概括星際穿越的計算史的發(fā)展和歷程

作者Paul Golata 貿(mào)澤電子

自上帝創(chuàng)造天地萬物以來，人類便已開始仰望蒼穹，尋思著如何才能到達浩渺的宇宙。許多世紀以后，阿波羅11號宇航員尼爾·阿姆斯特朗走出登月艙，在月球表面留下了人類的第一個足印，并向全世界公告：“這是我個人的一小步，卻是整個人類的一大步。”這非凡的成就也使約翰·F·肯尼迪總統(tǒng)開始了將人類送上月球的計劃。星際旅行以及探索新世界的夢想仍然驅(qū)使著我們不斷邁向渴望的新高度。

圖1 超越無限: 星際穿越的計算歷程（來源：維基百科）

1技術(shù)成就一切

人類的大腦是一個復(fù)雜而奇妙的工具。它能夠通過計算來做許多復(fù)雜的事情，這是任何現(xiàn)有已知宇宙中的其他生物所不能媲美的。然而,人類的大腦卻不能夠處理正在進行及持續(xù)高速的且精確度超過幾位小數(shù)的信息(MHz)。在肯尼迪總統(tǒng)之前，杰克?基爾比發(fā)明和發(fā)展了集成電路(IC)，或者說“芯片“。由于IC的問世,人類便有能力快速、有效及精準地處理和計算正在進行及持續(xù)高速的信息。1965年，戈登·摩爾——即后來的英特爾創(chuàng)始人之一(英特爾于1968年創(chuàng)立)指出，電子設(shè)備的尺寸將不斷縮小，且電路的密度大約每18個月縮小兩倍。在過去的五十年里，IC的處理速度和可用內(nèi)存呈指數(shù)級增長，這才使工程師得以踏上遙遠宇宙的探索之旅。

2探月之旅

阿波羅11號執(zhí)行任務(wù)期間所使用的導(dǎo)航系統(tǒng)是世界上第一款計算機，可提供實時飛行信息。通過這些信息，航天器可自動導(dǎo)航至近35萬公里之外的月球。制導(dǎo)系統(tǒng)則由麻省理工學(xué)院(MIT)設(shè)計。飛行計算機的后備器則是非常簡單的袖珍計算器和計算尺。

接下來，請屏住呼吸：它有一個64KB的內(nèi)存，操作頻率為2 MHz。做個比較看看，全世界人民使用的最常見的設(shè)備即無處不在的iPhone 6。其內(nèi)存為1 GB內(nèi)存，CPU時鐘頻率為1.4 GHz。所以，相比將人類送上月球的“藝術(shù)大作“，您手機的計算功能則在幾個數(shù)量級以上。

圖3 旅行者1航天器（來源：維基百科）

3旅行者號航天器

旅行者1號和旅行者2號探測器于1977年從地球發(fā)射。其最初的使命主要是探索兩大行星:木星和土星。如今，它們的探索之旅還在繼續(xù)，甚至飛向了太陽系中最遙遠的冥王星。旅行者1號和旅行者2號的內(nèi)存分別為69.63KB。相比之下，如果您使用一個便攜式媒體播放器如Apple iPod Nano 16GB MP3播發(fā)器，您的內(nèi)存是旅行者號飛船的24萬倍。甚至是當今，星際空間中的航天器需與地球保持實時通訊。其速度大約是160比特/秒，通過34 米和70米深度空間網(wǎng)絡(luò)(DSN)站捕獲信號?！奥眯姓咛栃盘杺鬏敶蠹s為20 瓦——相當于冰箱電燈泡的功率。且當信號到達地球時，其功率已極為減弱。

4軌道飛行器：航天飛機項目

為實現(xiàn)登月計劃，開發(fā)團隊做了大量的工作。他們開發(fā)和建立了一個航天飛行艦隊，為進出外太空搭建了一條更便捷的通道。這些努力最終形成了航天飛機項目，并于1981年開始執(zhí)行首次任務(wù)。此項目中使用的計算機由IBM提供。這些計算機最初是用于美國軍方的戰(zhàn)斗機和轟炸機。其在16位可用的內(nèi)存中可每秒處理大約48萬條指令。亞特蘭蒂斯號航天飛機中使用的主要飛行計算機，其處理功率相當于Microsoft Xbox 360游戲機處理功率的1%。NASA表示，之所以沒有為獲取更強大及更符合時代的最新技術(shù)而升級計算機，是因為不想影響計算機的可靠性。據(jù)說，20年前軍用超級計算機的處理能力僅相當于目前的Sony PlayStation 4。

