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成本相差5384倍!快把电脑拆掉攒火箭

宇航级,用不起

大家好,我是九天波粒。

在航天圈里,有一种器件如贵族般存在:

宇航级器件

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,

有可能让你从攒机工程师,

阶跃为一个航天工程师。

1、 SpaceX 猎鹰九号和龙飞船用的都是Intel双核的x86处理器;

2、 操作系统用的是Linux,还有LabView和Matlab;

3、 软件工程用的是C++,有些时候也用Python;

4、 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

航天器所有的器件都是特种兵,不是loser,

他们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。

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:

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。

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。

手把手攒火箭之硬件选择

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):

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。

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,

这是多么宝贵的批评与自我批评的精神啊!

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!

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!

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。

手把手教你攒火箭之软件选择

以后遇到会Linux或者C++的程序员,

尽管他们发量稀少了,也一定要保持尊重。

因为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,

同样的码农,却可以秒杀其他C++选手,

这就是上天和开源的力量。

当然,除了这两个,

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。

而更让波粒感到兴奋的是,

SpaceX也用Matlab,

作为通信工程师,我只能自豪的说,

我本科和硕士的通信系统仿真全是用Matlab做的

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,

简直给我勇气再次举起互联网思维的大旗,

进军互联网+商业航天的新时代!

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,

也是全球最幸福的航天软件工程师,

因为他们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。

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。

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,

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,波粒相信,

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,

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!

请尊重你身边的

C++,Linux,Python,Labview,Matlab

他们随时都有可能上天 : )

九天波粒,九天微星通信航天人一枚,清华未毕业电子系工程博士,人生信条:不会做行研的产品经理不是好BD。希望与商业航天同路人多多交流,共同开启Space 2.0时代!

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