Como funciona o armazenamento de dados em Marte?

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O armazenamento de dados em Marte e no espaço sideral não é uma tarefa fácil! Há muitas diferenças entre recuperar dados de HD Rio de Janeiro, ou usar PCs na Terra e operá-los noutro mundo, ou simplesmente no espaço em geral.

Felizmente, alguns amigos de 6 rodas têm-nos ajudado a compreender como tudo isto funciona. Por isso, apertem o cinto e juntem-se a nós enquanto descobrimos como armazenar dados sobre Marte, fazendo hoje uma viagem à vida rover na área marciana.

Tipos de rover marcianos

Vamos começar com um pouco de história. Até agora, houve 4 famosas missões rover da NASA a Marte. O mais pequeno rover é Sojourner (1997), o rover de tamanho médio é o design Spirit/Opportunity (2004) e o rover mais enorme é Curiosity (2011).

A possibilidade fez manchetes recentemente quando a NASA finalmente perdeu o contato com o rover após 15 anos: RIP! O seu irmão rover, Spirit, ficou encalhado na areia em Março de 2010.

A Curiosity é o último rover sobrevivente em Marte e tem aproximadamente o tamanho de um pequeno carro – chegou em Agosto de 2012 e está operando desde 2019!

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Meios de armazenamento de dados em Marte

Qualquer hardware de PC utilizado no espaço deve ser robusto e tolerante ao voo para sobreviver à ascensão da Terra e viajar através do vácuo do espaço. Para os rovers de Marte, também precisa de sobreviver ao downlink, aterragem e operações do dia-a-dia quando chega a Marte.

Por exemplo, as unidades de disco rígido (HDD) não funcionam no vácuo do espaço, porque precisam de ar para funcionar corretamente. É possível utilizar recipientes selados e pressurizados para transportar discos rígidos para sistemas e experiências no espaço (como na Estação Espacial Universal ou nos vaivéns espaciais), no entanto, isto acrescenta dificuldade e um maior perigo de falha.

Os sistemas de Carretel de fita magnética foram também utilizados nos vaivéns espaciais como dispositivos de armazenamento de dados para executar várias funções informáticas. A propósito, muitas das primeiras missões interplanetárias utilizaram meios de fita magnética para armazenar dados, tais como as sondas Galileo (1989) e Magellan (1989), que foram enviadas para Júpiter e Vénus, respectivamente.

Contudo, o problema com a fita é que ocupa muito espaço; foram utilizados quase 2 km de fita magnética nestas primeiras naves espaciais para fazer uma capacidade de armazenamento de dados de apenas 2 GB!

Então e as unidades de estado sólido (SSD)? Bem, na verdade, já houve muitas missões espaciais que utilizaram SSD anteriormente, incluindo Mars Universal Surveyor (1996), Cassini (1997) e New Horizons (2006).

Descubra o melhor local para recuperar dados de SSD Rio de Janeiro. As SSD são compactas, de concepção robusta, e não têm as desvantagens dos HDD e dos Carretéis de fita magnética. Além disso, têm um melhor desempenho global, o que significa que as SSDs se destacam como a escolha sensata para o armazenamento de dados em naves espaciais interplanetárias modernas.

Armazenamento de dados em Marte

Assim, os SSDs parecem ser o armazenamento de escolha, mas isso é apenas o começo! Um dos maiores desafios do armazenamento de dados em Marte são as duras condições ambientais, tanto na área como quando se viaja pelo espaço para lá chegar. Felizmente, não há água corrente em Marte, pelo que não há probabilidade de danos causados pela água nos rovers. No entanto, o controle da temperatura é uma área bastante fundamental a considerar.

A maioria dos dispositivos modernos de armazenamento de dados vão ter um conjunto de condições ótimas nas quais foram criados para funcionar. A título de exemplo, o SSD que você tem em casa é fabricado para funcionar normalmente numa gama de temperaturas entre -40 ⁰C e +85 ⁰C.

