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Comment stocker des données sur Mars ?

Le stockage des données dans l’espace, ce n’est pas une promenade de santé ! Il y’a énormément de différences entre l’utilisation d’un ordinateur sur Terre, et le fait de les contrôler sur une autre planète, ou dans l’espace d’une façon générale.

Par chance, nous avons de petits amis à 6 roues qui nous ont aidé à comprendre comment ça marche. Alors attachez vos ceintures et découvrez comment sont stockées les données sur Mars, en voyageant avec ce petit robot actuellement sur le territoire Martien !

Les différents types de Rovers

Commençons par un peu d’histoire. Jusque-là, il y’a eu 4 missions Rovers de la NASA sur Mars, qui ont porté leurs fruits. Comme vous pouvez le voir sur cette photo, le plus petit rover devant, se nomme Sojourner (1997), celui de taille intermédiaire, à gauche, c’est Spirit / Opportunity et enfin, le plus grand à droite, c’est Curiosity (2011).

Image credit: NASA/JPL-Caltech

Opportunity a fait parler de lui dernièrement lorsque la NASA a perdu contact avec lui, après 15 ans de durs et loyaux services. Sa sœur, Spirit, s’est échouée dans cette mer de sable en mars 2010. Curiosity est le dernier survivant sur Mars, et fait la taille d’une petite voiture. Il est arrivé en août 2012 et… aujourd’hui en 2019, il fonctionne encore !

Choisir le bon support de stockage.

Tout périphérique informatique utilisé dans l’espace doit être robuste et résister au vol, afin de survivre à son ascension et à son voyage dans les confins de l’espace. Pour le Mars rover, il doit également survire à la descente, l’atterrissage et aux opérations journalières une fois qu’il a atterri sur Mars.

En dehors du fait qu’il faille s’assurer que le média de stockage puisse supporter les vibrations liées au décollage et atterrissage, il y’a d’autres facteurs à prendre en compte.

Par exemple, les disques dur (HDDs) ne fonctionnent pas dans le vide spatial, étant donné qu’ils ont besoin d’air pour fonctionner. Il est possible d’utiliser des conteneurs pressurisés et scellés pour faire fonctionner les disques dur (comme sur la Station Spatiale Internationale ou les navettes spatiales), cependant cela ajoute complexité et risques d’échecs. 

Des bandes magnétiques ont également été utilisées sur des navettes spatiales en tant que moyen de stockage pour réaliser diverses fonctions informatiques . En réalité, de nombreuses missions interplanétaires ont été réalisées avec une bande magnétique afin de stocker les données , comme les sondes Galileo (1989) et Magellan (1989), qui ont été envoyées respectivement sur Jupiter et sur Vénus. Le problème avec ces bandes, c’est qu’elles prennent beaucoup “d’espace”; près de 2km de bande magnétique ont été utilisé sur ces engins spatiaux afin d’atteindre une capacité de juste 2GB !  

Qu’en est-il des SSD ? Il y’a eu de nombreuses missions spatiales qui ont utilisé des SSD avant, comme le Mars Global Surveyor (1996), Cassini (1997) et New Horizons (2006). Les SSD sont compact, robustes et ne présentent pas les désavantages des disques dur ou bandes magnétiques.

De plus, ils ont de meilleures performances, ce qui signifie que les SSD représentent la meilleure option pour le stockage de données sur engins spatiaux interplanétaires.

Stocker des données sur Mars

Les SSD semblent être un outil de stockage de choix, mais ce n’est que le début ! Un des principaux challenges du stockage de données sur Mars, c’est l’environnement, aussi bien sur la planète que dans l’espace. Comme il n’y a pas d’eau coulant sur Mars,  le rovers ne risque pas de souffrir de dégats des eaux ! Cependant, les températures sont à prendre en compte.

