개인적으로 자주 가는 블로터닷넷 기사 중에 흥미로운 기사를 읽고 생각난 포스트 입니다. 그것은 현재 큐리오시티 (Curiosity) 에 장착된 RAD 750 프로세서 (+ 시스템) 이 400 MIPS 정도의 성능의 RISC 프로세서로 그 성능 지금의 스마트폰 보다 느리다는 것이죠. 요즘 스마트폰에 널리 사용되는 멀티코어 AP 는 수천 MIPS 정도 가능할테고 이미 1000 MIPS 는 싱글 코어로도 돌파가 가능하니 맞는 말입니다. 이에 대해 블로터 닷넷 기사는 안정성 때문이라고 설명하고 있는데 옳은 이야기지만 제가 생각하기엔 하나 빠트린 내용이 있어 보이네요.
그것은 이 컴퓨터의 컨셉이 바로 고에너지 방사선 환경에서 최적의 안전성을 낼 수 있다는 설명이 빠졌다는 것입니다. 사실 높은 고도에서도 기기에 쏟어지는 방사선은 증가합니다. 우주에서는 꽤 증가하죠. 이런 전리 방사선은 컴퓨터에 오작동을 일으킬 수 있습니다. 물론 인체에도 해롭기 때문에 장기간 우주 비행에서는 이 점이 큰 문제가 되고 있습니다.
아무튼 RAD 750 은 Radiation Hardened Single Board Computer 입니다. 즉 방사선에 특별히 잘 견디게 설계된 싱글 보드 컴퓨터죠. 또 한가지 주안점을 둔 것은 바로 온도로 이 CPU 는 - 55 ℃ 에서 125 ℃ 이라는 넓은 범위의 온도에서 작동을 보장하며 방사선은 2000 - 10000 Gy 라는 어마어마한 양을 받아도 작동할 수 있게 되어 있습니다. 이런 방사선 내성 (radiation hardened) 은 우주선이나 인공위성에 매우 중요한 기능이라고 할 수 있습니다. 잘 모르시는 분도 있을 지 모르지만 우주는 방사선으로 가득찬 위험한 곳입니다. 그나마 지구는 자기장과 대기의 보호를 받아서 비교적 안전한 것이죠.
RAD 750 시스템은 BAE Systems Electronics Solution 에서 제작을 하는데 당연히 CPU 만으로 작동이 불가하므로 다른 부품들도 방사선 내성을 지니도록 특수 부품으로 구성됩니다. RAD 750 의 보드에는 256 KB EEPROM, 256 MB DRAM, 그리고 2 GB 플래쉬 메모리가 장착되어 있습니다. 이 모두는 방사선 내성을 지닌 특수 부품들입니다. 시스템 전체는 1000 Gy 의 방사선과 - 55℃ - 70 ℃ 의 작동 범위값을 가집니다. 전력 소모량은 CPU 단독은 200 MHz 에서 5W, 시스템 전체는 10 W 라고 합니다. 큐리오시티에는 이 RAD 750 이 두개 탑재되어 하나가 고장나도 다른 하나가 백업이 가능합니다.
물론 이렇게 아주 특수한 부품을 달아서 내놓은 제품이기 때문에 가격이 매우 고가 입니다. 이 RAD 750 의 한개 당 가격은 대략 20 만 달러 수준이라고 하네요. 컴퓨터 성능을 보면 상상하기 힘든 가격이지만 성능의 촛점이 연산 능력이 아니라 강력한 방사선 내성에 있다는 점을 감안하고 시스템 안정성이라는 측면에서 보면 납득이 가능한 가격입니다.
CPU 자체는 사실 1997 년에 등장한 IBM 의 PowerPC 750 에 기반을 두고 있습니다. 이 CPU 는 애플의 파워 맥 G3 에 들어가기도 했죠. 총 1040 만개의 트랜지스터로 되어 있으며 공정은 150 - 250 nm 입니다. 공정이 미세해 질수록 방사선 내성은 떨어진다고 합니다. 그래서 아주 미세 공정을 사용하지 않는 것이죠.
(파워 맥 G3 에 탑재된 PowerPC 750. 모토로라도 생산에 참여했음. 저자 Henrik Wannheden / public domain )
비록 연산 능력은 15 년전 PC 수준이지만 이 제품은 비교적 최신 제품입니다. 2001 년에 처음 공개되었으니까요. 이 시스템을 탑재한 첫번째 우주선은 2005 년에 발사되었는데 그 중 딥 임팩트가 있습니다. 그외 MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) 은 물론 케플러 우주 망원경, 주노 우주선, 큐리오시티 사용되었으며 미래에 TSSM (Titan Saturn System Mission) 에도 들어갈 예정입니다. 이외에도 여러 인공 위성에 사용되 안정성을 인정받았죠.
