Die NASA bringt eine neue Generation strahlungsresistenter KI-Prozessoren auf den Markt, die die Rechenleistung im Weltraum um das 500-fache steigert

Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) entwickelt einen neuen leistungsstarken, strahlungsbeständigen Computerchip, der voraussichtlich die Funktionsweise künftiger Weltraumsonden völlig verändern wird. Dieser Prozessor wurde gemeinsam von der NASA und kommerziellen Partnern entwickelt, um es Raumfahrzeugen zu ermöglichen, Daten in erdfernen Umgebungen mit hoher Geschwindigkeit zu verarbeiten und bis zu einem gewissen Grad autonome Entscheidungen zu treffen.

Dieses Projekt ist Teil des „High Performance Spaceflight Computing“-Programms der NASA, das darauf abzielt, die Bordcomputerkapazitäten von Raumfahrzeugen, die für Erkundungsmissionen eingesetzt werden, deutlich zu verbessern. Die meisten derzeit im Einsatz befindlichen Raumfahrzeuge sind auf ältere, aber äußerst zuverlässige Prozessoren auf Plattformebene angewiesen, die in der Lage sind, lange Zeit in rauen Weltraumumgebungen zu arbeiten. Es war jedoch schwierig, die Anforderungen der nächsten Generation von Weltraummissionen mit der Leistung dieser Chips zu erfüllen. Die NASA weist darauf hin, dass fortschrittlichere Prozessoren eine wichtige Grundlage für die Erreichung eines hohen Maßes an Autonomie von Raumfahrzeugen, die Beschleunigung der wissenschaftlichen Datenanalyse an Bord und die Unterstützung künftiger bemannter Missionen zum Mond und darüber hinaus darstellen.

Die NASA sagte, dass diese neue Generation von Multi-Core-Systemen weiterhin Fehlertoleranz, Flexibilität und hohe Leistung erreicht und gleichzeitig die Zuverlässigkeit früherer Weltraumprozessoren fortbesteht. Der zuständige Verantwortliche betonte, dass die Weiterentwicklung der Raumfahrt-Computertechnologie nicht nur ein technischer Durchbruch sei, sondern auch das Ergebnis einer intensiven Zusammenarbeit zwischen der NASA und der Industrie.

Kernstück des Projekts ist ein speziell für die Weltraumumgebung verstärkter strahlungsbeständiger Prozessor. Sein Ziel ist es, rauen Weltraumbedingungen standzuhalten und gleichzeitig die bis zu 100-fache Rechenleistung im Vergleich zu aktuellen Raumflugcomputern bereitzustellen. Um seine Zuverlässigkeit zu überprüfen, führt das Ingenieurteam des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Kalifornien, USA, hochintensive Tests am Chip durch und simuliert dabei Umgebungen wie Weltraumstrahlung, extreme Temperaturunterschiede und heftige Erschütterungen.

Entsprechend den Anforderungen von Raumfahrtanwendungen muss dieser Prozessortyp hochenergetischer Teilchenstrahlung, starken mechanischen Stößen und großen Temperaturschwankungen standhalten. Diese Faktoren können elektronische Präzisionskomponenten beschädigen. Hochenergetische Teilchen aus der Sonne und dem Weltraum können ebenfalls Berechnungsfehler verursachen und das Raumschiff dazu zwingen, in den „abgesicherten Modus“ zu wechseln und unkritische Systeme abzuschalten, während Bodeningenieure das Problem beheben. Zu diesem Zweck untersuchte die NASA auch gezielt die Leistung des Chips in komplexen Sternenlandeumgebungen.

