Текст уведомления здесь

Проездной до Луны

«Чердак» выяснил, какие бытовые приборы мощнее космических кораблей

В наши дни даже самый простой и дешевый мобильный телефон имеет чип, производительность которого многократно превосходит бортовой компьютер на корабле, впервые доставившем человека на Луну. «Чердак» разобрался в том, на что еще хватает мощности современных чипов.
Добавить в закладки
Комментарии
Как было

1960-е ознаменовались рождением IT-индустрии. Более ранние компьютеры 40-х и 50-х годов, которые занимали несколько комнат и работали на крайне капризных радиолампах или вовсе электромеханических реле, сменились более компактными, быстрыми и надежными устройствами. Их уже можно было использовать для управления космическими кораблями и для решения множества иных задач.

Панель управления компьютером, который управлял лунными кораблями. Иллюстрация: NASA


Бортовой компьютер лунных кораблей «Аполлон» работал на частоте в 2 мегагерца (сейчас в ходу процессоры с частотой около трех тысяч мегагерц), имел 4 килобайта оперативной памяти и 72 килобайта постоянной памяти — в 70 раз меньше дискет, которые сегодня считаются чем-то допотопным. В постоянной памяти хранились необходимые для полета программы, а оперативная использовалась для хранения информации, необходимой компьютеру здесь и сейчас — например, для данных о высоте над поверхностью Луны и о массе топлива в баках. Производительность Apollo Guidance Computer составляла примерно 43 тысячи операций в секунду. Запомним эту величину и переведем ее в более часто используемые MIPS — миллионы операций в секунду: 0,043 MIPS.

Маргарет Гамильтон. Фото: NASA
Программы бортового компьютера для «Аполлонов» писал коллектив под руководством Маргарет Гамильтон, выпускницы Массачусетского технологического института. В возрасте чуть более тридцати лет она разработала программу для полета к Луне, а чуть позже предложила термин software engineering. Сейчас этими словами (в русском языке используется «разработка программного обеспечения») пользуется весь англоговорящий мир. Фото: NASA


Как стало

Компьютеры смогли стать еще быстрее, компактнее и надежнее благодаря изобретению микросхем: внутри кремниевой пластины создаются токопроводящие дорожки, транзисторы и конденсаторы. Вместо множества отдельных деталей получается один чип со сложной электрической схемой внутри. Технология производства чипов столь совершенна, что микросхемы можно найти даже в одноразовых билетах для проезда в общественном транспорте: внутри картонного прямоугольника с надписью "1 поездка" скрывается, по сути, небольшой компьютер!

Московский единый проездной билет на одну поездку, дает право пользоваться любым общественным транспортом на протяжении полутора часов. Чип хранит информацию о времени первого прохода через турникет. Фото: Spider death / Wikimedia


«Чердак» нашел спецификацию на чип MIFARE Classic 4K, используемый в московском метрополитене. Объем его памяти равен объему оперативной памяти лунного компьютера! Весь обмен данными с турникетом занимает меньше одной десятой секунды — за это время чип успевает обновить информацию о числе оставшихся поездок, а также передать турникету свой уникальный идентификатор.

Бытовой чип помощнее — это, например, микроконтроллер ATtiny, который можно использовать во множестве разных устройств, включая детские игрушки. Внешне он выглядит как крошечная (tiny переводится как «крошечный») микросхема размерами меньше квадратного сантиметра и стоит 75 центов при оптовой закупке. Это изделие намного быстрее лунного компьютера, хотя оно проигрывает ему по объему как постоянной, так и оперативной памяти.

Микросхеме такого типа можно поручить управление мигающими лампочками на автомобиле или движениями шагающего робота. При этом крошечный микроконтроллер выдает до 20 MIPS — в 465 раз быстрее Apollo Guidance Computer.

Микроконтроллеры семейства AVR разных типов. Фотография: Springob / Wikimedia


Если перейти к бытовой технике, то краткий поиск выдает перечень используемых в блоках управления микроволновками чипов, и один из них — PIC24F04KA201. Он тоже намного (16 MIPS, то есть примерно в 370 раз) быстрее лунного компьютера, но уступает лунному компьютеру по объему памяти, что и логично: программа полета к Луне явно сложнее программы разогрева пищи и требует большей памяти.

В самом обычном фене может скрываться микросхема PIC18F4520 — 10 MIPS с уже предсказуемо меньшей памятью. Окинув взглядом обычную бытовую технику, мы видим, что для управления ей используются компьютеры, производительности которых могло бы хватить на одновременное управление флотом лунных кораблей, вот только бы памяти им добавить. Причем добавить надо немного, буквально несколько десятков килобайт.

Телефон

Мобильный телефон — намного более сложное изделие, чем микроволновая печь или фен. Поиск по Яндекс-маркету с ограничением по цене в пятьсот рублей выдал телефон, внутри которого скрывается платформа MXC300-30 — схема, объединяющая процессор, чип для обработки видео и чип для обработки сигналов, используемых непосредственно телефоном. Это устройство имеет производительность порядка 500 MIPS, к нему подключается до восьми гигабайт постоянной памяти (в виде microSD карт), и он имеет 20 мегабайт встроенной памяти.