La plupart des moyens de stockages ont une fourchette de condition optimale d’utilisation dans lesquels ils sont censés fonctionner. Par exemple, votre SSD est fait pour fonctionner normalement entre -40°C et +85°C. Clairement, c’est correct pour votre ordinateur sur Terre, mais sur Mars ? La température moyenne sur Mars tourne autour de -63°C, fluctuant entre -140°C la nuit et +20°C le jour selon le lieu. Sacrée différence de température!

Le voyage jusqu’à mars pose également problème. En effet les températures dans l’espace varient de -273°C en région froide à 120°C lorsque le vaisseau est côté soleil. Afin de préserver les composants du Rover, la NASA utilise un système de contrôle de température spécial, composé d’un assortiment de radiateurs et chauffages, afin de réguler la température des composants du Rovers, lors du voyage.  

N’oubliez pas la crème solaire !

Toutefois, en dehors des températures, les radiations sont un danger que tout engin martien doit surmonter. Les processeurs du Rover sont résistants aux radiations, tout comme ses médias de stockage. 

Cependant si le SSD flash NAND est tolérant aux radiations, il n’y est pas totalement immunisé, il est donc important d’utiliser différentes techniques afin de protéger le SSD. Par exemple, un blindage au niveau de l’endroit où sont stockés les composants électriques. Le Rover possède même un système de sécurité utilisé avec la mémoire flash.

D’ailleurs, le système de mémoire de Curiosity possède un autodiagnostic, générant une « map » de ses cartes mémoires indiquant les problèmes. S’il y’a un dysfonctionnement lié à une dégradation, la NASA peut le résoudre. Nous y reviendrons plus tard !  

Comparaison du système informatique.

Sur Terre, nous avons le luxe de jouir de systèmes informatiques composés de nombreux Térabytes d’espace de disque dur et de RAM. Toutefois, le système du Mars Rover doit être suffisamment puissant pour exécuter les commandes spécifiques à sa mission. Ainsi, il n’a pas besoin d’un grand espace de stockage, ni de puissance.

Etant donné que Spirit et Opportunity ont été créés dans les années 2000, les moyens de stockage étaient limités par les avancées technologiques disponibles. Soyons technique un moment avec une rapide comparaison de la puissance des composants informatiques et moyens de stockage utilisés par la NASA sur Mars depuis 1997 :

Rover

CPU

RAM

EEPROM

Flash memory

Sojourner – 1997

2 MHz Intel 80C85

512KB

None

176KB

Spirit/Opportunity – 2004

(Rover d’exploration pour Mars)

20 MHz RAD6000

128MB

3MB

256MB

Curiosity – 2011

(Laboratoire scientifique Mars)

200 Mhz RAD 750

256MB

256KB

2GB

Fun fact: Curiosity utilise un processeur résistant aux radiations, le RAD750, qui coûte près de 200 000 $ l’unité! Ces composants faisaient partie de la gamme PowerPC 750 et sont basés sur les composants utilisés pour l’Apple PowerBook G3, iBook et d’autre modèles Macs du milieu des années 90 !

En plus de son système de stockage principal, Curiosity possède un dispositif de mémoire flash séparé – 8 GB – pour ses deux caméras avant. Il y’a plein d’espace disponible pour prendre des photos et vidéos du paysage Martien!  

Toujours avoir un backup

Curiosity, Spirit et Opportunity ont utilisé leurs RAM pour détecter des erreurs et les corriger. Cependant, Curiosity est différent des autres Rovers martiens, c’est le seul qui possède 2 ordinateurs identiques à bord. Seul un ordinateur est utilisé pour commander le Rover, le second est disponible en tant que backup, au cas où quelque chose arrive.

Ce n’est pas comme si nous pouvions traverser 225 millions de kilomètres avec une boîte à outils, et Ontrack ne dispose pas d’un laboratoire de récupération de données sur Mars… pour l’instant! 😉

Une fois que le Rover a quitté la Terre, la seule façon de régler les dysfonctionnements, c’est via communication satellite, ce qui signifie que tout problème physique est impossible à résoudre. Ainsi, les ingénieurs doivent donc se préparer à toute éventualité en avance et s’appuyer sur des solutions informatiques pour résoudre les problèmes.

