Raspberry Pi น่าจะเป็น Single Board Computer (SBC) ที่คนทั่วโลกรู้จักชื่อกันมากที่สุดแล้ว ไม่ว่าจะเป็นด้านชื่อเสียงหรือความนิยม ซึ่งในวงการอวกาศ Raspberry Pi ก็เข้าไปมีบทบาทในหลายภาคส่วนมากยิ่งขึ้น ไม่ว่าจะเป็นดาวเทียมหรือ Payload ที่ขึ้นไปทำการทดลองบนสถานีอวกาศนานาชาติ จนราวกับว่าเทคโนโลยี Single Board Computer กำลังกลายเป็นกระดูกสันหลังของอุตสาหกรรมการศึกษาและการวิจัยอวกาศต้นทุนต่ำ ด้วยความที่เป็นคอมพิวเตอร์ที่มีพลังในการประมวลผลสูง ขนาดเล็ก ทนทาน รองรับรูปแบบงานที่หลากหลาย กินไฟต่ำ และเอาไปพ่วงกับอุปกรณ์ได้หลากหลาย ซึ่งในบทความนี้จะมาเล่าถึงการใช้คอมพิวเตอร์เหล่านี้ในงานด้านอวกาศ และ Single Board Computer ก็เป็นคอมพิวเตอร์ที่เป็นหัวใจหลักในงานวิจัยอวกาศชิ้นหนึ่งของประเทศไทยอีกด้วย
ยุคก่อน Single Board Computer จะบูม
จริง ๆ แล้วคอมพิวเตอร์กับงานอวกาศนั้นเกิดขึ้นมาคู่กันอย่างแยกกันไม่ออก จากที่เราเคยเล่าไปในบทความ Apollo Guidance Computer ในวันที่โลกยังไม่รู้จักคอมพิวเตอร์ มาจนถึงก่อนยุคที่จะมี Raspberry Pi เกิดขึ้นมาบนโลก นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต่างต้องปวดหัวกับการเลือกหาคอมพิวเตอร์มาใช้ในการทำดาวเทียมและ Payload โดยคุณสมบัติของคอมพิวเตอร์พวกนี้จะต้องมีขนาดเล็ก เบา กินไฟต่ำ แต่ต้องทนทานต่อการสั่นสะเทือน ทนต่อรังสี ทนต่อสนามแม่เหล็ก และสภาพสุญญากาศ และด้วยข้อกำหนดหรือสเปกพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ที่ต้องเอาไปใช้งานในอวกาศนั้นมีเยอะมาก ทำให้มูลค่าของคอมพิวเตอร์ที่จะถูกนำมาใช้มีราคาสูง ตัวโครงการที่จะส่งขึ้นไปในอวกาศจึงแพงตามชิ้นส่วนที่มีราคาแพงเหล่านี้ไปด้วย
ซึ่งถ้าหากเป็นโครงการขนาดใหญ่และสำคัญ มูลค่าของคอมพิวเตอร์ซึ่งเป็นกระดูกสันหลังหลักของโครงการก็คงไม่ใช่เรื่องใหญ่มาก แต่หากเป็นโครงการขนาดเล็กระดับมหาวิทยาลัยหรือทีมขนาดเล็ก สิ่งเหล่านี้ในอดีตแทบไม่เคยเกิดขึ้น นักวิจัยที่อยู่ในทีมขนาดเล็กจำเป็นต้องซื้อคอมพิวเตอร์ที่มีในยุคนั้นมาใช้ทำงาน ไม่ว่าจะเป็น Microcontroller อย่าง PIC Microcontrollers, AVR หรือ Texas Instruments MSP430 โดยนำมาบัดกรีชิปและแผงวงจรเข้าไปในบอร์ดกันเอง หรือเลือกใช้ตระกูล FPGA ที่พวกเขาสามารถออกแบบวงจรได้ด้วยซอฟต์แวร์ ทำให้แผงวงจรของดาวเทียมยืดหยุ่น ปรับเปลี่ยนลายวงจรได้ง่ายโดยไม่จำเป็นต้องไปเปลี่ยนแผงวงจรใหม่ ซึ่งเหมาะกับงานดาวเทียมภารกิจซับซ้อน และสุดท้ายหากภารกิจมีความจำเป็นต้องใช้พลังการประมวลผลที่สูงขึ้น เช่น สำหรับงานดาวเทียมหรืออุปกรณ์ที่ต้องมี Operating System (OS) พวกเขาจะเลือกใช้ Single Board Computer ที่มีอยู่ในยุคนั้นที่เป็น Form Factor PC/104 ในการทำงาน
