HPSC: Bước ngoặt lớn cho ngành thám hiểm không gian

Trong nhiều thập kỷ, các tàu vũ trụ phải chấp nhận hy sinh hiệu năng để đảm bảo độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt ngoài không gian. Tuy nhiên, dự án High Performance Spaceflight Computing (HPSC) của NASA, hợp tác cùng Microchip Technology, đang thay đổi hoàn toàn cục diện khi hứa hẹn mang lại hiệu năng vượt trội gấp hàng trăm lần mà vẫn đảm bảo khả năng chống bức xạ. Đây được xem là nền tảng cho các sứ mệnh tự hành, xử lý AI và khám phá vũ trụ sâu trong tương lai.

Vì sao không gian cần một loại máy tính mới?

Trong không gian sâu, một lỗi xử lý nhỏ có thể gây nguy hiểm cho sứ mệnh trị giá hàng tỷ USD. Các hạt năng lượng từ mặt trời và bức xạ vũ trụ có thể làm đảo lộn bit trong bộ nhớ, làm hỏng tính toán hoặc gây hư hại linh kiện điện tử. Do đó, máy tính trên tàu vũ trụ thường phải hy sinh hiệu năng để đổi lấy khả năng phục hồi và chịu đựng tốt.

Cách tiếp cận này đã phục vụ tốt cho các sứ mệnh trong nhiều thập kỷ, nhưng hiện tại, nó không còn đáp ứng được nhu cầu khám phá ngày càng lớn. Các sứ mệnh tương lai cần nhiều khả năng tự hành hơn, các thiết bị khoa học tinh vi hơn và tốc độ ra quyết định nhanh hơn. HPSC được tạo ra để giải quyết chính bài toán đó.

HPSC là gì?

HPSC là kiến trúc hệ thống trên chip (SoC) đa nhân 64-bit được thiết kế riêng cho các ứng dụng bay trong không gian. Nó tích hợp các tính năng như:

• Xử lý đa nhân kết hợp bộ nhớ đệm nhất quán (cache-coherent)
• Kỹ thuật chống bức xạ ngay từ thiết kế (radiation-hardened-by-design)
• Khả năng vận hành chịu lỗi (fault-tolerant)
• Tích hợp mạng tốc độ cao

Các biến thể chống bức xạ và chịu bức xạ được thiết kế để phù hợp với nhiều loại sứ mệnh khác nhau. Các chức năng có thể được tắt hoặc chuyển sang chế độ năng lượng thấp khi không sử dụng.

Điểm đặc biệt là HPSC hỗ trợ nhiều công nghệ phổ biến trong môi trường máy tính trên mặt đất như ảo hóa, trí tuệ nhân tạo (AI), PCIe, Compute Express Link (CXL), Ethernet, mạng nhạy cảm thời gian (TSN) và khả năng mã hóa. Kiến trúc này cũng bao gồm một switch Ethernet TSN tích hợp 240 gigabit mỗi giây, cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng giữa các cảm biến, thiết bị và hệ thống máy tính trên tàu.

Giải quyết thách thức về độ trễ liên lạc

Một trong những lý do chính khiến HPSC ra đời là tầm quan trọng ngày càng tăng của khả năng tự hành cho tàu vũ trụ. Khi các sứ mệnh đi xa Trái Đất, thời gian liên lạc trở nên dài hơn đáng kể.

Tín hiệu vô tuyến mất khoảng 1,3 giây để đi từ Trái Đất đến Mặt Trăng, nhưng liên lạc với Sao Hỏa có thể mất từ 4 đến 24 phút mỗi chiều tùy thuộc vào vị trí quỹ đạo. Với các tàu thăm dò quanh Sao Mộc, thời gian này còn lâu hơn nữa.

