概括星際穿越的計(jì)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(wàn)物以來(lái)，人類(lèi)便已開(kāi)始仰望蒼穹，尋思著如何才能到達(dá)浩渺的宇宙。許多世紀(jì)以后，阿波羅11號(hào)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(lèi)的第一個(gè)足印，并向全世界公告：“這是我個(gè)人的一小步，卻是整個(gè)人類(lèi)的一大步?！边@非凡的成就也使約翰·F·肯尼迪總統(tǒng)開(kāi)始了將人類(lèi)送上月球的計(jì)劃。星際旅行以及探索新世界的夢(mèng)想仍然驅(qū)使著我們不斷邁向渴望的新高度。

圖1 超越無(wú)限: 星際穿越的計(jì)算歷程（來(lái)源：維基百科）

1技術(shù)成就一切

人類(lèi)的大腦是一個(gè)復(fù)雜而奇妙的工具。它能夠通過(guò)計(jì)算來(lái)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(lèi)的大腦卻不能夠處理正在進(jìn)行及持續(xù)高速的且精確度超過(guò)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(shuō)“芯片“。由于IC的問(wèn)世,人類(lèi)便有能力快速、有效及精準(zhǔn)地處理和計(jì)算正在進(jìn)行及持續(xù)高速的信息。1965年，戈登·摩爾——即后來(lái)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(gè)月縮小兩倍。在過(guò)去的五十年里，IC的處理速度和可用內(nèi)存呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這才使工程師得以踏上遙遠(yuǎn)宇宙的探索之旅。

2探月之旅

阿波羅11號(hào)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(jì)算機(jī)，可提供實(shí)時(shí)飛行信息。通過(guò)這些信息，航天器可自動(dòng)導(dǎo)航至近35萬(wàn)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(jì)。飛行計(jì)算機(jī)的后備器則是非常簡(jiǎn)單的袖珍計(jì)算器和計(jì)算尺。

接下來(lái)，請(qǐng)屏住呼吸：它有一個(gè)64KB的內(nèi)存，操作頻率為2 MHz。做個(gè)比較看看，全世界人民使用的最常見(jiàn)的設(shè)備即無(wú)處不在的iPhone 6。其內(nèi)存為1 GB內(nèi)存，CPU時(shí)鐘頻率為1.4 GHz。所以，相比將人類(lèi)送上月球的“藝術(shù)大作“，您手機(jī)的計(jì)算功能則在幾個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

圖3 旅行者1航天器（來(lái)源：維基百科）

3旅行者號(hào)航天器

旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)探測(cè)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(yáng)系中最遙遠(yuǎn)的冥王星。旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)的內(nèi)存分別為69.63KB。相比之下，如果您使用一個(gè)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(hào)飛船的24萬(wàn)倍。甚至是當(dāng)今，星際空間中的航天器需與地球保持實(shí)時(shí)通訊。其速度大約是160比特/秒，通過(guò)34 米和70米深度空間網(wǎng)絡(luò)(DSN)站捕獲信號(hào)。“旅行者號(hào)信號(hào)傳輸大約為20 瓦——相當(dāng)于冰箱電燈泡的功率。且當(dāng)信號(hào)到達(dá)地球時(shí)，其功率已極為減弱。

4軌道飛行器：航天飛機(jī)項(xiàng)目

為實(shí)現(xiàn)登月計(jì)劃，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)做了大量的工作。他們開(kāi)發(fā)和建立了一個(gè)航天飛行艦隊(duì)，為進(jìn)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(jī)項(xiàng)目，并于1981年開(kāi)始執(zhí)行首次任務(wù)。此項(xiàng)目中使用的計(jì)算機(jī)由IBM提供。這些計(jì)算機(jī)最初是用于美國(guó)軍方的戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)。其在16位可用的內(nèi)存中可每秒處理大約48萬(wàn)條指令。亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)中使用的主要飛行計(jì)算機(jī)，其處理功率相當(dāng)于Microsoft Xbox 360游戲機(jī)處理功率的1%。NASA表示，之所以沒(méi)有為獲取更強(qiáng)大及更符合時(shí)代的最新技術(shù)而升級(jí)計(jì)算機(jī)，是因?yàn)椴幌胗绊懹?jì)算機(jī)的可靠性。據(jù)說(shuō)，20年前軍用超級(jí)計(jì)算機(jī)的處理能力僅相當(dāng)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(shí)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(jì)80年代中期，我曾在加州長(zhǎng)灘的圣克魯斯50號(hào)游艇上工作。游艇競(jìng)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(gè)大型的計(jì)算顯示屏。游艇的主人還買(mǎi)了一個(gè)GPS系統(tǒng)。那時(shí)，游艇的船員們對(duì)這個(gè)龐然大物一無(wú)所知。不久，游艇開(kāi)始啟航，該系統(tǒng)開(kāi)始準(zhǔn)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(gè)地方。有了這個(gè)優(yōu)勢(shì)，我們輕而易舉地摘下競(jìng)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(shí)間信息，只要四個(gè)或更多GPS衛(wèi)星視線保持通暢。這些衛(wèi)星在高度近2萬(wàn)公里的軌道上運(yùn)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(shí)間和位置信息。同時(shí)，接收器從多個(gè)衛(wèi)星收集傳輸信息，然后通過(guò)大量的數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)進(jìn)行定位，并確定時(shí)間是否偏離了“標(biāo)準(zhǔn)”時(shí)間。“GPS接收器在95%的時(shí)間都可實(shí)現(xiàn)3米或更長(zhǎng)的橫向精度及5米或更長(zhǎng)的垂直精度。”

圖5 :想了解GPS的工作方式，請(qǐng)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(chē)都配備了GPS，司機(jī)可以知道他們所處的位置、前進(jìn)的方向及最佳線路地圖。同樣，個(gè)人用戶(hù)使用的移動(dòng)手機(jī)和設(shè)備也包括這些功能。如今，許多個(gè)人用戶(hù)可體驗(yàn)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(jìn)入搭載Orion平臺(tái)的新階段。Orion平臺(tái)（獵戶(hù)座太空船）是一個(gè)多用途的載人飛船(MPCV)，它通過(guò)航天發(fā)射系統(tǒng)(SLS)進(jìn)入太空。Orion平臺(tái)是航天飛機(jī)項(xiàng)目的延展，其預(yù)計(jì)是前往國(guó)際空間站(ISS)，但其最終目標(biāo)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(kāi)發(fā)和測(cè)試階段，預(yù)計(jì)2021年后有望攜帶宇航員登陸小行星。不過(guò)，其使用的電腦將會(huì)比以前的更加先進(jìn),但是這些細(xì)節(jié)尚未公開(kāi)披露。

攜帶宇航員登陸小行星并讓其安全返回地球所面對(duì)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(xiàng)耗資12.5億美元的小行星登陸計(jì)劃?！昂教炱鲗⒒ㄙM(fèi)約一年的時(shí)間圍繞大空間巖石旋轉(zhuǎn)，并使用機(jī)械手臂從其表面采集一個(gè)4米的巨石。航天器會(huì)有三到五次接觸巖石的機(jī)會(huì)?！盢ASA副署長(zhǎng)羅伯特·萊特福特說(shuō)。他還確定了主要目標(biāo)?！斑@個(gè)400米寬的太空巖石稱(chēng)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。“可以想象，要獲取、跟蹤、繞行、登陸并檢索樣品需要多少計(jì)算量。該項(xiàng)目?jī)H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(jì)算的復(fù)雜性及龐大的操作量。

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