Form Factor PC/104 นี้ปรากฏขึ้นในตลาดในช่วงปี 1992 ซึ่งเป็นช่วงที่คอมพิวเตอร์เริ่มมีขนาดเล็กลง เชื่อถือได้ และมีพลังการประมวลผลสูงขึ้นกว่าแต่ก่อน สาเหตุที่นักวิจัยเลือกใช้ PC/104 เพราะว่า Single Board Computer ตัวนี้สามารถ Stack ตัวบอร์ดให้สูงขึ้นเป็นคอนโดได้ สามารถซื้อ Pin Module ที่คล้ายกับ Arduino ในทุกวันนี้มาต่อเป็นคอนโด โดย Module ทุกชิ้นจะถูกต่อกันด้วยพินแข็ง ๆ เสียบซ้อนกัน ทำให้หมดปัญหาสายไฟหลุดหลวมจากแรงสั่นสะเทือนตอนจรวดส่งขึ้นไป อีกทั้งยังมีอะไหล่ Fitting ต่าง ๆ ที่ออกแบบมาเพื่อ PC/104 ในท้องตลาดมากมาย ทำให้ตัวอุปกรณ์นี้เหมาะสมเป็นอย่างมากกับการนำมาใช้เป็นหัวใจของดาวเทียมและ Payload ที่จะส่งขึ้นไปยังอวกาศ
แม้ PC/104 จะเป็น Form Factor ที่คนในวงการอวกาศใช้งานกันเยอะและมี Know-how อยู่พอสมควร แต่ถึงอย่างนั้นมันก็ไม่เพียงพอที่จะเป็นที่นิยมเพราะราคาที่แท้จริงของ PC/104 มันไม่ได้ถูกเลย ราคาอาจสูงหลายพันถึงหลายหมื่นดอลลาร์ ยังไม่นับรวม Module ที่จะมาต่อเป็นคอนโดด้านบน เช่น Communication Module ทำให้สุดท้ายแล้วถ้าโครงการไม่ได้มีขนาดใหญ่จริง ก็มักไม่ได้ใช้ Form Factor PC/104 และต้องหันกลับไปนั่งบัดกรี Microcontroller กันต่อไป
เมื่อเอา smartphone ไปเป็นดาวเทียม
จริง ๆ เราก็สามารถบอกได้ว่า Smartphone คือ single board computer ได้เหมือนกันนะ เพราะว่า CPU RAM Storage กล้องถ่ายภาพ เสาอากาศสื่อสาร ภาคจ่ายไฟ ทุกอย่างอยู่บนบอร์ดเพียงบอร์ดเดียว นั้นทำให้เกิดไอเดียที่บ้าบิ่นที่สุดในช่วงเวลาที่ Smartphone ปรากฏขึ้นมาบนโลก คือการที่มีคนเอา Smartphone หยิบไปเป็นหัวใจหลักของดาวเทียมกับโปรเจคที่ชื่อว่า STRaND-1 (2013) กับ Phonesat (2013)
STRaND-1 คือดาวเทียมที่มีแนวคิดจะใช้ HTC Nexus One ซึ่งเป็น Smartphone ระบบ Android ของ Google ในเวลานั้นมาเป็นคอมพิวเตอร์หลักของดาวเทียม นี่คือแนวคิดที่สุดจะบ้าบิ่นจาก Surrey Satellite Technology หรือ SSTL และ University of Surrey โดยพวกเขาซื้อเครื่อง Nexus One ด้วยเงินตัวเอง เหตุผลที่พวกเขาเลือก Nexus One เพราะเป็นเรือธงด้านซอฟต์แวร์ที่เป็น Open Source ซึ่งหมายความว่าการดัดแปลงโค้ดจะง่ายกว่าการไปเอาเครื่องที่ใช้ซอฟต์แวร์ระบบปิดมาโมดิฟาย (mod) เอง แถมตัวเครื่องเองยังแข็งแรงและทนทานพอที่จะผ่านการทดสอบแรงสั่นสะเทือนของจรวดได้ แม้ Google จะไม่ได้ลงมาสนับสนุนหรือโฆษณาในโปรเจกต์นี้ แต่ก็ได้ Free PR มหาศาลที่ทำให้คนรู้จักชื่อ Nexus มากขึ้น ซึ่งประจวบเหมาะกับช่วงที่ Nexus 4 รุ่นใหม่วางจำหน่ายพอดี
เอาเข้าจริงเราอาจไม่ค่อยได้ยินชื่อโปรเจกต์นี้บ่อยนักเพราะมันล้มเหลว แต่ความล้มเหลวนั้นไม่ได้มาจากตัว Smartphone แต่เกิดจากส่วน Mainboard หลักของดาวเทียมที่ทำหน้าที่เป็นพี่เลี้ยงคอยดูแลระบบพื้นฐานและการสื่อสารหลักมีปัญหา ทำให้ Nexus One ที่รับหน้าที่การทดลองถ่ายภาพหรือรันแอปพลิเคชันไม่สามารถทำงานต่อได้ โครงการจึงจบลงอย่างน่าเสียดายโดยที่เรายังไม่มีโอกาสเห็นศักยภาพที่แท้จริงของ Smartphone ในอวกาศ แต่ Smartphone ก็ยังคงเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจมากสำหรับการพัฒนาดาวเทียม เพราะมันรวมอุปกรณ์ทุกอย่างแม้กระทั่ง GPS ไว้ในตัวและมีขนาดเล็กมากจนสามารถนำมาใช้เป็นคอมพิวเตอร์หลักได้ทันที
