號的各種儀器以及自身供暖。

毅力號使用的RTG裝置是當年好奇號火星車的備用產品,重量約45公斤,里面封存有4.8公斤的二氧化鈈。當電力需求低谷的時候,RTG就給兩塊鋰離子電池充電,以備用電需求增加的時候使用。隨着放射性元素的不斷衰變,輸出功率會越來越低,但毅力號上的RTG使用壽命至少可達14年。

來源:快科技