Sự chậm trễ này hạn chế khả năng điều khiển theo thời gian thực từ Trái Đất. Trong một sự kiện quan trọng như hạ cánh, sự chỉ đạo từ Trái Đất có thể dẫn đến bỏ lỡ cơ hội hoặc gây ra hậu quả nguy hiểm. HPSC cho phép tàu vũ trụ xử lý thông tin tại chỗ và tự đưa ra quyết định độc lập, thay vì phải gửi mọi câu hỏi ngược về mặt đất.

Kích hoạt AI trong không gian

Việc triển khai AI trong không gian là một thách thức đặc biệt vì các hệ thống AI đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn. HPSC được thiết kế cho các ứng dụng AI và điện toán biên (edge computing). Một con tàu vũ trụ trang bị HPSC có thể:

• Xử lý tinh vi ngay trên tàu thay vì truyền dữ liệu về Trái Đất để phân tích
• Nhận diện các cấu trúc địa chất thú vị, nhận biết mối nguy hiểm tiềm tàng
• Ưu tiên lựa chọn điểm lấy mẫu và tự động điều chỉnh kế hoạch thám hiểm

Một ví dụ điển hình là cải thiện khả năng hạ cánh và định vị. Việc phân tích nhanh nhiều luồng dữ liệu cảm biến đồng thời giúp hỗ trợ hệ thống định vị tương đối địa hình và tránh chướng ngại vật tự động, nâng cao độ chính xác và an toàn khi hạ cánh.

Giải quyết vấn đề bùng nổ dữ liệu không gian

Sự gia tăng sản lượng dữ liệu và băng thông hạn chế của Mạng lưới Không gian Sâu (Deep Space Network) đang là mối quan tâm lớn. Các thiết bị khoa học ngày càng tinh vi, dữ liệu tạo ra sẽ vượt quá khả năng truyền tải của hạ tầng liên lạc hiện tại.

HPSC biến tàu vũ trụ thành một tác nhân tích cực trong khám phá khoa học bằng cách quản lý, sàng lọc và chỉ truyền về Trái Đất những quan sát có giá trị khoa học nhất. Con người càng tiến sâu vào không gian, khả năng này càng trở nên quan trọng.

HPSC cần một hệ sinh thái phần mềm

HPSC không chỉ là một bộ xử lý thế hệ mới mà là nền tảng cho một hệ sinh thái điện toán không gian rộng lớn. Hệ sinh thái này bắt đầu từ các tiêu chuẩn mở và phần mềm mã nguồn mở (như Debian, Yocto Linux), cùng các công cụ quen thuộc như LLVM, Python, OpenCL, TensorFlow Lite.

Khi cần đảm bảo sứ mệnh, bảo trì lâu dài và hỗ trợ chứng nhận, các dự án có thể lựa chọn các giải pháp thương mại như:

• VxWorks - hệ điều hành thời gian thực (RTOS)
• eLxr - bản phân phối Linux doanh nghiệp
• Helix Virtualization Platform - nền tảng ảo hóa

Điều thú vị là Helix cho phép nhiều hệ điều hành và ứng dụng chạy an toàn trong các phân vùng cô lập trên cùng một bộ xử lý đa nhân. Một tàu vũ trụ tương lai có thể chạy hệ thống định vị an toàn trong một phân vùng, ứng dụng máy học phân loại địa hình trong phân vùng khác, và xử lý dữ liệu khoa học trong phân vùng thứ ba.

Tương lai của HPSC

HPSC kết hợp khả năng chống bức xạ, chịu lỗi, điện toán đa nhân hiện đại, mạng tốc độ cao, hỗ trợ AI và cải thiện hiệu năng trên mỗi watt chưa từng có. Đây không chỉ là một bộ xử lý nhanh hơn mà là bước tiến tới tương lai nơi tàu vũ trụ có thể tự tư duy.

Khi các sứ mệnh tiến sâu hơn vào hệ Mặt Trời, đối mặt với môi trường phức tạp hơn và tạo ra lượng dữ liệu khoa học lớn hơn, khả năng này có thể trở nên không chỉ là lợi thế mà còn là điều thiết yếu.