สองเดือนหลังจากการปล่อย STRaND-1 ทาง NASA เองก็ส่ง Smartphone ขึ้นสู่อวกาศเพื่อทดสอบความเป็นไปได้ในการเป็นหัวใจของดาวเทียมกับโปรเจกต์ PhoneSat โดยบรรจุ Smartphone ไว้ใน CubeSat ขนาด 1U ซึ่งใช้เครื่อง HTC Nexus One และ Samsung Nexus S เป็นตัวขับเคลื่อน โปรเจกต์นี้แบ่งดาวเทียมออกเป็น 3 ดวง คือ Alexander, Graham, และ Bell ตั้งชื่อล้อตาม Alexander Graham Bell บิดาแห่งเทคโนโลยีโทรศัพท์ โดยดาวเทียม Graham (PhoneSat 1.0a) และ Bell (PhoneSat 1.0b) ใช้ HTC Nexus One (รุ่น Bell จะมีการอัปเกรดเสาอากาศจาก Bell Lab) ส่วน Alexander ซึ่งเป็นรุ่น PhoneSat 2.0 จะใช้ Samsung Nexus S และมีการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์, ระบบควบคุมทิศทาง (Reaction Wheels และ Magnetorquer Coils) รวมถึงระบบ GPS ภายใน โดยทั้งสามถูกปล่อยสู่อวกาศในปี 2013 ด้วยจรวด Antares และสามารถทำงานในอวกาศได้นานถึง 6 วัน นับเป็นครั้งแรกที่โทรศัพท์มือถือสามารถใช้งานเป็นดาวเทียมได้จริง ซึ่งต่อมา NASA ก็ได้ส่งรุ่น 2.4 และ 2.5 ตามขึ้นไป
แต่หลังจากนั้นก็แทบไม่มีใครเอา Smartphone มาเป็นชิ้นส่วนดาวเทียมอีกเลย แม้จะพอเห็นบ้างประปราย เช่น ดาวเทียมของ Mark Rober แต่ก็ไม่ได้มีการนำมาใช้จริงจัง เนื่องจากชิ้นส่วนของโทรศัพท์มือถือนั้นเล็กและซับซ้อนเกินกว่าจะแกะมาประกอบใหม่เพื่อทำดาวเทียมได้ง่าย ๆ และเมื่อมีสิ่งประดิษฐ์ที่เป็น Single Board Computer ขนาดเล็ก ราคาถูก และอเนกประสงค์ตัวใหม่เกิดขึ้น หลาย ๆ โครงการจึงโยกย้ายความสนใจไปที่ตรงนั้นแทน
Raspberry Pi คือตัวเปลี่ยนเกม
Raspberry Pi เปิดตัวในปี 2012 ในรุ่นของ Model B และมันได้สร้างปรากฏการณ์หน้าเว็บล่มเพราะคนแห่เข้ามาซื้อกันอย่างบ้าคลั่ง ทั้งพวก Geek, Software Developer, ครูหรือภาคการศึกษาต่างกระโดดลงมาแย่งซื้อเจ้าคอมพิวเตอร์เครื่องนี้ เพราะหากว่ากันตามตรงใครจะคิดว่าคอมพิวเตอร์ RAM 256KB ในราคาไม่กี่สิบดอลลาร์จะสามารถรัน OS และทำงานซับซ้อนอย่างหุ่นยนต์ได้
เมื่อภาคการศึกษาเริ่มเห็นประโยชน์ มันจึงไปเตะตาฝั่งงานอวกาศในเวลาอันสั้น ด้วยขนาดที่เล็ก กินไฟน้อย ความร้อนต่ำ แถมยังราคาถูกมากพอที่จะซื้อมาสำรองไว้เยอะ ๆ โดยไม่ต้องกลัวพังจนส่งผลกระทบต่องบประมาณโครงการ มันจึงกลายเป็น Solution หลักของทีมวิจัยอวกาศในการสร้าง Payload ไปโดยปริยาย
หากว่ากันตามตรง Raspberry Pi คือคอมพิวเตอร์ที่ตอบโจทย์วิศวกรได้ครบถ้วนโดยแทบไม่ต้องคิดอะไรมาก มันมี CPU ที่แรงพอจะแบกรับงานที่เมื่อก่อนต้องแยก Module ออกเป็นส่วน ๆ เช่น การสื่อสาร, การควบคุมมอเตอร์ มาไว้ที่บอร์ดตัวเดียว และยังมี room การประมวลผลเหลือเฟือสำหรับงานอื่น ๆ แถมยังมีพิน I/O ที่เชื่อมต่อกับเซนเซอร์ได้ง่าย มีระบบจัดการพลังงานที่ดี มันจึงกลายเป็นคอมพิวเตอร์ที่คนต้องการมากที่สุด และมีศักยภาพพอที่จะเป็นคอมพิวเตอร์หลักของดาวเทียม