Während des Testprozesses nutzte das Ingenieurteam hochpräzise Landeszenendaten von realen Missionen, um einen „praktischen“ Test des Chips durchzuführen. Solche Szenarien erfordern in der Regel leistungsstarke Hardware, um riesige Mengen an Landesensordaten in Echtzeit zu verarbeiten. Projektleiter sagen, es sei eine aufregende Zeit, an der Entwicklung dieser Art von Hardware beteiligt zu sein, da sie die Rechengrundlage für den „nächsten großen Sprung“ der NASA bilden werde. Die Tests des Prozessors am JPL begannen im Februar und werden voraussichtlich mehrere Monate dauern. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass der Chip die erwartete Leistung erbringt und etwa das 500-fache der Leistung von strahlungsgehärteten Prozessoren beträgt, die derzeit in Raumfahrzeugen verwendet werden.

Zu Beginn der Tests markierte das Team den Anlass mit einer E-Mail mit der Betreffzeile „Hello Universe“, eine Anspielung auf die klassische „Hallo Welt“-Tradition aus der frühen Computerära.

Der Prozessor wurde von JPL in Zusammenarbeit mit Microchip Technology Inc. aus Chandler, Arizona, entwickelt. Frühe Versionen des Chips wurden zur frühen Anwendungsüberprüfung und -bewertung an Verteidigungs- und kommerzielle Luft- und Raumfahrtpartner verteilt.

Die NASA sagte, dass verwandte Technologien es künftigen autonomen Raumfahrzeugen voraussichtlich ermöglichen werden, künstliche Intelligenz an Bord zu nutzen, um in erdfernen Umgebungen und mit großen Kommunikationsverzögerungen in Echtzeit auf Notfälle zu reagieren und unabhängig Entscheidungen zu treffen, wenn Menschen nicht in der Lage sind, schnell einzugreifen. Darüber hinaus wird dieser Prozessor dazu beitragen, dass Weltraummissionen die schnelle Analyse, Speicherung und Rückgabe wissenschaftlicher Daten effizienter durchführen können, und leistungsstarke Onboard-Computing-Unterstützung für zukünftige bemannte Missionen wie den Mond und den Mars bieten.

Aus architektonischer Sicht handelt es sich um ein „System-on-a-Chip“ (SoC), das die Kernkomponenten eines Computers auf einem Chip integriert, der in die Handfläche gelegt werden kann. Es integriert eine Zentraleinheit, eine dedizierte Rechenbeschleunigungseinheit, ein fortschrittliches Netzwerksystem, Speicher und verschiedene Eingabe-/Ausgabeschnittstellen. SoCs sind in Smartphones und Tablet-Geräten bereits weit verbreitet und werden aufgrund ihrer geringen Größe und hohen Energieeffizienz häufig in der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Der Unterschied besteht darin, dass der von JPL getestete Chip speziell für Langzeitmissionen im Weltraum entwickelt wurde und jahrelang in rauen Umgebungen zuverlässig funktionieren kann, Millionen oder sogar Milliarden Meilen von Reparaturteams entfernt.

Sobald die Technologie für den Weltraumflug zertifiziert ist, plant die NASA, sie auf verschiedenen Arten von Missionen einzusetzen, darunter Erdbeobachtungssatelliten, Fahrzeuge zur Erkundung der Planetenoberfläche, bemannte Module und verschiedene Arten von Weltraumraumfahrzeugen. Microchip Technology plant außerdem, die Anwendung dieser Technologie auf Bodenindustrien wie die Luftfahrt und den Automobilbau auszuweiten, um diese Industrien mit eingebetteten Plattformen mit höherer Zuverlässigkeit und Rechenleistung auszustatten.

Das Projekt wird vom Langley Research Center der NASA verwaltet und ist Teil des Game Changing Development (GCD)-Programms des Space Technology Mission Directorate. Das GCD-Programm treibt zusammen mit dem von Caltech verwalteten JPL diese Technologie von frühen Missionsanforderungen und industriellen Forschungsphasen bis hin zur konkreten Entwicklung und Bereitstellung voran. NASA JPL hat Microchip Technology im Jahr 2022 offiziell als Partner ausgewählt, und dieser investierte auch eigene Forschungs- und Entwicklungsressourcen, um das Design und die Implementierung des Prozessors voranzutreiben.