Plus de puissance de calcul pour les futurs explorateurs spatiaux
Les engins d'exploration spatiale modernes nécessitent une grande puissance de calcul à bord, afin de réaliser des opérations précises à des distances considérables, comme les manœuvres d'entrée dans l'atmosphère des planètes et d'atterrissage, la navigation et le contrôle à vue ainsi que le traitement à haut débit des données fournies par les instruments scientifiques. Une limitation importante tient au fait que les processeurs à usage spatial, essentiels au fonctionnement de l'engin spatial, sont maintenant très proches des limites de leurs capacités. Pour que l'humanité puisse repousser les frontières de l'exploration spatiale, il faut trouver d'autres technologies de calcul. Bénéficiant d'un financement de l'UE, le projet APEX, achevé en septembre 2016, a réalisé d'importants progrès dans ce domaine. Il s'est pour cela concentré sur les processeurs ARM, qui sont au cœur de la grande majorité des smartphones, tablettes et appareils embarqués sur Terre. Un réglage poussé d'une technologie commerciale «Les technologies informatiques destinées à l'espace accusent plusieurs de générations de retard par rapport aux systèmes commerciaux tels que les processeurs ARM», explique le Dr Xavier Iturbe d'ARM au Royaume-Uni, chercheur principal d'APEX. En fait, la grande majorité des processeurs à usage spatial sont fabriqués en utilisant une technologie de traitement leur permettant de résister aux rayonnements, ce qui conduit à une augmentation significative du coût et de la consommation d'énergie, ainsi qu'à une importante diminution des performances. «Nous avons cherché à concevoir un prototype de processeur ARM tolérant aux pannes, économe en énergie et hautement performant, qui pourrait être utilisé comme processeur embarqué dans les charges utiles d'instruments scientifiques de la NASA», poursuit le Dr Iturbe. Au départ, le projet APEX a cherché à mieux comprendre les exigences en matière de calcul et de tolérance aux pannes des futures missions d'exploration spatiale de la NASA. Il a ensuite adapté un processeur ARM du commerce actuellement utilisé dans des applications de transport terrestre, afin qu'il réponde à ces exigences. L'équipe a combiné certaines techniques bien établies de tolérance aux pannes au niveau de l'architecture du processeur, comme le lock-stepping et développé de nouvelles techniques à faible consommation au niveau de la microarchitecture du processeur. Elle a, par exemple, mis au point un mode de fonctionnement «haute résilience» du processeur afin d'exécuter des routines logicielles hautement critiques en utilisant le moins possible de composants de microarchitecture, réduisant ainsi les vulnérabilités du processeur sans en pénaliser les performances. La faisabilité technique de cette approche a été démontrée par le biais de plusieurs simulations, qui ont mis en évidence la grande résilience et l'augmentation importante de la perfomance de la solution d'APEX. Autrement dit, elle peut surmonter les pannes provoquées par les radiations en l'espace de quelques microsecondes, et il est environ 1,5 fois plus puissant que les processeurs actuellement qualifiés pour un usage spatial. Prochaine étape: le déploiement «Nous espérons que la technologie développée par ce projet permettra à l'écosystème d'ARM de fabriquer des solutions tolérantes aux rayonnements destinées à l'espace, et d'atteindre des niveaux de fiabilité plus élevés pour les applications terrestres», affirme le Dr Iturbe. Plusieurs agences spatiales comme la NASA, l'ESA (Agence Spatiale Européenne) et des fabricants d'équipements spatiaux comme Airbus ont déjà exprimé leur intérêt pour utiliser cette technologie, si elle est commercialisée. «L'effort réalisé par le projet APEX pour développer une technologie informatique tolérante aux pannes, économe en énergie et haute performance en utilisant des processeurs du commerce pourrait contribuer à renforcer l'électronique spatiale et à améliorer considérablement les résultats scientifiques des missions de la NASA», déclare le Dr Didier Keymeulen, membre principal du personnel technique au JPL (Jet Propulsion Laboratory) de la NASA et du California Institute of Technology, et scientifique du JPL responsable d'APEX. En fait, la NASA a récemment confirmé le développement d'un processeur haute performante à base ARM et destiné aux vols spatiaux, qui sera utilisé dans les prochaines années, à la fois dans des engins habités et non habités. En parallèle, le Programme Universitaire d'ARM, en collaboration avec l'ESA, est en train de développer un prototype de solution exploitant la technologie APEX pour permettre aux universités du monde entier de fabriquer leurs «CubeSats», des satellites miniaturisés à faible coût pour la recherche spatiale pouvant être placés en orbite autour de la Terre.
Mots‑clés
APEX, Satellite, ARM, processeur, Jupiter, Saturne, espace, Vénus, rayonnement, NASA, ESA