แม้จะเปิดตัวในปี 2012 แต่กว่าที่ Raspberry Pi จะกลายเป็นแก่นของภารกิจในอวกาศจริง ๆ ก็คือปี 2015 ในโปรเจกต์ Astro Pi ที่ส่ง Raspberry Pi ขึ้นไปรันโค้ดของนักเรียนบนสถานีอวกาศนานาชาติ และตามมาด้วยดาวเทียมดวงแรกอย่าง GASPACS ในปี 2022 ที่ใช้ Raspberry Pi เป็น Primary Flight Computer ในการควบคุมภารกิจอย่างเต็มตัว
เมื่อใคร ๆ ก็เข้าถึง Single Board Computer ได้
Single Board Computer ในตอนนี้คือสิ่งที่ใคร ๆ ก็สามารถเข้าถึงมันได้ ด้วยราคาที่ถูก ทนทาน ใช้งานได้ มีประวัติการใช้งานมาก่อนแล้ว และอเนกประสงค์สุด ๆ ทำให้มันเข้าไปเป็นระบบควบคุมหลักของ Payload และดาวเทียมรุ่นใหม่ได้ไม่ยาก
เรามักจะพบ Raspberry Pi หรือเหล่า Single Board Computer ได้มากที่สุดในงาน Payload ที่ส่งขึ้นไปยัง ISS เพราะภายใน ISS มีเกราะป้องกันรังสีที่ดีในระดับหนึ่งอยู่แล้ว สภาพแวดล้อมตรงนั้นจึงเหมือนสภาพแวดล้อมบนโลก มันปลอดภัย เหล่าวิศวกรจึงไม่ต้องปวดหัวกับการออกแบบระบบ Hardware ที่ต้องซับซ้อนมาก ไม่จำเป็นต้องใช้ CPU สองตัวมานั่งเฝ้ากันเอง เพียงแค่เขียน Software ที่ฉลาดพอจะรับมือกับปัญหา Bit Flip และใช้ RAM ประเภท EEC memory ที่สามารถตรวจจับข้อผิดพลาดของข้อมูลในตัว RAM ได้ เพียงเท่านี้ก็เพียงพอแล้ว ซึ่ง Raspberry Pi มีทุกอย่างแม้กระทั่ง RAM ของ Raspberry Pi ก็เป็น On-die EEC อยู่แล้ว ดังนั้นด้วยเหตุนี้เราจึงพบเจอ Raspberry Pi กับงาน Payload ได้บ่อยมาก
แม้เราจะบอกว่า Single Board Computer อย่าง Raspberry Pi จะเสถียรและอเนกประสงค์ เต็มไปด้วยพินอย่าง GPIO ที่สามารถเอา GPIO ต่อเข้ากับเซนเซอร์หรือมอเตอร์เพื่อสั่งให้มันควบคุมการทำงานได้เลย แต่ในความเป็นจริงในงานทั่วไปก็แล้วเองจะไม่ได้ใช้ GPIO ของ Single Board Computer ทำงานเหล่านั้นแต่ให้ Microcontroller Unit (MCU) ในการควบคุมแทน โดย MCU จะทำหน้าที่เป็น Slave คอยสั่งงานมอเตอร์หรืออ่านค่าเซนเซอร์แทน เพราะการใช้งาน GPIO ของ Single Board Computer โดยตรงนั้นมันอาจจะมี Latency หรือไม่ตอบสนองบ้างเนื่องจากตัว Single Board Computer นั้นมันต้องคอยจัดการระบบปฏิบัติการอยู่เป็นเบื้องหลัง ซึ่งหลาย ๆ ครั้งงานของ OS ที่รันอยู่มันหนักมาจน CPU ทำงานไม่ไหว การใช้ MCU จึงเป็นหนึ่งในทางออกที่ดีและให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด
