Come archiviare i dati su Marte 🚀

Archiviare i dati nello spazio non è esattamente una passeggiata! Ci sono molte differenze tra utilizzare i computer sulla Terra e gestirli su un altro pianeta, o almeno nello spazio in generale. Fortunatamente, alcuni amici, muniti di mezzi adeguati, ci hanno aiutato a comprendere come funziona. Quindi allacciati le cinture e unisciti l nostro viaggio per scoprire come archiviare i dati su Marte, osservando l'attività dei rover attualmente impegnati sulla superficie del Pianeta rosso.

Tipi di rover marziani

Partiamo con un po' di storia. Finora, ci sono state quattro missioni di successo su Marte con rover della NASA. Come puoi vedere in questa foto, il rover più piccolo in primo piano è Sojourner (1997), il rover di medie dimensioni a sinistra è Spirit/Opportunity (2004), mentre il rover più grande a destra è Curiosity (2011).

Opportunity ha recentemente occupato i titoli dei giornali quando la NASA ha perso il contatto con il rover dopo 15 anni (RIP). Il rover fratello, Spirit, è rimasto bloccato nella sabbia a marzo 2010.

Curiosity è l'ultimo rover sopravvissuto su Marte e ha pressapoco le dimensioni di una piccola auto. È arrivato nel mese di agosto 2012 ed è tuttora operativo!

Scegliere il giusto supporto di storage

Qualsiasi sia l'hardware utilizzato nello spazio, deve essere solido e in grado di sopportare il volo, al fine di resistere all'ascesa dalla Terra e al viaggio nel vuoto dello spazio. Per i rover marziani, è anche necessario che sopravvivano alla discesa, all'atterraggio e alle operazioni quotidiane una volta approdati sul Pianeta rosso.

Oltre ad assicurarsi che i dispositivi di archiviazione dei dati possano resistere alle vibrazioni di ascesa e discesa, ci sono altri importanti fattori da prendere in considerazione e sfide uniche con ciascun tipo di storage.

Per esempio, i dischi rigidi (HDD) non funzionano nel vuoto cosmico, dato che hanno bisogno di aria per una corretta operatività (ne parleremo più nel dettaglio in un prossimo post). È possibile utilizzare container sigillati e pressurizzati per l'uso degli HDD in sistemi ed esperimenti nello spazio (come sulla Stazione Spaziale Internazionale o sugli Space Shuttle), tuttavia questo aggiunge complessità e un maggior rischio di errore.

I nastri magnetici a bobina aperta sono stati utilizzati anche sugli Space Shuttle come dispositivi di archiviazione dati per eseguire varie funzioni. Infatti, molte delle prime missioni interplanetarie utilizzavano il nastro magnetico per archiviare i dati, come le sonde Galileo (1989) e Magellano (1989), che furono lanciate rispettivamente verso Giove e Venere. Il problema con il nastro, però, è che occupa molto spazio; su queste prime navicelle spaziali sono stati utilizzati quasi 2 km di nastro magnetico per ottenere una capacità di archiviazione dei dati di appena 2 GB!

E per quanto riguarda i dischi a stato solido (SSD)? Bene, ci sono, in effetti, state molte missioni spaziali che hanno utilizzato gli SSD, tra cui Mars Global Surveyor (1996), Cassini (1997) e New Horizons (2006). Gli SSD sono compatti, robusti nel design e non hanno gli svantaggi degli HDD e dei nastri. Inoltre, hanno migliori performance generali, il che significa che gli SSD rappresentano l'opzione più adatta per l'archiviazione dei dati nei moderni veicoli spaziali interplanetari.

Archiviare i dati su Marte

Gli SSD sembrano quindi essere i supporti di storage prescelti, ma siamo solo all'inizio del viaggio! Una delle sfide principali per l'archiviazione dei dati su Marte è costituita dalle difficili condizioni ambientali, sia sulla superficie del pianeta che durante il tragitto per raggiungerlo.

Fortunatamente, non c'è acqua corrente su Marte, quindi non c'è la possibilità che i rover subiscano danni causati dall'acqua! Tuttavia, il controllo della temperatura è un fattore molto importante da tenere in considerazione.

La maggior parte dei moderni dispositivi di archiviazione dei dati avrà un set di condizioni ottimali entro le quali operare. Per esempio, gli SSD medi sono progettati per operare normalmente con un intervallo di temperatura compreso tra -40⁰C e +85⁰C.