Echec

Comme tout type de support de stockage, à un moment donné, il va lâcher. Par exemple, les SSD ne disposent que d’un certain nombre d’écritures avant de commencer à se dégrader.

Comme le Rover utilise une mémoire flash, ce n’est vraiment qu’une question de temps avant que la mémoire ne s’efface complètement, rendant le Rover hors-service.

En 2011, Opportunity a commencé à rencontrer des erreurs lors de l’écriture sur sa mémoire flash, le Rover a alors perdu quelques données. La NASA a cependant été capable de résoudre le problème, après que l’évènement resurgisse en 2014 ; une banque mémoire flash a commencé à se dégrader, ainsi à quelques occasions Opportunity ne pouvais pas accéder à sa mémoire flash non volatile pour stocker des informations. Quand cela arrivait, le Rover sauvegardait automatiquement les données sur la RAM volatile, qui s’effaçait chaque nuit lors de l’extinction du Rover.

De nombreuses tentatives d’accès à la mémoire flash ont entraîné de nombreux reboot d’Opportunity, ce qui a désordonné toute une section de commandes et instructions envoyées par l’équipe depuis la Terre, rendant le Rover difficile à contrôler… Voici ce que la NASA a déclaré sur ce problème en 2014:

« En raison des problèmes de mémoire Flash persistants sur le Rover, le projet a choisi d’utiliser le rover sans utiliser le système de stockage Flash non volatile et de s’appuyer sur la mémoire vive volatile (RAM) pour le stockage temporaire des données de télémesure ou du Rover. A plus long terme, le projet mettra en œuvre une stratégie visant à masquer le secteur perturbé de Flash et à reprendre l’utilisation du reste du système de fichiers Flash en fonctionnement normal. »

En reformatant et reprogrammant la mémoire flash, l’équipe a en effet été capable de contourner la banque de mémoire défectueuse afin d’accéder au backup du système de mémoire flash pour le redémarrer, bien qu’avec moins de capacité qu’avant. Mission accomplie!

De nouveaux problèmes de mémoire

En tout cas, ce n’était pas la dernière fois qu’un Mars Rover rencontrerait un problème de mémoire. Plus récemment, Curiosity a rencontré des problèmes avec sa mémoire flash qui nécessitait des réajustements. Cependant, comme mentionné plus tôt, Curiosity a deux ordinateurs, il peut ainsi poursuivre sa mission en cas de problème.  

Cet éclat de génie a prouvé son efficacité en 2013, lorsque l’équipe de la NASA a du échanger l’ordinateur principal et l’ordinateur « backup », étant donné que l’ordinateur principal rencontrait une erreur qui faisait que le Rover ne pouvait pas être contrôlé correctement. La NASA a résolu le problème d’une façon similaire à celle dont ils traité le problème d’Opportunity ; la mauvaise section de la mémoire a été identifiée et mise en quarantaine afin que l’ordinateur puisse être réutilisé. Toutefois une partie de la mémoire a été perdue dans l’opération. 

Puis, en septembre 2018 une erreur similaire sur le nouvel ordinateur (de secours) a fait que les données n’étaient pas enregistrées correctement. Le Rover a donc du rééchanger vers son ancien ordinateur principal, lequel rencontrait des problèmes 5 ans auparavant. Pendant ce temps les ingénieurs essayaient de diagnostiquer le problème et de le résoudre.

Fun fact : lorsque les données de Curiosity ont été transmises vers la Terre pour analyse, un morceau de la mémoire flash a été transmis. Ainsi malgré les problèmes de mémoire, une  » trace écrite  » a été conservée tout au long du processus. Cette trace a permis de déterminer la cause des dysfonctionnements de la mémoire, rendant l’analyse plus simple pour les ingénieurs.