ซึ่งนี่คือหนึ่งในวิธีการที่ทีมวิจัยจากราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์ใช้ใน Payload TIGERS-X โดยทางทีมราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์นั้นใช้ Orange Pi เป็น Single Board Computer รับหน้าที่ประมวลผลงานยาก ๆ อย่าง OS การบันทึกวิดีโอการทดลองหรือติดต่อกับ Mission Control บนโลก ส่วนการสั่งการมอเตอร์หรือปั๊มน้ำนั้น Microcontroller จะเป็นตัวควบคุมการทำงานของปั๊มน้ำอีกที ซึ่งวิธีนี้ดีและเสถียรมากกว่าการใช้งานและควบคุมโดยผ่าน GPIO โดยตรง ทำให้ตัว Orange Pi ยังมีพลังประมวลผลเหลือเฟือที่จะรันสิ่งต่าง ๆ ให้สามารถทำงานต่อไปได้ และหากระบบค้างยังมีระบบ Watchdog และสามารถเข้าไป remote ได้จากบนพื้นโลกเพื่อป้องกันปัญหาคอมพิวเตอร์ล่มในอวกาศ
แต่ก็มีเรื่องที่น่าสนใจเพิ่มเติมแม้เราจะเห็น Single Board Computer ส่วนใหญ่ได้ใน Payload ไปสถานีอวกาศนานาชาติ แต่ไม่ใช่ทุก Payload ที่เป็น Active Payload จะใช้ Single Board Computer เพราะจริง ๆ แล้วหลาย ๆ การทดลองอาศัยแค่การจดบันทึกข้อมูลผ่านเซนเซอร์และทำงานแค่ผ่านลำดับขั้นตอนตามโค้ดที่วางเอาไว้ ไม่ซับซ้อน ดังนั้นการใช้ MCU จริง ๆ หลาย ๆ งานก็เพียงพอแล้ว เช่น MicroPET ของ MIT ก็เลือกใช้แค่ MCU Teensy 4.0 กับ Real time clock เท่านั้นเอง ซึ่งถามว่าจากรูปแบบการทำงานของ MicroPET ที่เป็นการเปิดและปิดวาล์ว กับการบันทึกอุณหภูมิ ความชื้น และ log การทำงานเบื้องหลังทั้งหมด MCU ก็สามารถทำการทดลองจนจบได้แล้ว แต่ในมุมกลับกัน MCU หลาย ๆ ตัวไม่ได้มีศักยภาพในการทำงานที่ยากและซับซ้อนได้ เช่น Networking หรือบันทึกวิดีโอได้ งานที่ใช้ MCU บางครั้งจึงเป็นแค่ Semi Active Payload คือต้องให้นักบินอวกาศเข้ามาช่วยกดปุ่มอยู่เพราะว่าไม่สามารถติดต่อกับพื้นโลกด้วยอินเทอร์เน็ตได้เป็นต้น ดังนั้น Single Board Computer มีทั้ง port RJ45 และ CPU ที่แรงพอจะรัน OS เป็นเบื้องหลังเพื่อเชื่อมสิ่งต่าง ๆ เข้าด้วยกันจึงเป็นสิ่งที่ Single Board Computer เหนือกว่า MCU ได้อย่างชัดเจน
โลกของดาวเทียมที่ต่างจาก Payload
เราเห็น Payload จำนวนมากที่ใช้ Single Board Computer ในการควบคุม Active Payload แต่กลับดาวเทียมเรากลับเห็น Single Board Computer ปกติแบบ Raspberry Pi น้อยมาก ซึ่งสาเหตุมันมาจากการรังสีที่ก่อให้เกิด Bit Filp เยอะกว่าภายในสถานีอวกาศนานาชาติ
เพราะ Space Grade Computer มีราคาแพงและโดย Logic แล้ว Single Board Computer ธรรมดาก็มีศักยภาพมากพอในการทำงานในอวกาศ เพียงแค่เราต้องปรับเปลี่ยนอะไรหลาย ๆ อย่างหน่อย
ตามปกติคอมพิวเตอร์ Space Grade นั้นจะออกแบบมาให้ทนทานต่อรังสีด้วยการใช้ Silicon on sapphire หรือ Silicon on insulator ในการผลิต CMOS และยังมีเรื่องของขนาด Transistor gate หรือ Error collection ในทุกระดับตั้งแต่ใน RAM ไปจนถึงในระดับ Architecture ที่ทำให้ CPU รู้ว่าตัวเองกำลังเกิด Bit Filp หรือไม่และแก้ไขมันอัตโนมัติ แต่ปัญหาคือคอมพิวเตอร์แบบ Customer grade อย่าง Raspberry Pi ไม่ได้มีสิ่งเหล่านั้น เพราะบนโลกมันไม่ได้ปริมาณรังสีเยอะมากมายเหมือนกับในอวกาศ ดังนั้นอุปกรณ์บนพื้นโลกปกติจึงไม่ได้ออกแบบมาเพื่อป้องกันรังสีอะไรมากอยู่แล้ว และอาศัย Error Collection ในระดับ Software เท่านั้น พอเราส่งอุปกรณ์ธรรมดา ๆ ไปอวกาศ Error และ Noise รบกวนมากมายมหาศาล อย่างภาพถ่ายของ PhoneSat ที่ถ่ายโลกของเรา จะเห็นว่าภาพของมันนั้นเต็มไปด้วย Noise ที่เกิดขึ้นจากความผิดพลาดของการประมวลผลภาพถ่าย
