Pamięć Flash w aplikacjach kosmicznych. Trwałość i bezpieczeństwo danych

Stosowane powszechnie w komputerach nośniki pamięci służą zapisywaniu programów i przechowywaniu danych. Tego rodzaju pamięci dzielą się na dwa podstawowe typy: ulotne oraz nieulotne (trwałe).

Pamięci ulotne

Do pamięci ulotnych zaliczają się na przykład te reprezentujące technologie SRAM czy SDRAM. Przykładem tego rodzaju pamięci, wykorzystywanej chociażby w komputerach osobistych, jest pamięć operacyjna. Najbardziej podstawową cechą pamięci ulotnej jest to, że dla swojego działania potrzebuje ona ciągłego zasilania energią elektryczną. W momencie odłączenia zasilania wszystkie dane z takiej pamięci znikają. Co za tym idzie, pamięci ulotne cechują się generalnie większym poborem mocy niż pamięci nieulotne.

Należy jeszcze dodać, że nie ma tutaj określonego limitu liczby cykli nagrywania i kasowania danych, po którym taka pamięć ulegałaby zużyciu. Pamięci ulotne cechuje również prostsze niż w przypadku pamięci trwałych zarządzanie przepływem danych oraz mniejsza niż w przypadku tych drugich pojemność nośnika pamięci przypadająca na jednostkę objętości.

Pamięci nieulotne

Główną zaletą pamięci nieulotnych jest fakt, że zmagazynowane na nich dane nie ulegają skasowaniu wraz z odcięciem dostępu energii elektrycznej do nośnika pamięci. W związku z tym mogą potrzebować tej energii istotnie mniej. Przykładem takiej pamięci są karty pamięci, na przykład te działające w standardzie Secure Digital bądź Memory Stick. Charakteryzuje je to, że nośniki o dużej pojemności mogą mieścić się w małej objętości. W stosunku do pamięci ulotnych dużo bardziej skomplikowany jest tutaj sposób zarządzania danymi.

Przykład pamięci nieulotnej stanowi pamięć Flash, będąca następcą pamięci EPROM. Tego typu pamięć ma ograniczoną żywotność, jej komórki ulegają zużyciu. Zwykle można na nich wykonać do 100 tys. operacji zapisu/kasowania.

W przestrzeni kosmicznej

Pamięci masowe tworzone pod kątem pracy w surowych warunkach kosmicznych muszą rzecz jasna cechować się szczególną wytrzymałością. Wskazana jest tu między innymi zdolność do pracy w skrajnych temperaturach. Dodatkowo, nośnik takiej pamięci pracujący na pokładzie statku kosmicznego musi być zabezpieczony przed szkodliwym dla elektroniki działaniem promieniowania kosmicznego.   

Sprzedaż nośników pamięci Flash stale się rozwija. Znajdują one coraz szersze zastosowanie również w sektorze kosmicznym. W kontekście rozwoju swoich programów kosmicznych Europa będzie potrzebować tego typu pamięci masowych dla swoich licznych satelitów.

Weźmy choćby przykład programu obserwacji Ziemi Copernicus Komisji Europejskiej. Na jego dalszy rozwój zostało niedawno przeznaczone kolejne 96 mln euro. Operujące w ramach programu Copernicus satelity Sentinel nieustannie gromadzą ogromne ilości danych pochodzących z obserwacji planety, które to dane są następnie przesyłane na Ziemię. Wykorzystuje się je bardzo szeroko w administracji, rolnictwie czy zarządzaniu kryzysowym.

Pamięć masowa może też znajdować niezwykle istotne zastosowanie w misjach naukowych ESA, kiedy to dedykowane sondy kosmiczne gromadzą informacje o egzoplanetach czy gwiazdach Drogi Mlecznej. Przykładem misji poświęconej temu ostatniemu celowi jest Gaia. Realizująca ją sonda sporządza dokładną trójwymiarową mapę naszej Galaktyki. Na pokładzie sondy Gaia znajduje się jednostka pamięci masowej (ang. Payload Data Handling Unit (PDHU)), od szwajcarskiej firmy SYDERAL. Zadaniem jednostki PDHU jest przetwarzanie pozyskiwanych danych, m.in. ich sortowanie, a następnie zapisywanie w pamięci wykonanej w technologii SDRAM. Mamy tu więc do czynienia z pamięcią ulotną.

Wszystko wskazuje natomiast na to, że przyszłością misji kosmicznych jest jednak wykorzystanie pamięci nieulotnych typu Flash. Przemawia za tym przede wszystkim większe bezpieczeństwo gromadzonych danych i brak ryzyka ich utraty na skutek przerwy w zasilaniu nośnika pamięci. Nie bez znaczenia jest również możliwość zmieszczenia nośnika pamięci o większej pojemności w mniejszej objętości oraz mniejsze zapotrzebowanie pamięci Flash na energię elektryczną. Wyzwaniem pozostaje natomiast w tym przypadku bardziej złożone sterowanie tego typu pamięcią polegające na kontroli równomiernego zużycia bloków pamięci, detekcji uszkodzonych obszarów pamięci, czy też zaimplementowanie kodowania korekcyjnego.

