原創(chuàng) 馬超 看懂經(jīng)濟(jì) 收錄于話題#IT1#航天1

作為中國首個(gè)火星探測(cè)任務(wù)，“天問一號(hào)”火星探測(cè)是2021年備受矚目的航天大事件之一。2021年5月15日上午，天問一號(hào)著陸器確認(rèn)成功降落火星北半球的烏托邦平原?！疤靻栆惶?hào)”一次任務(wù)同時(shí)實(shí)施環(huán)繞探測(cè)和巡視探測(cè)，在國際上尚屬首次。之前成功全世界登陸火星的著陸器和火星車加在一起只有10個(gè)，目前還在服役的火星探測(cè)車有“好奇號(hào)”、“洞察號(hào)”和“毅力號(hào)”，它們的探測(cè)區(qū)域基本都是在火星南部高地，而“天問一號(hào)”火星車著陸在火星北部平原，將會(huì)對(duì)人類全面理解火星的演化進(jìn)程做出重要補(bǔ)充。天問的成功無疑是我國科技綜合實(shí)力的體現(xiàn)，其背后包括航天測(cè)控、太陽能電池、航天動(dòng)力以及IT技術(shù)等等共同協(xié)作的系統(tǒng)性工程，其中有關(guān)天問的IT技術(shù)又至少包括了芯片、操作系統(tǒng)以及AI自動(dòng)化控制等等方面，但遺憾的是目前還沒看到對(duì)于這部分專業(yè)解讀，在整理了相關(guān)資料以后，筆者發(fā)現(xiàn)航天的背后至少有操作系統(tǒng)、芯片與人工智能三大看點(diǎn)，下面為各位讀者進(jìn)行一下詳盡解讀。Space OS-航天器背后的操作系統(tǒng)可不簡(jiǎn)單

雖然并沒有公開資料顯示天問和祝融到底使用的是什么操作系統(tǒng)，但是筆者認(rèn)為Space OS的可能性要超過90%。Space OS中國航天科技集團(tuán)公司五院的航空天器操作系統(tǒng)，在2006年首飛成功，2013年嫦娥三號(hào)探月任務(wù)使用的是第二代的Space OS 2。

盡管與普通家用的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理相似，但航空航天的操作系統(tǒng)為了適應(yīng)惡劣太空環(huán)境，對(duì)安全性、可靠性等要求要苛刻許多。日常我們家用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)死機(jī)可以重啟解決，壞件可以換新的，但飛行器上了天以后，根本就沒有什么重啟換件的機(jī)會(huì)。而且作為整個(gè)航天器的大腦，航天操作系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間絕不能拉胯，一般來說電池背板的使用壽命可達(dá)十幾年，這也就意味著Space OS也得保證運(yùn)行十幾年不出現(xiàn)問題。

除了穩(wěn)定性的要求以外，Space OS 與日常我們所接觸到的操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也不同，今天知乎上有一個(gè)特別火的問題是《祝融火星車上有沒有可能搭載鴻蒙OS或者RT-Thread》，不過筆者認(rèn)為鴻蒙上火星的可能性幾乎為0，雖然沒找到Space OS的架構(gòu)，但從論文《空間站有效載荷綜合處理單元設(shè)計(jì)研究》可以看到載人航天系統(tǒng)的功能架構(gòu)圖如下：

而對(duì)比鴻蒙的架構(gòu)圖可以看到鴻蒙的首要設(shè)計(jì)理念是保證良好的用戶體驗(yàn)，而Space OS則需要首先保證系統(tǒng)的高可用性，系統(tǒng)健康、電源、遙測(cè)管理等等方面，至于多媒體、分布式等等方面根本就不用考慮。

