作者Paul Golata 貿澤電子

自上帝創造天地萬物以來，人類便已開始仰望蒼穹，尋思著如何才能到達浩渺的宇宙。許多世紀以后，阿波羅11號宇航員尼爾·阿姆斯特朗走出登月艙，在月球表面留下了人類的第一個足印，并向全世界公告：“這是我個人的一小步，卻是整個人類的一大步。”這非凡的成就也使約翰·F·肯尼迪總統開始了將人類送上月球的計劃。星際旅行以及探索新世界的夢想仍然驅使著我們不斷邁向渴望的新高度。

圖1 超越無限: 星際穿越的計算歷程（來源：維基百科）

1技術成就一切

人類的大腦是一個復雜而奇妙的工具。它能夠通過計算來做許多復雜的事情，這是任何現有已知宇宙中的其他生物所不能媲美的。然而,人類的大腦卻不能夠處理正在進行及持續高速的且精確度超過幾位小數的信息(MHz)。在肯尼迪總統之前，杰克?基爾比發明和發展了集成電路(IC)，或者說“芯片“。由于IC的問世,人類便有能力快速、有效及精準地處理和計算正在進行及持續高速的信息。1965年，戈登·摩爾——即后來的英特爾創始人之一(英特爾于1968年創立)指出，電子設備的尺寸將不斷縮小，且電路的密度大約每18個月縮小兩倍。在過去的五十年里，IC的處理速度和可用內存呈指數級增長，這才使工程師得以踏上遙遠宇宙的探索之旅。

2探月之旅

阿波羅11號執行任務期間所使用的導航系統是世界上第一款計算機，可提供實時飛行信息。通過這些信息，航天器可自動導航至近35萬公里之外的月球。制導系統則由麻省理工學院(MIT)設計。飛行計算機的后備器則是非常簡單的袖珍計算器和計算尺。

接下來，請屏住呼吸：它有一個64KB的內存，操作頻率為2 MHz。做個比較看看，全世界人民使用的最常見的設備即無處不在的iPhone 6。其內存為1 GB內存，CPU時鐘頻率為1.4 GHz。所以，相比將人類送上月球的“藝術大作“，您手機的計算功能則在幾個數量級以上。

圖3 旅行者1航天器（來源：維基百科）

3旅行者號航天器

旅行者1號和旅行者2號探測器于1977年從地球發射。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，甚至飛向了太陽系中最遙遠的冥王星。旅行者1號和旅行者2號的內存分別為69.63KB。相比之下，如果您使用一個便攜式媒體播放器如Apple iPod Nano 16GB MP3播發器，您的內存是旅行者號飛船的24萬倍。甚至是當今，星際空間中的航天器需與地球保持實時通訊。其速度大約是160比特/秒，通過34 米和70米深度空間網絡(DSN)站捕獲信號。“旅行者號信號傳輸大約為20 瓦——相當于冰箱電燈泡的功率。且當信號到達地球時，其功率已極為減弱。

4軌道飛行器：航天飛機項目

為實現登月計劃，開發團隊做了大量的工作。他們開發和建立了一個航天飛行艦隊，為進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項目，并于1981年開始執行首次任務。此項目中使用的計算機由IBM提供。這些計算機最初是用于美國軍方的戰斗機和轟炸機。其在16位可用的內存中可每秒處理大約48萬條指令。亞特蘭蒂斯號航天飛機中使用的主要飛行計算機，其處理功率相當于Microsoft Xbox 360游戲機處理功率的1%。NASA表示，之所以沒有為獲取更強大及更符合時代的最新技術而升級計算機，是因為不想影響計算機的可靠性。據說，20年前軍用超級計算機的處理能力僅相當于目前的Sony PlayStation 4。

5在地球上追蹤太空航行：全球定位系統(GPS)

太空探索的實踐也引導了我們今天所使用的應用程序的發展。早在20世紀80年代中期，我曾在加州長灘的圣克魯斯50號游艇上工作。游艇競賽的關鍵因素除了船和船員本身，還需要有良好的導航系統。一次,我們的桅桿上安裝了一個大型的計算顯示屏。游艇的主人還買了一個GPS系統。那時，游艇的船員們對這個龐然大物一無所知。不久，游艇開始啟航，該系統開始準確地顯示我們的位置、行駛速度、行駛方向，并引導我們駛向下一個地方。有了這個優勢，我們輕而易舉地摘下競賽桂冠。

如今，太空衛星導航系統可以在任何天氣、任何地球或靠近地球的位置提供位置和時間信息，只要四個或更多GPS衛星視線保持通暢。這些衛星在高度近2萬公里的軌道上運行。GPS衛星還包括可與地面站和其他衛星同步的原子鐘。衛星廣播頻率大于1GHz。衛星不斷傳輸它們的時間和位置信息。同時，接收器從多個衛星收集傳輸信息，然后通過大量的數學計算來進行定位，并確定時間是否偏離了“標準”時間。“GPS接收器在95%的時間都可實現3米或更長的橫向精度及5米或更長的垂直精度。”

圖5 :想了解GPS的工作方式，請下載 http://www.gps.gov/multimedia/poster/poster-web.pdf

全球定位系統(GPS)適用于很多日常的應用程序。現在，很多汽車都配備了GPS，司機可以知道他們所處的位置、前進的方向及最佳線路地圖。同樣，個人用戶使用的移動手機和設備也包括這些功能。如今，許多個人用戶可體驗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,太空旅行進入搭載Orion平臺的新階段。Orion平臺（獵戶座太空船）是一個多用途的載人飛船(MPCV)，它通過航天發射系統(SLS)進入太空。Orion平臺是航天飛機項目的延展，其預計是前往國際空間站(ISS)，但其最終目標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，其尚在開發和測試階段，預計2021年后有望攜帶宇航員登陸小行星。不過，其使用的電腦將會比以前的更加先進,但是這些細節尚未公開披露。

攜帶宇航員登陸小行星并讓其安全返回地球所面對的技術挑戰是什么？先看如下信息:2015年3月25日,NASA公布了一項耗資12.5億美元的小行星登陸計劃。“航天器將花費約一年的時間圍繞大空間巖石旋轉，并使用機械手臂從其表面采集一個4米的巨石。航天器會有三到五次接觸巖石的機會。”NASA副署長羅伯特·萊特福特說。他還確定了主要目標。“這個400米寬的太空巖石稱為2008 EV5，它比大多數地球附近繞日旋轉的小行星大的多。“可以想象，要獲取、跟蹤、繞行、登陸并檢索樣品需要多少計算量。該項目僅圍繞小行星環繞的周期就得1年，這充分體現了持續計算的復雜性及龐大的操作量。

在過去五十年里，我們能夠在整個太陽系中穿梭旅行。正是人類發明的這小巧輕便但運行高速的IC實現了有史以來的夙愿。隨著電子元件技術的深入發展，人類將涉足更遠的太空。我們迄今為止已經取得的成就表明，未來的發展將有推動我們前往更遠的外太空，直至人類能企及的最遙遠的極限。