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  • 价值145亿的毅力号火星车 竟用着23年前的CPU?主频仅200MHz

      不久前,NASA 毅力号(Perseverance)成功在火星表面着陆,接棒好奇者号火星车,继续探寻火星生命存在的证据。

      对于造价 27 亿美元(约合人民币 175 亿元)毅力号来说,它不仅采用了空中吊车着陆技术,拥有核动力能源,同时还搭载了非常先进的仪器。

      然而令人意外的是,毅力号的核心处理器 RAD750 居然采用的是与 1998 年苹果 iMac G3 内置的处理器的同款架构——PowerPC 750。

    价值 145 亿的毅力号火星车竟用着 23 年前的 CPU?主频仅 200MHz

      资料显示,PowerPC 750 的主频率只有 233MHz,集成 600 万颗晶体管,性能非常有限。

      显然,对于造价 27 亿美元的毅力号来说,选择什么样的处理器,成本肯定不是考虑重要因素。那为什么不采用性能更为强大的处理器,而选择 20 多年前的处理器架构呢呢?

      其关键原因在于,火星大气层的厚度只有地球的百分之一,对于辐射和带电粒子的阻挡作用远不如地球,所以处理器越复杂,其电子元件出错的概率就越高。

      实际上,毅力号与 9 年前的好奇者号火星车用的都是基于 PowerPC 750 架构的处理器,但是毅力号所搭载的 RAD750 处理器也与 20 多年前 iMac 所采用的处理器并不一样。

      据悉,该处理器由 BAE Systems 使用 0.25um 或 0.15um 工艺制造的,管芯面积为 130 平方毫米,具有 1040 万个晶体管、运行频率 200MHz。

      并且,为了应对宇宙辐射、严酷的高低温等因素的影响,RAD750 经过特殊处理。

      CPU 本身可以承受 200,000 至1,000,000 Rads,温度范围为-55℃至 125°C。

      同时还配套了 2GB 内存和 256MB RAM。据悉,这样一套计算模块成本就高达 20 万美元(约合人民币 130 万元)。

      报道解释,毅力号的 PowerPC 750 处理器单价会如此昂贵,并非因为性能超强大,而是必须因应未知的太空环境,因此对处理器进行抗辐射、耐寒冷功能等强化。

      此处理器虽然架构依旧,但结构强化与优化,导致价格昂贵,也非量产型处理器。

      虽然 RAD750 的性能与现代智能手机或 PC 上的 CPU 相比简直不值一提,但是相较“勇气号(Spirit)”和“机遇号(Opportunity)”上的 RAD6000 处理器,其运行频率提升了 10 倍,闪存容量则提升了 8 倍。

      除了“毅力号”和“好奇号”火星车以外,RAD750 还应用于费米太空望远镜、月球勘测轨道飞行器、彗星探测船“深度撞击”号和开普勒望远镜等航天器。

      而为了应对毅力号在火星上可能会出现了处理器故障问题,毅力号上配备了三套计算模块,一套作为处理器使用、一套进行图像分析、一套备用。

      毅力号所配备的的关键仪器和设备:

    价值 145 亿的毅力号火星车竟用着 23 年前的 CPU?主频仅 200MHz

      1、Mastcam-Z:这是位于桅杆上的变焦全景相机,能够产生高清晰的全景和立体图像;能够鉴定火星表面岩石的成分,还能够辅助火星车行进。消耗功率大约 17.4 瓦。

      2、SuperCam:这是一台激光超距分析仪,能够远距离利用高清相机、激光和光谱仪对火星上的岩石和土壤成分进行分析。消耗功率大约 17.9 瓦。

      3、PIXL:这是X射线光谱仪,能够利用矿物对X射线产生荧光的原理进行更加精确的分析。装配有微距相机,能够看清非常细小的火星沙粒。消耗功率大约 25 瓦。

      4、SHERLOC:这是紫外光谱仪,能够利用紫外激光对矿物和有机物质进行分析,这将是火星上第一个紫外拉曼光谱仪。这台仪器上还安装有一台高分辨率的彩色相机。消耗总功率大约 48.8 瓦。

      5、MOXIE:我们知道,火星大气中二氧化碳占 95%。这台仪器将进行一项非常重要的实验,那就是通过化学反应从火星大气的二氧化碳中制取氧气。有了氧气,不但可以供未来登陆火星的宇航员呼吸使用,而且氧还是火箭的推进剂。这台仪器消耗功率约 300 瓦。

      6、MEDA:相当于移动气象站,能够对火星大气的温度、气压、风速、风向、相对湿度以及沙尘的大小和形状进行记录。消耗功率约 17 瓦。

      7、RIMFAX:这是雷达探测仪,这台仪器是利用雷达对火星表面之下的地质结构进行探测,能够达到厘米级别的分辨率。消耗功率约 5 瓦至 10 瓦。

      8、机智号直升机:毅力号此次探索火星,还首次携带了一架名为“机智号”(Ingenuity)的小型直升机,可以对毅力号难以抵达的一些区域进行勘测。

    价值 145 亿的毅力号火星车竟用着 23 年前的 CPU?主频仅 200MHz

      这架直升机重仅为 1.8 公斤,高 0.5 米,螺旋桨直径 1.2 米,由两个反向旋转的螺旋桨提供升力,功率 350 瓦。

      虽然火星的表面引力只有地球的三分之一,从这点看有利于飞行器飞行,但是火星的气压只有地球气压的1%,空气非常稀薄,因此要求螺旋桨转动更加快速才行。小机灵直升机螺旋桨旋转角速度可达 2400 转每分钟。水平移动的速度为 10 米每秒,爬升速度为 3 米每秒。

      这架小直升机靠顶部的太阳能板进行充电,电能储存在锂离子电池中。充电一天,大概能够飞行 90 秒!安装有一个彩色相机和一个黑白相机。

      这架直升机无法直接和地球联络,要通过毅力号进行信息接力传输,因此,不能飞离毅力号太远,最远航程仅 300 米,最远通讯距离为 1 公里。

      其实,本次火星直升机项目主要是为了进行技术验证,并没有赋予太多任务使命。火星直升机比轨道上的人造卫星分辨率更高,而且比火星车更加灵活,机动性更强。一旦飞行成功,将为未来火星探测增加了全新的方式。

      毅力号的核动力能源

      毅力号火星车使用的是“放射性同位素热发电机”(Radioisotope Thermoelectric Generator,缩写为 RTG)提供电能。其原理是,通过热电偶装置把放射性同位素钚-238 衰变产生的热直接转换为直流电来提供火星车的行驶和各项仪器设备使用。

      人造同位素钚-238 的半衰期仅为 88 年,这意味着它的放射性衰减之快可以让它非常炽热。钚-238 释放的是阿尔法射线,很容易被阻挡,这种物质不能用于核弹。RTG 没有活动的部件,所以很可靠,并且放射性材料能够持续发热很多年。RTG 除了用于为毅力号供电之外,余热还能为毅力号的各种仪器以及自身供暖。

      毅力号使用的 RTG 装置是当年好奇号火星车的备用产品,重量约 45 公斤,里面封存有 4.8 公斤的二氧化钚。当电力需求低谷的时候,RTG 就给两块锂离子电池充电,以备用电需求增加的时候使用。随着放射性元素的不断衰变,输出功率会越来越低,但毅力号上的 RTG 使用寿命至少可达 14 年。

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