แต่ทีนี้เมื่อเรารู้ข้อจำกัดของ Customer grade computer แล้วแต่เรายังอยากดื้อดึงที่จะใช้มันในอวกาศอยู่ (อาจจะเพราะราคามันถูกกว่าคอมพิวเตอร์ Space Grade) ก็มีการหาหนทางจนสามารถส่งคอมพิวเตอร์เหล่านี้ไปยังอวกาศได้ หนึ่งในวิธีที่วิศวกรชอบมากที่สุดคือ Parallel Computing หรือการใช้คอมพิวเตอร์หลายเครื่องช่วยกันคิดเรื่องเดียว (Voting) เพื่อคัดกรองข้อมูลที่ถูกต้องที่สุด
Parallel Computing เป็นวิธีการที่ถูกใช้เป็นมาตรฐานสำหรับคอมพิวเตอร์ยานอวกาศ แต่ก็ไม่ได้ใช้กับยานอวกาศทุกลำเนื่องจาก Space Grade computer มีราคาที่แพงมาก แต่กลับกันหากเราใช้ Single Board Computer อย่าง Raspberry Pi มันมีราคาที่ถูกมาก ดังนั้นถ้าวิศวกรจะซื้อมันมาใช้เพื่อรัน Parallel Raspberry Pi 2 หรือ 3 ตัวพร้อมกันแล้ว Voting มันก็ไม่ใช่เรื่องที่แปลกอะไรเพราะคอมพวกนี้ราคาถูกมาก แถมยังประหยัดไฟมากด้วย
และเราอาจจะหาอุปกรณ์ห่อป้องกันรังสีเพิ่มเติมอย่าง Mylar blanket มาห่อหุ้มยานอีกชั้นเพื่อเสริมความมั่น และเขียนโค้ดป้องกัน Soft Error ไว้ แม้เราจะทำทั้งหมดนี้ไว้อย่างดีแล้วแต่สิ่งหนึ่งที่เราห้ามลืมคืออวกาศมันเลวร้ายกว่าสภาพแวดล้อมบนโลกหรือสถานีอวกาศมาก และหนึ่งในปัญหาที่ทำให้ดาวเทียมที่ใช้ Single Board Computer ทั่วไปมันเปิดไม่ติดนั้นก็มาจากอุณหภูมิของอวกาศมันโหดร้ายเกินไป อุณหภูมิที่สามารถร้อนจัดและเย็นจัดได้ในเวลาเดียวกันนี้สร้างความเครียดให้กับวัสดุ PCB และ Silicon เป็นอย่างมาก ซึ่งนี่คือหนึ่งในสาเหตุที่ทำให้คอมพิวเตอร์ของดาวเทียมเปิดไม่ติดเมื่อขึ้นไปอยู่ในอวกาศ
หรือแม้แต่ปัญหาแรงสั่นสะเทือน Raspberry Pi ในยุคแรกใช้ microSD Card ในการบูส OS ซึ่งการส่งขึ้นอวกาศด้วยจรวดนั้น ทุกชิ้นส่วนในดาวเทียมต้องรับแรงสั่นสะเทือนที่โหดร้ายทำให้หน้าสัมผัสของ microSD Card มันไม่ตรงกับขาพินหรือการ์ดอาจหลุดออกมาจากถาดใส่ได้เลย ซึ่งสิ่งนี้เป็นฝันร้ายของงานอวกาศเป็นอย่างมาก ทำให้ในยุคหลัง ๆ มีการใช้ EMMC บัดกรีลงบอร์ดเฉพาะ หรือใช้ module อื่นเพื่อลดโอกาสที่ของจะหลุดหรือหล่นหายระหว่างการขนส่งได้
ถึงเราจะรู้ข้อจำกัดและความเป็นไปได้ที่ดาวเทียมจากอุปกรณ์แบบ Customer grade จะพังได้ตลอดเวลา แต่ก็มีคนหลาย ๆ คนที่กล้าจะสร้างมันขึ้นมากับดาวเทียมที่ใช้ Raspberry Pi หรือ Single Board Computer ในการทำงาน โดยตัวที่โด่งดังที่สุดหนีไม่พ้น GASPACS (Get Away Special Passive Attitude Control Satellite) ที่เป็นดาวเทียม CubeSat ขนาด 1U ตัวแรกที่ใช้ Raspberry Pi Zero เป็นระบบควบคุมทั้งหมดของดาวเทียมแบบ 100% มันถูกพัฒนาโดย ทีมนักศึกษาจาก Utah State University และถูกปล่อยสู่วงโคจรโดยสถานีอวกาศนานาชาติในปี 