이 영역은 안정성이라는 점도 중요해서 검증된 제품을 오래 사용합니다. 따라서 한동안 RAD 750 이 널리 사용될 것으로 보입니다. 거의 비슷한 가격대의 전세대 제품은 바로 RAD 6000 입니다. 역시 방사선 내성 싱글 보드 컴퓨터로 IBM 의 싱글 RISC CPU 가 사용되었는데 이 CPU 는 PowerPC 601 을 기반으로 특수 제작된 것이라고 합니다. (참고로 PowerPC 601 은 1992 년에 나오고 파워 매킨토시에 사용되었죠)
(PowerPC 601. 1992 년에 등장했습니다. http://en.wikipedia.org/wiki/File:IBM_PowerPC601_PPC601FD-080-2_top.jpg )
RAD 6000 은 110 만개의 트랜지스터를 집적한 CPU 였습니다. 따라서 다음 세대인 RAD 750 은 10 배 수준의 집적을 이룬 셈이죠. RAD 6000 은 현재도 현역으로 사용되고 있으며 사실 스피릿, 오퍼튜니티 등에 사용된 시스템도 이것입니다. 그외에도 스피처 우주 망원경을 비롯해서 수많은 우주선, 인공위성에 들어갔죠. 2008 년 나사에 의하면 200 개의 RAD 6000 프로세서가 우주에 있다고 하네요.
RAD 6000 의 시스템 사양은 35 MIPS 수준에 연산 능력에 3 MB EEPROM, 128 MB DRAM, 256 MB 플래쉬 메모리를 탑재했다고 합니다. 역시 연산능력은 별로지만 방사선 수준이 높고 온도의 변화가 극심한 우주에서 10 년 이상 안정적으로 작동해 그 높은 신뢰성을 인정받아 지금도 현역입니다. 다만 큐리오시티 같은 최신 로버에 탑재하기에는 성능이 다소 모자라다고 할 수 있죠. 최신 탐사선에서 처리할 정보가 늘어남에 따라 RAD 750 같은 시스템이 나왔다고 할 수 있습니다.
참고로 운영체제는 VxWorks 라는 일반인들에게 생소한 운영체제인데 64 비트 멀티테스킹 커널을 사용하는 운영 체제는 이 계통에 임베디드 OS 로 널리 사용된다고 합니다. (저 역시 생소하네요)
그러면 1997 년 위의 시스템도 아직 현역이 아닐 무렵 발사된 마스 패스파인더 (소저너 Sojourner) 에 CPU 는 무엇일까요. 여기에는 인텔 CPU 가 사용되었습니다. 2MHz 로 작동하는 인텔 80C85 (8085 계통) CPU 로 램은 512 KB 이고 플래쉬 메모리는 176 KB 였다고 합니다. 이 하드웨어로 화성에서 이런 저런 탐사를 했던 것이죠.
(인텔 8085 계열 CPU CPU Intel P8085AH. Source : CPU Collection Konstantin Lanzet )
8085 프로세서는 인텔에 의해 1977 년부터 양산된 8 비트 프로세서입니다. 대략 6500 개에 불과한 트랜지스터를 집적했다고 되어 있습니다. 성능이야 뭐 어쩔 수 없지만 그래도 지구로 생생한 영상을 전송해왔죠. 여기에 비한다면 오퍼튜니티나 스피릿에 사용된 RAD 6000 은 천지 개벽을 하는 수준이고 RAD 750 은 최신 성능의 방사선 내성 컴퓨터라고 할 수 있죠.
그런데 마지막으로 이 로버들의 대선배격인 보이저 1,2 호는 대체 무슨 CPU 를 달았기에 지금까지 작동이 가능할까요. 이 CPU 는 1968 년부터 산업 표준으로 도입된 4000 시리즈 패밀리 CPU 라고 합니다. 이 CPU 들은 극도로 단순한 구조를 가지고 있고 지금처럼 미세 회로로 만들어진 집적 회로 (IC) 가 아니기 때문에 오히려 역설적으로 방사선이나 환경 변화에 매우 강하며 수명도 아주 긴 편입니다. 대표적으로 1977 년에 발사된 보이저 1,2 호 가 그 살아있는 증거입니다. 정식 명칭은 RCA CD 4000 Radiation Hardened sapphire on silicon (SOS) 커스텀 칩입니다. 엄청나게 오래된 칩인데도 임무는 예상을 뛰어넘게 수행했습니다.
사실 오히려 미세 회로가 방사선에 약하고 오작동의 가능성이 높기 때문에 이런 영역에서는 잘 사용하지 않게 됩니다. 그런 점을 감안하면 RAD 750 은 최신예 미션 컴퓨터라고 할 수 있죠. 성능은 최신 스마트폰 보다 물론 떨어집니다. 하지만 수명은 비교도 되지 않게 길고 특히 방사선이 높은 환경에서 안정적인 작동을 보장합니다. 가격은 대당 수십만 달러죠.
연산 능력만이 성능의 전부는 아닐 것입니다. 높은 신뢰성과 특수 환경에서 작동할 수 있다면 그것만으로도 엄청난 고가 시스템이 될 수 있겠죠.
참고
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