우주에 저사양 CPU 밖에 못 가져가는 이유는?

화성 탐사 로버 ‘큐리오시티(Curiosity)’에 탑재된 CPU 스펙은 200MHz에 불과하다. 우주에서 스마트폰보다 훨씬 떨어지는 저스펙 CPU를 사용해야 하는 이유에 대해 미국 기술정보 매체 ‘아스테크니카’(Arstechnica)’가 설명했다.

우주에는 진공·진동·극한 기온 등 CPU를 파괴할 수 있는 여러 현상이 존재한다. 최근에는 은하우주선(galactic cosmic ray, GCR)으로 불리는 우리 은하 전체 공간을 날아다니는 방사선이 문제가 되고 있다. 방사선이 CPU와 충돌하면 전압이 생겨 저장된 비트 값이 변하는 오류현상인 ‘SEU(Single Event Upset)’가 발생한다.

고성능 CPU는 특히 SEU 현상에 대한 우려가 크다. 프로세스 룰 개선 및 클록 속도(clock rate) 향상으로 CPU 동작전압은 매년 저하되고 있다. 방사선 충돌 시 발생하는 미량의 전압 변화에도 CPU가 큰 영향을 받게 된 것이다.

과거에는 방사선 영향이 적은 사파이어나 갈륨 비소(gallium arsenide)로 만든 반도체 칩을 특별 제작해 은하우주선 문제를 피할 수 있었다. 그러나 최근에는 반도체 제조비용 자체가 증가해 별도의 반도체 칩 제조가 어려워졌다.

최근 우주용 CPU는 소재가 아닌 ‘시스템상의 연구’로 은하우주선 문제에 대처하고 있다. 대표적인 사례가 결함이 발생했을 경우에도 정상적인 동작을 보장하기 위한 ‘3중 모듈 중복(TMR:Triple Modular Redundancy)’ 구조다. TMR 기술 기반의 CPU는 정보를 칩3개에 저장하고, 정보를 읽을 때 3개 칩에 저장된 정보를 검증해 2개 이상의 칩에 저장된 정보를 출력한다. 만일 한 개의 칩이 고장이거나 다른 칩과 동일한 출력이 아니면 출력은 무시된다.

TMR을 갖춘 CPU는 일반적인 CPU보다 스펙이 떨어진다. 2019년 말 출하가 예정된 최신 우주용 쿼드코어 CPU ‘GR740’ 역시 스마트폰 CPU에 훨씬 못 미치는 스펙이다. 하지만 우주부품 내방사선 시험을 통과해 은하우주선으로 인한 에러는 계산상 350년에 한번밖에 발생하지 않는다.

우주 공간에서 CPU는 우주선 제어와 로버에 탑재된 카메라·센서 제어에 사용된다. 미래에는 우주복 바이저 부분에 탑재될 증강현실(AR) 표시 기능 및 행성 재해예측 알고리즘 계산 등 한층 폭넓게 사용될 예정이다.

이에 NASA는 현재 ARM Cortex A53 쿼드코어 프로세서를 2개 탑재한 옥타코어 ‘HPSC(Highspace Spaceflight Computing)’라는 CPU를 보잉과 공동 개발하고 있다.