Patrząc z szerokiej rynkowej perspektywy jasnym jest, że popyt na wytrzymałe i niezawodne nośniki pamięci dla misji kosmicznych będzie rósł. Jak już powyżej nakreślono, będzie to widoczne szczególnie przy realizacji coraz bardziej złożonych misji naukowych oraz pośród gromadzących ogromne ilości danych satelitów obserwacji Ziemi. Tą ostatnią dziedziną zajmuje się, obok samej Unii Europejskiej, coraz więcej firm prywatnych, jak choćby Planet, ICEYE, Spire Global, DigitalGlobe, UrtheCast czy Airbus Defence & Space. Z kolei niedawny przykład na to, jak ważna może być odpowiednia pamięć w sondzie kosmicznej, pochodzi z misji NASA New Horizons. Dnia 1 stycznia 2019 r. sonda ta minęła odległą planetoidę z pasa Kuipera, a w drugiej połowie tego miesiąca New Horizons przesłała na Ziemię dobrej jakości zdjęcie odwiedzonego obiektu. Obraz ten wcześniej został skompresowany, sformatowany i zapisany właśnie w pamięci typu Flash.

Nisza dla polskiego gracza

Zastosowanie w misjach kosmicznych pamięci masowych typu Flash wciąż jest nowym trendem. W Europie zajmuje się tym bardzo nieliczna grupa przedsiębiorstw. W gronie tych firm na europejskim rynku jest jeszcze miejsce dla kolejnego podmiotu.

W zaistniałej sytuacji owo miejsce skutecznie stara się zagospodarować SYDERAL Polska. To firma dostarczająca rozwiązania z zakresu elektroniki i oprogramowania dla przemysłu kosmicznego. Jej misją jest dostarczanie wysokiej jakości produktów oraz otwartość na nowe rozwiązania w branży inżynierii kosmicznej.

Przedsiębiorstwo SYDERAL Polska zdobyło w ramach ESA PLIIS (Polish Industry Incentive Scheme) kontrakt ESA na opracowanie projektu urządzenia „Controller for Flash Mass Memory (FMM)”. Realizacja zadania rozpoczęła się w styczniu 2019 r. i zakończy się w pierwszej połowie roku 2020.

W ramach projektu przedsiębiorstwo koncentruje się na rozwinięciu takiego modułu pamięci, który będzie mógł stanowić podstawę dla rozwiązań opracowywanych pod kątem przyszłych misji kosmicznych. Z takiej podstawy będzie można skorzystać przy budowie pamięci masowych oraz modułów pamięci zintegrowanych bądź to bezpośrednio z komputerem pokładowym statku kosmicznego bądź z konkretnym instrumentem na pokładzie takiego statku.

W ramach projektu dotyczącego kontrolera FMM dla ESA chodzi o:

• zaprojektowanie architektury o skalowalnej pojemności pamięci;
• opracowanie kontrolera do pamięci Flash (FPGA);
• implementację zabezpieczenia danych.

Cele te będą zrealizowane poprzez zaprojektowanie, skonstruowanie i integrację oraz przeprowadzenie testów modelu demonstracyjnego. Rozwiązanie ma osiągnąć poziom gotowości technologicznej TRL-4, co oznacza że „działanie komponentu technologii lub jej podstawowych podsystemów zostało sprawdzone w warunkach laboratoryjnych”.

Docelowo, produkcja kontrolera będzie odbywać się w Polsce, przy zaangażowaniu krajowego partnera. Praca nad rozwojem tego komponentu przyczyni się do rozwijania nad Wisłą ważnej, innowacyjnej technologii, która znajdzie zastosowanie nie tylko w sektorze kosmicznym.

Przyszłość

SYDERAL Polska ubiega się również w ESA o kolejny kontrakt w ramach PLIIS. Tym razem chodzi o zadanie „Scalable Mass Memory Module”, co byłoby de facto kontynuacją obecnie realizowanego projektu.

O nowy kontrakt firma stara się jako członek konsorcjum, które stworzyła specjalnie do tego celu wspólnie z niemieckim OHB System. Wstępne wymagania, zawarte we wspólnej ofercie obu podmiotów dla ESA, zostały opracowane na podstawie doświadczeń nabytych przy realizacji misji obserwacji Ziemi prowadzonych przez OHB. Dzięki temu proponowane przez konsorcjum rozwiązanie będzie odpowiednio dopasowane do potrzeb rynku satelitów w najbliższych latach.

Już przy obecnie realizowanym projekcie FMM SYDERAL Polska dąży do dopasowania tworzonego systemu pod kątem wymagań otrzymanych od OHB. W ten sposób polskie przedsiębiorstwo może osiągnąć dla swoich podzespołów pełną zgodność z technologicznymi  oczekiwaniami głównych wykonawców (ang. primes) systemów satelitarnych na europejskim rynku. To daje podstawy do obustronnej dobrej współpracy i niezagrożonej kontynuacji rozwoju nośników pamięci masowej Flash dla zastosowań kosmicznych. 

Tekst powstał we współpracy z SYDERAL Polska.