Malheureusement, ce n’est qu’une question de temps avant que la mémoire flash du Rover ne rende l’âme. Mais jusqu’à présent, Curiosity continue d’être le seul Rover opérationnel actuellement sur Mars, nous envoyant d’incroyables photos comme celle-ci :

Curiosity prenant un « selfie » en Sol 2082 (15th June 2018). Image credit: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Section bonus: Système d’exploitation

Pour les technophiles qui nous lisent, un autre aspect intéressant du Mars Rover est son système d’exploitation. Lorsque vous construisez un rover, il ne suffit pas de mettre Windows ou Mac OS. Au lieu de cela, la plupart des Mars Rovers utilisent un système d’exploitation temps réel breveté (RTOS pour Real Time Operating System) appelé VxWorks, qui est utilisé à la base pour le domaine spatial et miliaire.

Un RTOS est fait prioriser la performance et la fiabilité. En bref, il fonctionne en réalisant une tâche en moins de temps qu’il en faut pour en démarrer une autre du même type.

VxWorks est également un « hard » RTOS, ce qui signifie qu’il est utilisable pour les applications où il est vital pour l’ordinateur de réaliser une tâche rapidement et sans échouer.

Par exemple, si le Mars Rover doit aller dans une certaine direction, puis changer de direction après une certaine période de temps (ou une certaine distance), il est impératif que chaque action ou tâche soit complétée à temps, afin d’éviter que le Rover ne change sa course et atterrisse en territoire dangereux qui pourrait l’endommager. 

Pour comparer, votre ordinateur / téléphone Windows ou Mac possède ce qu’on appelle un « soft » RTOS. Cela signifie que chaque tâche demandée est traitée, mais le temps pris n’est pas un facteur clé. Par exemple, lorsque vous ouvrez un document ou une application, ce n’est pas essentiel de l’ouvrir en un certain temps, et le système d’exploitation sur votre téléphone ou ordinateur peut l’autoriser à prendre un peu plus de temps à charger afin de prioriser autre chose.

Vous n’allez sûrement pas remarquer un selfie qui prend une fraction de seconde de plus à charger sur votre téléphone, mais cette fraction de seconde est essentielle pour le Rover et peux bouleverser la mission.

Pour résumer, en utilisant VxWorks, le Rover est capable de lancer plusieurs opérations en même temps avec un espace de mémoire partagé, avec la certitude que toutes les tâches vont être complétées lorsqu’elles ont besoin de l’être.

Le futur des Rovers de Mars.

Le Rover de Mars 2020 est le prochain à partir, et il est prévu qu’il possède les mêmes périphériques et la même capacité de stockage que Curiosity. Avoir une grande quantité de mémoire et puissance d’ordinateur est inutile pour les objectifs de la mission actuelle sur Mars. Au lieu de cela, la NASA reste sur sa formule testée et approuvée par Curiosity, favorisant la fiabilité au reste.

Une dernière information rien que pour vous ! Le Rover de mars 2020 sera le premier à posséder des microphones, lui permettant d’enregistrer les sons de l’environnement martien. Le Rover va stocker ces fichiers audio dans sa mémoire flash et transmettre les données sur Terre, pour que nous puissions entendre ce qui se passe sur Mars. Si David Bowie était encore là, vous pourriez entendre un de ses morceaux !

Cela conclut notre analyse sur le stockage des données sur les Rovers martiens, et comment stocker ses données sur Mars. Nous espérons que vous avez acquis de nouvelles connaissances sur ces technologies et comment elles diffèrent par rapport à nos outils habituels sur Terre. Un jour, nous poserons un pied sur Mars, mais en attendant, les Rovers comme Curiosity étendent déjà notre horizon des possibles lorsqu’il s’agit d’opérations technologiques sur une autre planète et tous les challenges que cela implique, infinis, comme l’univers.

Si vous voulez en savoir davantage sur les Rovers de Mars, nous vous conseillons les ressources suivantes :
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

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