Rechenpower fürs All
Bordrechner sind das Herzstück eines jeden Raumfahrzeugs. Sie müssen für die Steuerung und Positionierung eine extrem hohe Rechenleistung bereitstellen, dabei aber der Weltraumstrahlung trotzen, fehlerfrei funktionieren und wenig Energie verbrauchen. Die Forscher von Fraunhofer First untersuchen im Projekt ‚Multicore-Architektur zur sensorbasierten Positionsverfolgung im Weltraum‘, inwieweit Multicore-Prozessoren für die Auswertung von Sensordaten und die Positionierung von Raumfahrzeugen geeignet sind und wie eine entsprechende Rechnerarchitektur aussehen müsste.
Seit rund zehn Jahren entwickelt das Fraunhofer-Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik, First unter anderem im Auftrag der European Space Agency (ESA) innovative Konzepte für leistungsfähige Satellitenrechner. So startete bereits im Oktober 2001 der Kleinsatellit Bird, der aus dem Weltall Brände beobachtete und Informationen über Brandherde an die Erde übermittelte. Für Bird entwickelte das Fraunhofer First einen fehlertoleranten Steuerrechner sowie das Betriebssystem Boss. Der kompakte, vierfach redundante Rechner erwies sich als überaus zuverlässig und sendete lange über die geplante Missionszeit hinaus Daten an die Erde. In einem weiteren Projekt wurde für den TET-1 Satelliten ein Satellitenbuscontroller (SBC) entwickelt, der alle Steuerungs- und Kommunikationsaufgaben der Mission ausführt. Der SBC basierte auf der bewährten Bird-Technologie und diente dazu, die aus einer Vielzahl von innovativen Experimenten bestehende Nutzlast für zukünftige Weltraummissionen zu qualifizieren.
Das Muse-Projekt
Mit dem Projekt ‚Multicore-Architektur zur sensorbasierten Positionsverfolgung im Weltraum‘, kurz Muse, das von der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie gefördert wird, geht Fraunhofer First nun ganz neue Wege: Damit Raumfahrzeuge bei präzisen Andock- und Landemanövern ausfallsicher operieren, müssen sie eine Flut von Sensordaten, beispielsweise von Kameras, in Echtzeit verarbeiten. Dafür benötigen sie spezielle Bordrechner, die auch unter den extremen Umgebungsbedingungen im Weltraum zuverlässig funktionieren. Der Leistungsbedarf ist dabei so immens, dass mit den verfügbaren weltraumtauglichen Rechnern Kompromisse, z.B. hinsichtlich der Qualität der Bildverarbeitung, unumgänglich sind. Gilt es jedoch, die Qualität zu verbessern, ist dies nur durch eine weitere Leistungssteigerung der Satellitenrechner möglich. Daher untersuchen die Forscher im Rahmen des Projekts, inwieweit mondernste Multicore-Prozessoren für die Auswertung von Sensordaten im Weltraum geeignet sind und wie eine entsprechende Rechnerarchitektur aussehen muss.
Multicore-Architektur
Als Grundlage für die Entwicklung eines entsprechenden weltraumtauglichen Bordrechners wählten die Wissenschaftler die PowerPC-Multicore-Familie QorlQ von Freescale. Der neue 8-Kern-Prozessor P4080 kann mit einer Taktfrequenz von bis zu 1,5 GHz betrieben werden und kann damit theoretisch eine Spitzenleistung von etwa 60 GIPS oder GIGA-Instruktionen pro Sekunde liefern. Bisherige Weltraumrechner wie der SCS750 liefern lediglich 1,8 GIPS bei 800 MHz. Der P4080 wird in der besonders verlustleistungsarmen Silizium On Insulator-Technologie (SOI) gefertigt, die darüber hinaus weniger strahlungsempfindlich ist als herkömmliche CMOS-Technologie. Zusätzlich zu hoher Rechenleistung und Energieeffizienz bietet er die Vorteile eines hoch integrierten Embedded-Prozessors: Alle wichtigen Funktionen, wie Speicheransteuerung mit Fehlerkorrektur und Multi-GigaBit-Kommunikationskanäle, sind bereits auf dem Chip integriert.