5在地球上追蹤太空航行：全球定位系統(tǒng)(GPS)

太空探索的實踐也引導(dǎo)了我們今天所使用的應(yīng)用程序的發(fā)展。早在20世紀80年代中期，我曾在加州長灘的圣克魯斯50號游艇上工作。游艇競賽的關(guān)鍵因素除了船和船員本身，還需要有良好的導(dǎo)航系統(tǒng)。一次,我們的桅桿上安裝了一個大型的計算顯示屏。游艇的主人還買了一個GPS系統(tǒng)。那時，游艇的船員們對這個龐然大物一無所知。不久，游艇開始啟航，該系統(tǒng)開始準確地顯示我們的位置、行駛速度、行駛方向，并引導(dǎo)我們駛向下一個地方。有了這個優(yōu)勢，我們輕而易舉地摘下競賽桂冠。

如今，太空衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以在任何天氣、任何地球或靠近地球的位置提供位置和時間信息，只要四個或更多GPS衛(wèi)星視線保持通暢。這些衛(wèi)星在高度近2萬公里的軌道上運行。GPS衛(wèi)星還包括可與地面站和其他衛(wèi)星同步的原子鐘。衛(wèi)星廣播頻率大于1GHz。衛(wèi)星不斷傳輸它們的時間和位置信息。同時，接收器從多個衛(wèi)星收集傳輸信息，然后通過大量的數(shù)學(xué)計算來進行定位，并確定時間是否偏離了“標準”時間?！癎PS接收器在95%的時間都可實現(xiàn)3米或更長的橫向精度及5米或更長的垂直精度?！?/p>

圖5 :想了解GPS的工作方式，請下載 http://www.gps.gov/multimedia/poster/poster-web.pdf

全球定位系統(tǒng)(GPS)適用于很多日常的應(yīng)用程序?，F(xiàn)在，很多汽車都配備了GPS，司機可以知道他們所處的位置、前進的方向及最佳線路地圖。同樣，個人用戶使用的移動手機和設(shè)備也包括這些功能。如今，許多個人用戶可體驗到的處理功率足以令1969年的宇航員嫉妒不已。

6小行星和火星

2011年,太空旅行進入搭載Orion平臺的新階段。Orion平臺（獵戶座太空船）是一個多用途的載人飛船(MPCV)，它通過航天發(fā)射系統(tǒng)(SLS)進入太空。Orion平臺是航天飛機項目的延展，其預(yù)計是前往國際空間站(ISS)，但其最終目標是攜帶宇航員登陸地球軌道之外的一些地方，可能包括小行星和火星。目前，其尚在開發(fā)和測試階段，預(yù)計2021年后有望攜帶宇航員登陸小行星。不過，其使用的電腦將會比以前的更加先進,但是這些細節(jié)尚未公開披露。

攜帶宇航員登陸小行星并讓其安全返回地球所面對的技術(shù)挑戰(zhàn)是什么？先看如下信息:2015年3月25日,NASA公布了一項耗資12.5億美元的小行星登陸計劃?！昂教炱鲗⒒ㄙM約一年的時間圍繞大空間巖石旋轉(zhuǎn)，并使用機械手臂從其表面采集一個4米的巨石。航天器會有三到五次接觸巖石的機會?！盢ASA副署長羅伯特·萊特福特說。他還確定了主要目標?！斑@個400米寬的太空巖石稱為2008 EV5，它比大多數(shù)地球附近繞日旋轉(zhuǎn)的小行星大的多?！翱梢韵胂?，要獲取、跟蹤、繞行、登陸并檢索樣品需要多少計算量。該項目僅圍繞小行星環(huán)繞的周期就得1年，這充分體現(xiàn)了持續(xù)計算的復(fù)雜性及龐大的操作量。

在過去五十年里，我們能夠在整個太陽系中穿梭旅行。正是人類發(fā)明的這小巧輕便但運行高速的IC實現(xiàn)了有史以來的夙愿。隨著電子元件技術(shù)的深入發(fā)展，人類將涉足更遠的太空。我們迄今為止已經(jīng)取得的成就表明，未來的發(fā)展將有推動我們前往更遠的外太空，直至人類能企及的最遙遠的極限。