Questo va ovviamente bene per il tuo PC o il laptop qui sulla Terra, ma cosa accade su Marte? Bene, la temperatura media su Marte è di circa -63⁰C, con un'oscillazione tra -140 ⁰C di notte e +20 ⁰C durante il giorno, a seconda della posizione, il che rappresenta una differenza di temperatura notevole rispetto a ciò che accade sulla Terra!

Anche il viaggio per raggiungere Marte è un problema, perché le temperature nello spazio possono variare da un minimo di -273 ⁰C nelle zone più fredde a un massimo di 120 ⁰C quando il veicolo spaziale è esposto al sole.

Per tenere tutto al sicuro a bordo dei rover, la NASA utilizza un sistema di controllo termico dedicato, insieme a un assortimento di radiatori, al fine di regolare la temperatura degli interni dei rover, sia durante il viaggio verso Marte che durante la permanenza sul pianeta.

L'importanza di applicare la protezione dal sole

Oltre alla temperatura, l'altro grande pericolo che devono affrontare i rover marziani o i veicoli spaziali è costituito dalle radiazioni. Oltre a utilizzare CPU resistenti alle radiazioni, occorre prendere in considerazione anche i dispositivi stessi di archiviazione dati.

Gli SSD NAND flash utilizzati sui rover marziani sono resistenti alle radiazioni, ma non ne sono completamente immuni, quindi è molto importante assicurare che vengano utilizzate tecniche differenti per proteggere gli SSD dai danni. Esempi di questo includono la corretta schermatura del corpo del rover in cui sono alloggiati i componenti elettronici, oltre a una quantità sufficiente di ridondanza e rilevamento degli errori utilizzati con la memoria flash.

In effetti, l'allocatore di memoria del rover Curiosity ha una propria funzione di diagnostica, che genera una mappa dell'utilizzo della memoria e tiene traccia di eventuali problemi. Se ci sono perdite di memoria dovute al degrado, il team della NASA può risolvere il problema. Ma ne riparleremo!

Confronto tra sistemi di calcolo

Qui sulla Terra, ci concediamo il lusso di utilizzare computer con molti terabyte di spazio disco e RAM. Tuttavia, i sistemi per i rover marziani devono essere abbastanza potenti per eseguire i comandi specifici per le loro missioni, quindi non hanno bisogno di grandi quantità di spazio di archiviazione, né di potenza di calcolo.

Dato che il processo di progettazione per i rover Spirit e Opportunity è iniziato già nel 2000, lo storage di dati utilizzato era anche limitato alla tecnologia disponibile al momento. Addentriamoci per un momento nelle questioni tecniche e facciamo un rapido confronto tra la potenza di calcolo e le tecnologie di data storage utilizzate sulla flotta della NASA dei rover marziani dal 1997:

Curiosità: il rover Curiosity utilizza il chip CPU RAD750 resistente alle radiazioni, che costa circa $ 200.000 al pezzo! Questi chip fanno parte della famiglia PowerPC 750 e si basano sugli stessi chip che venivano utilizzati nell'Apple PowerBook G3, negli iBook e in diversi altri prodotti Mac dalla metà degli anni '90.

Oltre al principale computer storage, Curiosity dispone anche di un dispositivo di storage flash separato da 8 GB per ciascuna delle due camere stereoscopiche. C'è spazio storage sufficiente per fare una gran quantità di foto e video del paesaggio di Marte!

Avere sempre un backup

Sia il rover Curiosity che il rover Spirit/Opportunity hanno utilizzato RAM con rilevamento e correzione degli errori, tuttavia Curiosity è differente dagli altri rover marziani, perché è l'unico che ha a bordo due computer identici. Solo uno dei computer viene utilizzato per far funzionare il rover, il che lascia il secondo computer ridondante disponibile come backup nel caso qualcosa dovesse andare storto.

Proprio così, perché quando sei a 140 milioni di chilometri di distanza (in media) non è esattamente fattibile andare su Marte con la tua cassetta degli attrezzi e Ontrack non ha un data recovery lab su Marte… almeno non per adesso!

Una volta che il rover ha lasciato la Terra, l'unico modo per risolvere i problemi è tramite comunicazione satellitare remota, il che significa che qualsiasi problema fisico con il rover è in genere impossibile da risolvere. I tecnici devono pertanto prepararsi in anticipo per ogni eventualità e fare semplicemente affidamento su riparazioni di tipo logico per bypassare qualsiasi problema.