而且值得一提的是，在任務(wù)調(diào)度和內(nèi)存管理方面，2013年搭建在嫦娥三號(hào)的SpaceOS 2可以同時(shí)做到同時(shí)管理幾十個(gè)任務(wù)，與一代Space OS的5個(gè)任務(wù)相比提高不小，相信現(xiàn)在用于祝融的版本可能提升更大。在探測(cè)車在星球行走時(shí)，要一邊不停地拍攝周圍環(huán)境，一邊快速保存和處理這些信息。同時(shí)還要密切注意外界傳感器的反饋，假如前方遇到路障，需要操作系統(tǒng)在最短的時(shí)間內(nèi)作出判斷并反應(yīng)，這在火星車電源和算力均有限的情況下做到硬實(shí)時(shí)還是非常不易的。

能上天的芯片肯定不止CPU那么簡(jiǎn)單

如果說航天操作系統(tǒng)與普通的RTOS還有一定的相同之處，那么航天芯片與普通日常SoC之間的差距就太大了，別的不說想要內(nèi)存、電子器件、半導(dǎo)體在沒有大氣層保護(hù)的強(qiáng)輻射環(huán)境下運(yùn)行，就是一件極其困難的任務(wù)。

因此與我們家用電腦將內(nèi)存、CPU、網(wǎng)卡分成不同模塊的策略不同，航天芯片更傾向于完整的片內(nèi)集成。根據(jù)論文《空間站有效載荷綜合處理單元設(shè)計(jì)研究》，integrated processing unit(IPU)的架構(gòu)如下：

這款芯片實(shí)際是將內(nèi)存、光纖RapidIO等外設(shè)以及CPU、FPGA等核心組件完全集成到一塊芯片上了。

目前我們比較成熟的航空航天器專屬的芯片，大多是軒宇空間的CPU-SoC 20xx系列的，其中第一代SoC 2008首次應(yīng)用于2012年10月發(fā)射的實(shí)踐-9B衛(wèi)星星載計(jì)算機(jī)的主份核心芯片，是國內(nèi)第一款在軌飛行的SoC芯片。該芯片基于SPARC V8體系結(jié)構(gòu)，面向空間應(yīng)用的高性能、低功耗的32位抗輻射片上系統(tǒng)芯片，計(jì)算性能超過86MIPS@100MHz。

第二代產(chǎn)品SoC2012是一款4核CPU處理器，內(nèi)部集成四個(gè)SPARC V8內(nèi)核，性能超過了300MIPS 80FLOPS@100MHz，功耗不大于2瓦，基于SoC2012設(shè)計(jì)的新一代抗輻射加固星載計(jì)算機(jī)，其體積、重量和功耗只有同類傳統(tǒng)星載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的一半，性能是現(xiàn)有產(chǎn)品的20~60倍，可以滿足衛(wèi)星對(duì)高性能、高可靠、小型化的進(jìn)一步需求。截至2016年年底， 共有 200套以上 SoC2012 片上系統(tǒng)用于二代導(dǎo)航衛(wèi)星、探月衛(wèi)星等的控制計(jì)算機(jī)、敏感器等電子產(chǎn)品中。

第三代產(chǎn)品是SoC2016芯片是一款異構(gòu)多核芯片，除了集成SPARC V8架構(gòu)高性能LEON4處理器核以外，還在片內(nèi)集成了DSP數(shù)字信號(hào)處理器、浮點(diǎn)處理器、1553B總線、CAN總線、SpaceWire總線、DMA控制器等模塊，SoC2016計(jì)算性能超過800MIPS 200MFLOPS@200MHz，功耗不大于3瓦，性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

當(dāng)然軒宇空間自身也提供了一些SiP也就是微系統(tǒng)產(chǎn)品，比如SiP2113型通用星載計(jì)算機(jī)模塊，就在SoC 2008的基礎(chǔ)上集成了內(nèi)存、Flash和1553B總線等模塊，提供一體化解決方案。

想上天還得指望強(qiáng)化學(xué)習(xí)