Claro, isto é bom para o seu computador ou computador portátil aqui na Terra, mas e em Marte? Bem, a temperatura em Marte varia desde -125 graus Celsius no inverno Marciano até 22 graus Celsius no verão, dependendo da localização, o que é uma enorme diferença de temperatura em relação ao que experimentamos na Terra! A viagem para chegar a Marte também é inconveniente, porque as temperaturas no espaço têm o potencial de se alterar de -273 ⁰C nas áreas mais frias para 120 ⁰C quando uma nave espacial está no lado ensolarado.

Para manter tudo seguro a bordo dos rovers, a NASA utiliza um sistema de controle térmico dedicado, juntamente com uma pluralidade de radiadores e aquecedores, para regular a temperatura das partes internas do rover, tanto ao viajar para Marte como ao viajar para a Lua.

Lembre-se de usar um deflector solar

Contudo, para além da temperatura, a radiação é o outro risco primário que qualquer rover de Marte ou nave espacial teria de superar. Para além da utilização de CPUs resistentes à radiação, isto também se estende aos próprios dispositivos de armazenamento de dados.

Os SSDs NAND flash utilizados nos rovers de Marte são tolerantes à radiação, mas não são totalmente imunes, pelo que é essencial assegurar que são utilizadas diferentes técnicas para defender os SSDs de danos. Exemplos disto incluem uma protecção adequada do corpo móvel onde a eletrónica está alojada, mais uma porção suficiente de redundância e detecção de erros utilizada com memória flash.

A propósito, o alocador de memória do Curiosity Rover tem a sua própria funcionalidade de diagnóstico, que produz um mapa de toda a utilização de memória e rastreia quaisquer problemas. Se houver fugas de memória devido à degradação, os acessórios da NASA podem resolver o problema. Mais sobre isso mais tarde!

Comparação de sistemas informáticos

Aqui na Terra, temos o luxo de sistemas informáticos com vários Terabytes de espaço em disco rígido e RAM. Contudo, os sistemas para os rovers de Marte apenas precisam de ser suficientemente poderosos para executarem os seus comandos específicos de missão, pelo que simplesmente não requerem porções monumentais de espaço de armazenamento e potência computacional.

Desde que o processo de concepção do Spirit e do Opportunity rovers começou em 2000, o armazenamento de dados utilizado limitou-se também à tecnologia disponível na altura. Vamos ficar técnicos durante algum tempo e mostrar uma comparação instantânea da potência computacional e das tecnologias de armazenamento de dados utilizadas na frota de rover da NASA a partir de 1997:

RoverCPURAMEEPROMFlash memory
Sojourner – 19972 MHz Intel 80C85512KBNone176KB
Spirit/Opportunity – 2004 (Mars Exploration Rover)20 MHz RAD6000128MB3MB256MB
Curiosity – 2011 (Mars Science Laboratory)200 Mhz RAD 750256MB256KB2GB

Fato engraçado: o Curiosity Rover utiliza o chip CPU RAD750, que custa cerca de 200.000 dólares cada! Estes chips fazem parte do familiar núcleo PowerPC 750 e baseiam-se nos mesmos chips que foram utilizados no Apple PowerBook G3, iBook e numerosos outros Macs de meados da década de 1990.

Para além do seu armazenamento primário no PC, a Curiosity tem também um dispositivo de armazenamento de flash de 8 GB separado para todos os seus 2 mastros de câmaras frontais. É muito espaço de armazenamento para tirar muitas fotos e videos da paisagem marciana!

Ter continuamente uma réplica de estabilidade

Tanto o Curiosity como o Spirit/Opportunity rovers usaram RAM com detecção e correcção de erros, no entanto, o Curiosity é diferente dos outros rovers marcianos porque é o único a ter 2 PCs idênticos a bordo. Apenas um PC é utilizado para operar o rover num determinado momento, deixando o segundo PC redundante disponível como backup no caso de algo correr mal.

Tudo bem, porque quando se está a 140 milhões de milhas (em média) não é possível visitar Marte com a sua caixa de ferramentas, e a Metadados HD não tem um laboratório de recuperação de dados em Marte… pelo menos não nesse instante.

Uma vez que o rover tenha deixado a Terra, a única forma de resolver os problemas é remotamente através da comunicação por satélite, o que significa que quaisquer problemas físicos com o rover são muitas vezes impossíveis de resolver. Consequentemente, os engenheiros têm de treinar com antecedência para cada eventualidade e simplesmente confiar em correções lógicas para contornar quaisquer problemas.

