Computadores resistentes à radiação para a exploração espacial

Patrick L. Barry - Science@NASA - 29/11/2005

Certamente é frustrante quando o seu computador se comporta de forma instável, detona seus dados ou simplesmente trava completamente. Mas, para um astronauta, confiando em um computador para efetuar a navegação ou fazer funcionar os sistemas de suporte à vida, falhas nos computadores podem ser fatais.

Infelizmente, a radiação que inunda o espaço pode causar estas falhas. Quando partículas de alta velocidade, tais como os raios cósmicos, colidem com os circuitos microscópicos dos chips dos computadores, eles podem fazer com que esses chips cometam erros. Não seria nada bom se esses erros fizessem com que a espaçonave saísse voando na direção errada ou interrompesse o funcionamento do sistema de suporte à vida.

Os humanos no interior dessa espaçonave não serão os únicos que necessitarão de proteção da radiação espacial; seus computadores também necessitarão.

Para garantir a segurança, a maioria das missões espaciais utiliza chips de computadores blindados contra radiação. Chips "anti-radiação" são diferentes dos chips convencionais em vários aspectos. Por exemplo, eles contêm transistores extras, que consomem mais energia, para serem ligados e desligados. Assim, os raios cósmicos não conseguem acioná-los tão facilmente. Chips anti-radiação continuam fazendo cálculos precisos onde chips comuns já teriam travado.

A NASA utiliza quase exclusivamente esses chips super-duráveis para a construção de computadores espaciais. Mas esses chips, construídos sob demanda, têm algumas desvantagens. Eles são caros, consomem muita energia e são lentos - até 10 vezes mais lentos do que uma CPU equivalente em um computador PC comum.

Com os planos da NASA para enviar pessoas de volta à Lua e até a Marte, os planejadores estão ávidos por dar às espaçonaves mais poder de computação.

Ter mais poder computacional a bordo irá ajudar a espaçonave a conservar um de seus mais limitados recursos: a largura de banda. A largura de banda disponível para enviar dados de volta à Terra é freqüentemente um gargalo, com velocidades de transmissão até mais lentas do aquelas alcançadas pelos mais antigos modems de linhas discadas. Se a enxurrada de dados brutos capturados pelos sensores das espaçonaves pudessem ser analisados a bordo, os cientistas poderiam enviar de volta apenas os resultados, o que ocuparia muito menos banda de transmissão.

Sobre a superfície da Lua ou de Marte, os exploradores poderiam utilizar computadores mais rápidos para analisar seus dados imediatamente após coletá-los, identificando rapidamente áreas de interesse científico e, quem sabe, reunindo mais dados antes que uma oportunidade rara passe. Os robôs exploradores também poderão se beneficar da inteligência extra das modernas CPUs.

Utilizar os mesmos poderosos chips Pentium e PowerPC encontrados nos PCs domésticos iria ajudar tremendamente, mas, para fazer isto, o problema dos erros induzidos pela radiação deverão ser resolvidos.

É aqui que entra um projeto da NASA, chamado Computação Tolerante a Falhas Ambientalmente Adaptativa, ou EAFTC, na sigla em inglês. Os pesquisadores do projeto estão testando formas de utilizar as CPUS dos computadores domésticos em missões espaciais. Eles estão particularmente interessados nos "distúrbios de evento único", o tipo mais comum de falhas, causadas por partículas únicas de radiação que atingem os chips.

Um conceito artístico da radiação atingindo um chip de computador (ESA).

O pesquisador Raphael Some, do Laboratório de Propulsão a Jato e membro do projeto EAFTC, explica: "Uma forma para se utilizar as rápidas CPUs domésticas é simplesmente ter três vezes mais CPUs do que você necessita: as três CPUs fazem o mesmo cálculo e votam no resultado. Se uma das CPUs tem um erro induzido pela radiação, as outras duas continuarão a concordar, decidindo pelo voto e dando o resultado correto."

Isto funciona mas, na maior parte do tempo, será um exagero, desperdiçando eletricidade preciosa e capacidade de computação, para checar triplamente cálculos que não são críticos.

"Para tornar isso mais inteligente e mais eficiente, nós estamos desenvolvendo um software que pondera a importância do cálculo," continua Some. "Se ele é importante, como no caso da navegação, todas as três CPUs deverão votar. Se ele é menos importante, como medir a composição química de uma rocha, somente uma ou duas CPUs estarão envolvidas."

Esta é apenas uma das dúzias de técnicas de correção de erros que o projeto EAFTC colocou juntas em um único pacote. O resultado é uma eficiência muito maior. Sem o programa, um computador baseado em uma CPU doméstica necessita de 100 a 200% de redundância para se proteger contra erros causados pela radiação - 100% de redundância significa 2 CPUs; 200% significa 3 CPUs. Com o programa, somente 15 a 20% de redundância é necessário para o mesmo grau de proteção. Todo o tempo de CPU economizado pode ser utilizado de forma produtiva.

Computadores do projeto EAFTC em um chassi preparado para vôos espaciais. (NASA/Honeywell)

"O EAFTC não deverá substituir as CPUs à anti-radiação," alerta Some. "Algumas tarefas, como o suporte à vida, são tão importantes que iremos querer que elas sejam sempre feitas por chips blindados contra radiação." Mas os algoritmos EAFTC poderão tirar um pouco da carga de processamento desses chips, deixando um poder computacional muito maior à disposição das futuras missões espaciais.

O primeiro teste do EAFTC será a bordo de um satélite chamado Space Technology 8 (ST-8). Parte do Programa Novo Milênio, da NASA, o ST-8 levará a bordo novas tecnologias espaciais experimentais, como o EAFTC, tornando possível utilizá-las em futuras missões com maior confiabilidade.

O satélite, que deverá ser lançado em 2009, irá deslizar sobre os cinturões de radiação Van Allen durante cada uma de suas órbitas elípticas, testando o EAFTC nesse ambiente de alta radiação, semelhante ao espaço profundo.

Se tudo correr bem, as sondas espaciais se aventurando através do Sistema Solar poderão brevemente utilizar exatamente os mesmos chips que estão no interior do seu computador pessoal - mas sem os travamentos.

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