概括星际穿越的计算史的发展和历程

作者Paul Golata 贸泽电子

自上帝创造天地万物以来，人类便已开始仰望苍穹，寻思着如何才能到达浩渺的宇宙。许多世纪以后，阿波罗11号宇航员尼尔·阿姆斯特朗走出登月舱，在月球表面留下了人类的第一个足印，并向全世界公告：“这是我个人的一小步，却是整个人类的一大步。”这非凡的成就也使约翰·F·肯尼迪总统开始了将人类送上月球的计划。星际旅行以及探索新世界的梦想仍然驱使着我们不断迈向渴望的新高度。

图1 超越无限: 星际穿越的计算历程（来源：维基百科）

1技术成就一切

人类的大脑是一个复杂而奇妙的工具。它能够通过计算来做许多复杂的事情，这是任何现有已知宇宙中的其他生物所不能媲美的。然而,人类的大脑却不能够处理正在进行及持续高速的且精确度超过几位小数的信息(MHz)。在肯尼迪总统之前，杰克•基尔比发明和发展了集成电路(IC)，或者说“芯片“。由于IC的问世,人类便有能力快速、有效及精准地处理和计算正在进行及持续高速的信息。1965年，戈登·摩尔——即后来的英特尔创始人之一(英特尔于1968年创立)指出，电子设备的尺寸将不断缩小，且电路的密度大约每18个月缩小两倍。在过去的五十年里，IC的处理速度和可用内存呈指数级增长，这才使工程师得以踏上遥远宇宙的探索之旅。

2探月之旅

阿波罗11号执行任务期间所使用的导航系统是世界上第一款计算机，可提供实时飞行信息。通过这些信息，航天器可自动导航至近35万公里之外的月球。制导系统则由麻省理工学院(MIT)设计。飞行计算机的后备器则是非常简单的袖珍计算器和计算尺。

接下来，请屏住呼吸：它有一个64KB的内存，操作频率为2 MHz。做个比较看看，全世界人民使用的最常见的设备即无处不在的iPhone 6。其内存为1 GB内存，CPU时钟频率为1.4 GHz。所以，相比将人类送上月球的“艺术大作“，您手机的计算功能则在几个数量级以上。

图3 旅行者1航天器（来源：维基百科）

3旅行者号航天器

旅行者1号和旅行者2号探测器于1977年从地球发射。其最初的使命主要是探索两大行星:木星和土星。如今，它们的探索之旅还在继续，甚至飞向了太阳系中最遥远的冥王星。旅行者1号和旅行者2号的内存分别为69.63KB。相比之下，如果您使用一个便携式媒体播放器如Apple iPod Nano 16GB MP3播发器，您的内存是旅行者号飞船的24万倍。甚至是当今，星际空间中的航天器需与地球保持实时通讯。其速度大约是160比特/秒，通过34 米和70米深度空间网络(DSN)站捕获信号。“旅行者号信号传输大约为20 瓦——相当于冰箱电灯泡的功率。且当信号到达地球时，其功率已极为减弱。

4轨道飞行器：航天飞机项目

为实现登月计划，开发团队做了大量的工作。他们开发和建立了一个航天飞行舰队，为进出外太空搭建了一条更便捷的通道。这些努力最终形成了航天飞机项目，并于1981年开始执行首次任务。此项目中使用的计算机由IBM提供。这些计算机最初是用于美国军方的战斗机和轰炸机。其在16位可用的内存中可每秒处理大约48万条指令。亚特兰蒂斯号航天飞机中使用的主要飞行计算机，其处理功率相当于Microsoft Xbox 360游戏机处理功率的1%。NASA表示，之所以没有为获取更强大及更符合时代的最新技术而升级计算机，是因为不想影响计算机的可靠性。据说，20年前军用超级计算机的处理能力仅相当于目前的Sony PlayStation 4。

5在地球上追踪太空航行：全球定位系统(GPS)

太空探索的实践也引导了我们今天所使用的应用程序的发展。早在20世纪80年代中期，我曾在加州长滩的圣克鲁斯50号游艇上工作。游艇竞赛的关键因素除了船和船员本身，还需要有良好的导航系统。一次,我们的桅杆上安装了一个大型的计算显示屏。游艇的主人还买了一个GPS系统。那时，游艇的船员们对这个庞然大物一无所知。不久，游艇开始启航，该系统开始准确地显示我们的位置、行驶速度、行驶方向，并引导我们驶向下一个地方。有了这个优势，我们轻而易举地摘下竞赛桂冠。

如今，太空卫星导航系统可以在任何天气、任何地球或靠近地球的位置提供位置和时间信息，只要四个或更多GPS卫星视线保持通畅。这些卫星在高度近2万公里的轨道上运行。GPS卫星还包括可与地面站和其他卫星同步的原子钟。卫星广播频率大于1GHz。卫星不断传输它们的时间和位置信息。同时，接收器从多个卫星收集传输信息，然后通过大量的数学计算来进行定位，并确定时间是否偏离了“标准”时间。“GPS接收器在95%的时间都可实现3米或更长的横向精度及5米或更长的垂直精度。”

图5 :想了解GPS的工作方式，请下载 http://www.gps.gov/multimedia/poster/poster-web.pdf

全球定位系统(GPS)适用于很多日常的应用程序。现在，很多汽车都配备了GPS，司机可以知道他们所处的位置、前进的方向及最佳线路地图。同样，个人用户使用的移动手机和设备也包括这些功能。如今，许多个人用户可体验到的处理功率足以令1969年的宇航员嫉妒不已。

6小行星和火星

2011年,太空旅行进入搭载Orion平台的新阶段。Orion平台（猎户座太空船）是一个多用途的载人飞船(MPCV)，它通过航天发射系统(SLS)进入太空。Orion平台是航天飞机项目的延展，其预计是前往国际空间站(ISS)，但其最终目标是携带宇航员登陆地球轨道之外的一些地方，可能包括小行星和火星。目前，其尚在开发和测试阶段，预计2021年后有望携带宇航员登陆小行星。不过，其使用的电脑将会比以前的更加先进,但是这些细节尚未公开披露。

携带宇航员登陆小行星并让其安全返回地球所面对的技术挑战是什么？先看如下信息:2015年3月25日,NASA公布了一项耗资12.5亿美元的小行星登陆计划。“航天器将花费约一年的时间围绕大空间岩石旋转，并使用机械手臂从其表面采集一个4米的巨石。航天器会有三到五次接触岩石的机会。”NASA副署长罗伯特·莱特福特说。他还确定了主要目标。“这个400米宽的太空岩石称为2008 EV5，它比大多数地球附近绕日旋转的小行星大的多。“可以想象，要获取、跟踪、绕行、登陆并检索样品需要多少计算量。该项目仅围绕小行星环绕的周期就得1年，这充分体现了持续计算的复杂性及庞大的操作量。

在过去五十年里，我们能够在整个太阳系中穿梭旅行。正是人类发明的这小巧轻便但运行高速的IC实现了有史以来的夙愿。随着电子元件技术的深入发展，人类将涉足更远的太空。我们迄今为止已经取得的成就表明，未来的发展将有推动我们前往更远的外太空，直至人类能企及的最遥远的极限。