雖然天問和祝融是否使用人工智能技術(shù)并沒有明確的資料顯示，但是我國的月球探測(cè)器嫦娥五號(hào)肯定是有AI技術(shù)的加持，在2019軟件定義衛(wèi)星高峰論壇上中國科學(xué)院院士、中國探月工程首任首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)表示“嫦娥五號(hào)仍采用軟著陸。這實(shí)際上是人工智能的自主決策?！逼鋵?shí)火星和月球探測(cè)車并無本質(zhì)區(qū)別，都需要解決探測(cè)車的著路與航線控制等問題。

如果超遠(yuǎn)距離的通訊，通訊延時(shí)過長(zhǎng)幾乎是一種必然會(huì)遇到的問題，如果探測(cè)車所有動(dòng)作完全依靠遙控的話可能會(huì)有一定的潛在問題，而用歐陽自遠(yuǎn)院士的話講，“它一直在邊走邊找，最后作出判斷和決策。”這其實(shí)是向我們說明了星球探測(cè)科技的背后應(yīng)該是強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

我們知道在目前人工智能領(lǐng)域分為深度學(xué)習(xí)模型和強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型兩種流派。其中深度學(xué)習(xí)模型以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為主，在圖像及自然語言識(shí)別、分類以及生成等方面都有不錯(cuò)的成績(jī)。而強(qiáng)化學(xué)習(xí)從目前公開的資料來看，當(dāng)屬GPT-3之父Open AI的實(shí)力比較強(qiáng)。深度學(xué)習(xí)比較合適根據(jù)海量的數(shù)據(jù)推測(cè)數(shù)據(jù)之間規(guī)律和關(guān)聯(lián)，而強(qiáng)化學(xué)習(xí)主要用于探索未知領(lǐng)域，所以由本次天問和祝融要執(zhí)行的火星探測(cè)任務(wù)來看，由于火星表面的數(shù)據(jù)匱乏，使用深度學(xué)習(xí)的可能微乎其微，如果有AI技術(shù)的應(yīng)用也幾乎可以肯定應(yīng)該是強(qiáng)化學(xué)習(xí)的模型。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)（reinforcement learning，RL)技術(shù)，要做是一系列基于時(shí)間序列的決策。它先假定每個(gè)問題都對(duì)應(yīng)一個(gè)Environment,這時(shí)每一個(gè)Agent在Environment中采取的每一步動(dòng)作都是一個(gè)Action，做出Action之后，Agent從Environment中得到observation與reward，再不斷循環(huán)這個(gè)過程，以達(dá)到總體reward最大化。其原理圖如下：

所以從RL的原理中也能看出，RL是一種在不確定且復(fù)雜的環(huán)境中通過不斷試錯(cuò)，并根據(jù)反饋不斷調(diào)整策略，最終完成目標(biāo)的AI， 目前雖然RL的應(yīng)用還不如深度學(xué)習(xí)那樣普遍，但是在一些具體的場(chǎng)景中例如，控制步進(jìn)馬達(dá)、電子競(jìng)技方面還是取得了不錯(cuò)的成績(jī)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)的確是比較適合在由機(jī)器自主實(shí)現(xiàn)某些目標(biāo)。這和天問和祝融的火星任務(wù)非常的契合。因此筆者預(yù)測(cè)祝融探測(cè)車上應(yīng)用初步強(qiáng)化學(xué)習(xí)成果的可能不低。

十年飲冰，難涼熱血，百年回首,自請(qǐng)長(zhǎng)纓，千載暗室，一燈即明。相信在天問與祝融的鼓舞下，中國科技將重搭主心骨，只要給我國半導(dǎo)體業(yè)以時(shí)間，那么必能補(bǔ)齊短板，終成大業(yè)。

參考鏈接：

http://zhuanti.spacechina.com/n561816/n562345/n563069/c605321/content.html

https://mall.cnki.net/magazine/Article/ZRHT201904018.htm

http://www.sunwisespace.com/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=113&id=6&mid=81

https://developer.harmonyos.com/cn/docs/documentation/doc-guides/harmonyos-overview-0000000000011903

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1638445425486054052&wfr=spider&for=pc

原標(biāo)題：《硬核讀“天問”——火星探測(cè)背景下的IT技術(shù)》

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