Gestire i guasti della memoria flash

Come qualsiasi tipo di dispositivo di data storage, ad un certo punto esso si guasterà: è possibile, infatti, scrivere sugli SSD solo un numero finito di volte prima che inizino a deteriorarsi. Dato che la memoria flash viene utilizzata in tutti i computer dei rover marziani, è veramente solo questione di tempo prima che la memoria subisca un degrado completo, rendendo il rover completamente inutilizzabile.

Nel 2011, Opportunity ha iniziato a mostrare i primi problemi durante la scrittura sulla sua memoria flash: il rover soffriva di ‘amnesia’. Questi eventi hanno infine provocato la perdita di dati. La NASA alla fine è riuscita a determinare con precisione il problema dopo che si è verificato nuovamente nel 2014; uno dei banchi di memoria flash aveva iniziato a deteriorarsi, il che significava che talvolta Opportunity non poteva accedere alla sua memoria flash non-volatile per archiviare le informazioni. Quando si verificava questo evento, il rover salvava automaticamente i dati sulla RAM volatile, che poi veniva cancellata quando il rover veniva spento per la notte.

Diversi tentativi falliti di accedere alla memoria flash hanno portato a un continuo riavvio di Opportunity, il che ha interrotto intere sequenze di comandi e istruzioni inviati dal team sulla Terra, rendendo il rover molto impegnativo da gestire.

Ecco ciò che la NASA ha dichiarato in merito al problema nel 2014: “A causa dei continui problemi di memoria Flash sul rover, il progetto ha scelto di utilizzare il rover senza utilizzare il sistema di storage Flash non volatile e, invece, di fare affidamento sulla memoria volatile ad accesso casuale (RAM) per l'archiviazione temporanea della telemetria o dei dati del rover. A lungo termine, il progetto implementerà una strategia per smascherare il settore problematico di Flash e riprendere a utilizzare il resto del file system Flash nelle normali operazioni.”

(“With the continuing Flash memory problems on the rover, the project has chosen to operate the rover without using the non-volatile Flash storage system and instead rely on the volatile random access memory (RAM) or temporary storage of telemetry, or rover data. Longer term, the project will implement a strategy to mask off the troubled sector of Flash and resume using the remainder of the Flash file system in normal operations.”)

Tramite la riformattazione e la riprogrammazione da remoto della memoria flash, il team è stato in grado di bypassare il banco di memoria danneggiato per ripristinare il funzionamento del sistema di data storage flash, anche se con meno capacità di prima. Missione compiuta!

Ulteriori problemi di memoria

Purtroppo questa non sarebbe stata l'ultima volta in cui si sarebbe verificato un errore legato alla memoria su un rover marziano. Più recentemente, anche il rover Curiosity ha avuto dei problemi con la memoria flash. Tuttavia, come abbiamo accennato in precedenza, Curiosity è stato dotato di due computer identici, pertanto può continuare a operare in caso di problemi.

Questa lungimiranza è stata molto preziosa nel 2013, quando il team della NASA è stato costretto a passare al computer di ‘backup’ ridondante di Curiosity, a causa di un errore nel computer principale per il quale il rover non poteva essere comandato in maniera adeguata e le batterie si sono scaricate. La NASA ha risolto il problema in un modo simile a quello utilizzato per Opportunity: è stata identificata e messa in quarantena la parte di memoria interessata in modo da poter di nuovo utilizzare il computer. Ciò di nuovo significa che una parte della capacità storage è andata perduta nel processo.

Poi, nel mese di settembre 2018 un errore simile sull'altro computer, precedentemente funzionante, ha comportato un'archiviazione non adeguata dei dati tecnici e scientifici. Come soluzione temporanea, il rover è tornato a utilizzare lo stesso computer che aveva avuto problemi 5 anni prima e nel frattempo i tecnici stanno cercando di arrivare a una diagnosi rispetto a ciò che non ha funzionato e alla soluzione da adottare.

Curiosità: quando i dati di Curiosity vengono trasmessi alla Terra per le analisi, viene incluso un dump della flash memory map. Questo avviene nel caso emerga qualche problema con la memoria e nel frattempo viene mantenuta una adeguata documentazione. Questa tracciabilità consente ai tecnici di trovare e indagare più facilmente sulla causa all'origine degli errori basati sulla memoria.