2022 และมันสามารถทำงานได้ดี มันสามารถกาง Payload Aero-boom เสาอากาศยาว 1 เมตร เพื่อทดสอบการรักษาทิศทางของดาวเทียมในอวกาศโดยไม่ใช้เชื้อเพลิง ซึ่ง Raspberry Pi Zero คือคนสั่งกางและคุมเซนเซอร์ทั้งหมด รวมถึงถ่ายภาพกลับมายังโลกอีกด้วยหลังจากการกาง Aero-boom เสร็จสิ้น ภารกิจของ GASPACS ประสบความสำเร็จด้วยดี มันสามารถทำตามเป้าหมายและเป็นเครื่องพิสูจน์ว่าคอมพิวเตอร์ราคา 10 ดอลลาร์ก็สามารถรันดาวเทียมได้
กระดูกสันหลังใหม่ของวงการ New Space
Single Board Computer กำลังก้าวขึ้นมาเป็นกระดูกสันหลังชุดใหม่ของอุตสาหกรรมอวกาศยุคใหม่ หรือที่เรียกกันว่า New Space จุดเด่นสำคัญที่ทำให้ Single Board Computer ทะลายกำแพงของคอมพิวเตอร์ระดับ Space-Grade ลงได้ คือต้นทุนที่ต่ำกว่ามหาศาล ซึ่งเป็นตัวแปรสำคัญที่ช่วยให้ผู้เล่นหน้าใหม่สามารถพัฒนานวัตกรรมและก้าวไปข้างหน้าได้อย่างรวดเร็วแบบก้าวกระโดด
ในโลกอวกาศยุคดั้งเดิม หรือ Old Space (ยุคที่ NASA หรือบริษัทยักษ์ใหญ่ข้ามชาติครองตลาด) กฎเหล็กเพียงข้อเดียวคือ “Failure is not an option” หรือความผิดพลาดต้องเป็นศูนย์ เพราะดาวเทียมแต่ละดวงมีมูลค่ามหาศาลและการส่งขึ้นไปก็แพงระยับ คอมพิวเตอร์ในยุคนั้นจึงต้องถูกออกแบบให้ทนทานต่อรังสีเป็นพิเศษเพื่อให้มั่นใจว่ามันจะไม่พัง แต่ปัญหาคือชิปเหล่านี้มีราคาสูงถึงหลักล้านบาท และกว่าจะผ่านการทดสอบอันเข้มงวดจนมั่นใจ เทคโนโลยีข้างในก็มักจะล้าหลังไปแล้ว 10-20 ปี หากเปรียบเทียบให้เห็นภาพ คอมพิวเตอร์ที่ใช้ในยานอวกาศส่วนใหญ่ทุกวันนี้อาจจะไม่ได้มีพลังประมวลผลแรงไปกว่าเครื่องเกมคอนโซลอย่าง Nintendo Wii สักเท่าไหร่เลย
การเข้ามาของ Single Board Computer จึงไม่ได้เป็นเพียงการประหยัดงบประมาณ แต่เป็น Paradigm Shift ของวิศวกรรมอวกาศ ในขณะที่คอมพิวเตอร์ระดับ Space-Grade มีราคาสูงและต้องรอคิวส่งมอบ (Lead Time) ยาวนาน แต่คอมพิวเตอร์แบบ COTS (Commercial Off-The-Shelf) อย่าง Raspberry Pi ที่เราหาซื้อได้ตามร้านอุปกรณ์ไอทีทั่วไป กลับกลายเป็นตัวเปลี่ยนเกม เพราะเราสามารถหาซื้อมาสำรองได้หลายเครื่อง ต่อให้บอร์ดพังหรือช็อตระหว่างการพัฒนาก็สามารถเปลี่ยนใหม่ได้ทันทีโดยไม่ต้องกังวลเรื่องงบประมาณ ยิ่งไปกว่านั้น เรายังสามารถนำ Single Board Computer หลายเครื่องมาประมวลผลขนานกัน (Parallel Computing) เพื่อเพิ่มทั้งประสิทธิภาพและความปลอดภัยในสภาวะรังสี ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำได้ยากมากในคอมพิวเตอร์เกรดอวกาศยุคก่อน
หัวใจสำคัญที่เป็นจุดขายของ New Space คือ “ถูกกว่าและเร็วกว่า” ภายใต้แนวคิด Fail Fast, Learn Fast (ล้มให้ไว เพื่อเรียนรู้ให้เร็ว) ดาวเทียมขนาดเล็กอย่าง CubeSat ที่สร้างจากคอมพิวเตอร์เกรดผู้บริโภคอาจจะมีอายุการใช้งานบนวงโคจรเพียง 1-2 ปี แต่นั่นไม่ใช่ปัญหา เพราะเมื่อเราสร้างได้เร็วและส่งขึ้นไปได้บ่อย เราก็สามารถอัปเกรดเทคโนโลยีใหม่ ๆ เข้าไปแก้ปัญหาของรุ่นก่อนหน้าได้ตลอดเวลา ความคล่องตัวนี้เองที่ดึงดูดเม็ดเงินมหาศาลเข้าสู่อุตสาหกรรม ทั้งในฝั่งการสร้างดาวเทียมเชิงพาณิชย์และการพัฒนา Payload เพื่อการวิจัยบนสถานีอวกาศนานาชาติ