Lidar com a falha da memória flash

Como qualquer tipo de dispositivo de armazenamento de dados, falhará em algum momento (e no espaço!). Por exemplo, as SSDs só têm um número limitado de vezes que têm a oportunidade de escrever antes de começarem a se degradar. Uma vez que a memória flash é utilizada em todos os sistemas informáticos da Mars rover, é realmente apenas uma questão de tempo até a sua memória se degradar completamente, tornando o rover totalmente inoperacional.

Em 2011, Opportunity começou a experimentar erros ao escrever na sua memória flash, e o rover experimentou eventos de ‘amnésia’ que resultaram na perda de dados. A NASA acabou por conseguir detectar o problema depois de este ter continuado a ocorrer em 2014; um dos bancos de memória flash tinha começado a se degradar, o que significava que por vezes a Opportunity não podia aceder à sua memória flash não volátil para guardar dados. Uma vez que isto aconteceu, o rover guardava automaticamente os dados na RAM volátil, que era depois apagada quando o rover se desligava todas as noites.

Várias tentativas falhadas de entrar na memória flash fizeram com que o Opportunity continuasse a reiniciar, o que interrompeu sequências inteiras de comandos e avisos enviados por equipamento na Terra, tornando o rover bastante difícil de operar. Foi isso que a NASA mencionou sobre a questão em 2014:

“Com os consequentes inconvenientes da memória Flash no rover, o plano optou por operar o rover sem utilizar o sistema de armazenamento não volátil Flash e, em vez disso, confiar na memória volátil de acesso aleatório (RAM) para armazenamento temporário de telemetria ou dados do rover …”. A longo prazo, o plano irá implementar um plano para mascarar a área problemática Flash e retomar a utilização do resto do sistema de ficheiros Flash para operações normais”.

Ao formatar e reprogramar remotamente a memória flash, as equipes foram capazes de contornar o banco de memória avariado para fazer o sistema de armazenamento de dados flash voltar a funcionar, embora com menos capacidade do que anteriormente. Sucesso!

Mais inconvenientes de memória

Calamitosamente, esta pode não ser a última vez que um rover Mars rover experimentou um fracasso relacionado com a memória. Mais recentemente, o Curiosity Rover também teve problemas com a sua memória flash que precisavam de ser corrigidos. No entanto, como mencionado acima, a Curiosidade estava equipada com 2 peças idênticas, de modo a poder avançar em caso de problemas.

Esta previsão terminou imensamente em 2013, quando o equipamento da NASA foi obrigado a modificar o PC “backup” redundante da Curiosity, porque o PC principal estava a sofrer uma falha significava que o rover não podia ser controlado corretamente e as baterias ficavam sem energia. A NASA abordou o problema da mesma forma que fixou o Opportunity; a parte defeituosa da memória foi identificada e colocada em quarentena para que o PC pudesse ser colocado de novo em uso adequado. Isto mais uma vez significa que alguma capacidade de armazenamento foi perdida no processo.

Então, em Setembro de 2018, uma falha semelhante no outro PC anteriormente saudável significava que os dados científicos e de engenharia já não podiam ser armazenados corretamente. Como solução temporária, o rover foi mudado novamente para o mesmo PC que tinha um problema cinco anos antes e, por acaso, os engenheiros ainda estão a tentar diagnosticar o que correu mal e como corrigi-lo.

Fato engraçado: uma vez enviados os dados da Curiosity de volta à Terra para estudo, é incluída uma lixeira do mapa da memória flash. Em outras palavras, se surgir algum problema de memória, um “rasto de papel” tem sido mantido a todo o momento. Esta rastreabilidade permite que os engenheiros encontrem e investiguem mais facilmente a causa raiz das falhas baseadas na memória.

Infelizmente, é apenas uma questão de tempo até que o armazenamento flash do rover falhe completamente. Mas até agora, a Curiosity continua a ser o único rover operacional atualmente existente na área marciana, enviando de volta fotografias incríveis.

Traduzido e adaptado de: https://www.ontrack.com/en-us/blog/how-to-store-data-on-mars

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