Sfortunatamente è solo una questione di tempo prima che lo storage flash del rover smetta di funzionare del tutto. Ma fino ad allora, Curiosity continua a lavorare come l'unico rover operativo attualmente presente sulla superficie di Marte, inviando sulla Terra foto straordinarie come questa

Sezione bonus: sistema operativo

Per i patiti di tecnica: un altro aspetto interessante del rover marziano è il sistema operativo (OS) del computer. Quando costruisci un rover per Marte, non è sufficiente utilizzare semplicemente Windows o Mac OS, a causa dei requisiti esclusivi delle operazioni del veicolo spaziale. Piuttosto, la maggior parte dei rover marziani utilizza un tipo proprietario di sistema operativo real-time integrato (RTOS) chiamato VxWorks, che è utilizzato soprattutto nelle applicazioni per lo spazio e per la difesa/militari.

Un sistema RTOS è specificatamente ideato per assegnare delle priorità a performance e affidabilità. Più semplicemente, funziona eseguendo un'attività in meno tempo rispetto al tempo necessario per avviare un'altra attività (dello stesso tipo). VxWorks è anche un RTOS ‘hard’, il che significa che è utilizzabile con applicazioni time-critical, per cui è obbligatorio che un'attività di calcolo sia sempre completata in tempo e senza errori.

Per esempio, se il rover marziano è stato istruito a guidare in una determinata direzione per poi cambiare rotta dopo un certo periodo di tempo (o distanza), è essenziale che ogni azione o attività sia completata dal computer in tempo, per evitare che il rover si allontani dal suo percorso predefinito e incontri terreno non sicuro che potrebbe mettere in pericolo il veicolo spaziale.

Per contro, il tuo computer Windows o Mac o il tuo dispositivo mobile medio avrà un cosiddetto RTOS "soft", per cui qualsiasi attività avviata facendo clic o mediante touch verrà elaborata, ma il tempo impiegato non è un fattore determinante. Ad esempio, quando apri un documento o un'app, non è essenziale che debba essere aperto entro un intervallo di tempo prestabilito e il sistema operativo sul tuo telefono o computer potrebbe consentire un caricamento più lungo per dare priorità ad altro.

Probabilmente non ti accorgeresti che un selfie impiega una frazione di secondo in più per essere caricato sul tuo telefono, ma un ritardo di elaborazione su un rover potrebbe creare un problema più grande e mettere a repentaglio l'intera missione! In parole povere, usando VxWorks, i rover marziani come Curiosity sono in grado di eseguire più attività contemporaneamente con un'allocazione di memoria condivisa, con la certezza che tutte le attività saranno completate nei tempi stabiliti.

I rover del futuro

Il rover Mars 2020 sarà il prossimo a essere lanciato e si prevede che avrà lo stesso hardware e la stessa capacità di data storage di Curiosity. Non sono richieste grandi quantità di data storage e potenza di calcolo per gli scopi delle attuali missioni su Marte. Piuttosto, la NASA si attiene alla formula provata e testata con Curiosity, favorendo in definitiva l'affidabilità rispetto a tutto il resto.

Altra informazioni interessanti: il rover Mars 2020 sarà il primo a essere dotato di microfoni, il che gli consentirà di registrare i suoni dell'ambiente marziano. Il rover archivierà i file audio nella sua memoria flash e trasmetterà i dati alla Terra, così che potremo anche sentire i suoni provenienti dalla superficie del Pianeta Rosso. Se David Bowie fosse ancora qui, potremmo scommettere che ne avrebbe inserito un campione in una delle sue canzoni!

Concludiamo la nostra analisi delle tecnologie di data storage sui rover marziani e sul modo in cui è possibile archiviare con successo i dati su Marte. Ci auguriamo che tu possa aver compreso meglio come funzionano queste tecnologie e come si differenziano dai nostri soliti dispositivi di calcolo utilizzati sulla Terra. Potrebbe passare molto tempo prima che gli uomini possano mettere piede su Marte, ma i rover come Curiosity stanno già espandendo le nostre conoscenze riguardo l'utilizzo della tecnologia operativa su un altro pianeta e delle infinite sfide in gioco.

Se vuoi saperne di più riguardo i rover marziani, ti consigliamo di consultare le seguenti risorse:

• NASA: Mars Curiosity Overview
• CppCon 2014: C++ on Mars: Incorporating C++ into Mars Rover Flight Software
• Chaos Computer Club 2018: 35C3 - The Mars Rover On-board Computer
• Scott Manley: NASA Stops Trying to Wake Mars Opportunity After It Remains Silent