Open Source ปัจจัยสำคัญที่สร้างเฮลิคอปเตอร์ Ingenuity โลกของซอฟต์แวร์เสรี กับวงการอวกาศ
แต่นี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น เพราะก้าวต่อไปคือยุคของ Space AI อย่างเต็มตัว เมื่ออุตสาหกรรม New Space กำลังขยับเข้าสู่ยุคที่ Edge Computing บนวงโคจรต้องทำได้มากกว่าแค่การรับ-ส่งข้อมูลพื้นฐาน แต่ต้องมีขุมพลังประมวลผลที่แรงพอจะรันโมเดล AI เพื่อ ‘วิเคราะห์และตัดสินใจ’ ได้ด้วยตัวเองทันทีท่ามกลางห้วงอวกาศ ซึ่ง Single Board Computer นี่แหละคือหัวหอกสำคัญที่จะพาเราไปถึงจุดนั้น ดังเช่นที่เราเห็นการนำ NVIDIA Jetson ขึ้นไปทดสอบบนสถานีอวกาศนานาชาติใน โครงการ AI Space Challenge 2022 ที่สเปซทีเอช เคยได้มีส่วนร่วมในการจัดการแข่งขัน เมื่อเรามองไปยังโครงการนี้ครั้งแรกอาจจะรู้สึกว่าเป็นโครงการแข่ง AI ธรรมดา แต่เมื่อมองไปถึงแก่นแล้วมันแสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กมันสามารถที่จะรัน AI ได้ และมันจะกลายเป็นอีกหนึ่ง Game Changer ที่สอดคล้องกับกระแสการสร้าง Data Center ในอวกาศ ที่เราเริ่มเห็นเป็นรูปธรรมมากขึ้นในปัจจุบัน
สุดท้ายนี้เมื่อเรามองย้อนกลับไปในอดีตเราจะพบว่านักวิทยาศาสตร์ นักวิจัย และวิศวกรต่างพยายามกันอย่างสุดลิ่มทิ่มประตูที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ให้กับ Payload การทดลองและดาวเทียมในต้นทุนที่ถูกที่สุด ตั้งแต่การพยายามบัดกรีคอมพิวเตอร์เองกับมือ หรือการพยายามมองหาและดัดแปลงคอมพิวเตอร์อเนกประสงค์ที่มีอยู่ในตลาดมาประยุกต์ใช้ จนก้าวเข้าสู่ยุคที่บ้าบิ่นที่สุดอย่างการดัดแปลง Smartphone มาเป็นหัวใจของดาวเทียม และมาถึงวันที่ Single Board Computer จะก้าวเข้ามาเป็นกระดูกสันหลังของอุตสาหกรรม New Space
การเข้ามาของ Single Board Computer ได้พิสูจน์ให้เห็นว่าปรัชญาการออกแบบในงานอวกาศได้เปลี่ยนไป เราไม่ได้อยู่ในยุคที่ต้องรอคอยชิปเกรดอวกาศราคาหลักล้านที่ประสิทธิภาพเท่าเครื่องเกมโบราณอีกต่อไป แต่เรากำลังอยู่ในยุคที่คอมพิวเตอร์ราคาหลักพันในมือคุณสามารถรันภารกิจอวกาศระดับเทียบเท่าขององค์กรอวกาศขนาดใหญ่ ในก้าวถัดไปที่กำลังจะมาถึง อวกาศจะไม่ใช่เพียงพื้นที่สำหรับการทดลองหรือส่งข้อมูลกลับมายังโลกเพียงอย่างเดียว แต่จะเป็นพรมแดนใหม่ของการประมวลผล AI และการสร้าง Data Center นอกโลกเพื่อทลายขีดจำกัดของเทคโนโลยีบนพื้นดิน
ซึ่งทั้งหมดนี้ไม่ใช่เรื่องของอนาคตอันไกลโพ้น แต่มันกำลังเกิดขึ้นแล้วในวินาทีนี้ และมันเป็นบทพิสูจน์ชั้นดีว่า ‘ขนาด’ ของคอมพิวเตอร์ ไม่ใช่ตัวกำหนด ‘ความสำเร็จ’ ของนวัตกรรมที่เราสร้างขึ้นมาเลยแม้แต่นิดเดียว
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