Процессор ARM11, который можно найти в самых недорогих телефонах, может стать основой и для компьютера. Представленное на снимке устройство под названием Raspberry Pi — полноценный компьютер, просто без корпуса и подключенных к нему дополнительных устройств. Фото: Lucasbosch / Wikimedia


Самый дешевый из современных телефонов обогнал лунный компьютер по всем параметрам, причем разрыв составил несколько порядков. Напомним, что «на порядок» — это в десять раз, так что речь идет о разнице от сотен до десятков тысяч раз.

Аналогичный результат мы получим, взяв фотоаппарат. Специализированные процессоры для обработки изображений имеют производительность на уровне порядка полусотни MIPS и выше, а память фотокамеры может быть и 8, и 16, и 32 гигабайта, в зависимости от установленной карты памяти.

Компьютеры, которые «компьютеры»

Про смартфоны, планшеты, ноутбуки и тем более настольные компьютеры уже и говорить нечего. Их процессоры имеют производительность на уровне в несколько сотен тысяч MIPS, причем это только центральный процессор, отвечающий за все основные операции. Специализированные графические процессоры, на которых лежит основная тяжесть вычислений в процессе видеоигр, имеют еще большую производительность, и вполне доступный рядовому пользователю компьютер сейчас может выдать порядка 10 миллиардов операций в секунду, то есть около 10 000 MIPS.

Графический процессор Nvidia GK110 содержит примерно по одному транзистору на каждого жителя Земли (7,1 миллиарда). Он используется в видеокартах производительностью свыше 3,5 триллионов операций в секунду (3,5 миллиона MIPS). Фото: akamai-cn.nvidia.com


Игровые приставки имеют производительность в несколько тысяч MIPS. Развитие индустрии компьютерных игр подтолкнуло разработчиков микроэлектроники к выпуску быстрых и дешевых специализированных чипов, которые уже стали использоваться не только игроками, но и учеными.

Кремниевому чипу все равно, какие именно уравнения решать и какими данными оперировать. Поэтому система, которая обсчитывает точное расстояние от глаз персонажа до каждой точки окружающего ландшафта, с тем же успехом будет подбирать, к примеру, конфигурацию сложной белковой молекулы и искать лекарство против ВИЧ. Или обрабатывать в поисках посланий внеземной цивилизации радиосигналы, принятые астрономами. Существует множество проектов, которые основаны на использовании ресурсов домашних компьютеров, которые обычные пользователи никогда не используют, и таким образом ученые получают в свое распоряжение вычислительные мощности уже до десятков миллиардов MIPS.

Космические требования

На фоне всего доступного сейчас цифрового великолепия возникает резонный вопрос: почему космические компьютеры до сих пор стоят сотни тысяч долларов и имеют производительность, которая выше, чем у фена, но ниже, чем у дешевого телефона? К примеру, стоящий на борту марсохода Opportunity чип IBM RAD6000 имеет производительность около 35 MIPS — даже по меркам 2004 года это весьма скромный показатель.

Ответ прост: космические чипы должны выдерживать радиацию, перепады температур и электромагнитные помехи. Требования к ним отличаются от требований к недорогому микроконтроллеру примерно так же, как отличаются требования к настоящему самолету и пластиковой игрушке из шоколадного яйца с сюрпризом.

Космические чипы стоят сотни тысяч долларов, но зато они могут десятки лет работать в дальнем космосе. Их можно запускать на орбиту вокруг Меркурия или швырять в радиационные пояса Юпитера, где космонавт получил бы смертельную дозу облучения за несколько минут. Прогресс в области космических компьютеров, если ориентироваться на объем памяти и производительность процессоров, идет медленнее, чем в области коммерческих и бытовых устройств, но все равно нынешняя космическая техника располагает в тысячи раз большими ресурсами.

Первая цветная фотография с Марса, передана спускаемым аппаратом Viking 5 сентября 1976 года. Сравните ее с большой панорамой, которая откроется по ссылке ниже (осторожно, откроется картинка 13726 × 3008 пикселей, 7,6 Мб). Фото: NASA


Благодаря этому мы можем получать великолепные цветные панорамы Марса — столь детальные изображения возможны потому, что компьютер марсохода способен справиться с большим числом пикселей, чем вычислительные комплексы на борту первых межпланетных станций. Мы можем собирать больше научных данных и управлять более сложными устройствами. Например, марсоход Curiosity садился на планету вообще без вмешательства человека, причем компьютер самостоятельно выбирал место посадки по радарным данным, выискивая достаточно ровную площадку. Когда конструкторы научатся делать стойкими к радиации новые микросхемы, космическая техника получит еще более впечатляющие возможности.
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы