Superando grandes retos para garantizar el almacenamiento de datos en el espacio

El progreso de la tecnología aeroespacial está ligado estrechamente a las nuevas tecnologías informáticas, que proporcionan todo tipo de capacidades a las naves espaciales, telescopios y satélites en órbita. Esto les permite capturar información de la tierra, el espacio exterior y los astros, que se emplea para todo tipo de aplicaciones, como la investigación, la navegación o las comunicaciones espaciales, sin depender de las estaciones terrestres y los enlaces satelitales. En los últimos años varios fabricantes de tecnología se han esforzado para desarrollar computadores de a bordo y tecnologías de comunicaciones capaces de soportar los rigores del espacio exterior, algo que también afecta directamente a los sistemas de almacenamiento.

Con las nuevas tecnologías, que no requieren partes mecánicas, ha sido relativamente fácil superar los problemas que implica lanzar tecnologías informáticas al espacio, ya que se ven sometidas a intensas fuerzas que dañarían componentes como los discos duros HDD tradicionales y otros soportes magnéticos. Pero, una vez que se llega al exterior de la atmósfera, otros problemas son la necesidad de una gran resistencia a las fluctuaciones de temperatura en el espacio exterior, la disipación de calor en el vacío y la incidencia de otros fenómenos ligados al espacio, como el oxígeno atómico y la rápida desgasificación.

Pero, como explican en un reciente artículo publicado en el Blog de Western Digital, citando las palabras de Rafal Graczyk, científico investigador del SnT (Centro Interdisciplinario para la Seguridad, la Fiabilidad y la Confianza de la Universidad de Luxemburgo), el principal problema proviene de la radiación ionizante. Esta se manifiesta en forma de los denominados rayos cósmicos, que tienen efectos muy perjudiciales par la salud y para la tecnología. Además, algunos tipos son capaces de atravesar cualquier barrera física que se haya podido crear hasta la fecha.

Efectos negativos de los rayos cósmicos

En general, los rayos cósmicos se componen de partículas subatómicas que tienen energía suficiente para sacar los electrones de un átomo de su órbita, generando una carga eléctrica. Estos rayos cósmicos se generan en el sol cuando se producen eyecciones de masa coronal y se mueven a través de corrientes denominadas vientos solares, llegando a regiones muy alejadas en el espacio, incluyendo a los planetas del sistema solar.

Las emisiones de nuestro sol son peligrosas, pero las más dañinas de todas son las conocidas como rayos cósmicos galácticos, que se generan cuando se produce una supernova. Las partículas emitidas de esta forma contienen gran cantidad de energía y viajan a velocidades cercanas a la de la luz a lo largo de distancias extragalácticas. No está claro cómo se genera tal cantidad de energía, pero lo que sí saben los científicos es cómo afecta este tipo de radiación ionizante a los seres humanos y a la tecnología, después de años de estudio en el espacio.

Daños en los sistemas de almacenamiento

En el caso de los semiconductores como la memoria NAND Flash, los rayos cósmicos alteran el equilibrio de los electrones dentro de los circuitos, en este caso afectando a los datos almacenados. El fenómeno más conocido que se produce en los chips de memoria DRAM y NAND flash es el conocido como bitflip, que implica que uno o varios electrones pierden su estado, cambiando el valor que representan en el código binario de 1 a 0, o viceversa. Esto puede alterar un conjunto mayor de datos, dañando archivos completos, por lo que la industria necesita aportar soluciones para ofrecer sistemas de almacenamiento capaces de operar en lugares altamente expuestos a radiaciones ionizantes.

Este es uno de los campos de trabajo de Raya Kozlov, directora de calidad del cliente de Western Digital y una de las mayores expertas mundiales en los procesos de fabricación y diseño de productos NAND flash. Entre sus diferentes tareas está la de establecer el nivel de calidad y fiabilidad de los productos basados en flash, incluyendo los que se envían al espacio para diferentes usos. Pero afrontar la incidencia del fenómeno bitflip no solo importa para el todavía pequeño mercado de almacenamiento espacial, sino que resolverlo ha sido clave para otras industrias en las que el almacenamiento está experto a las condiciones ambientales del exterior.

Soluciones y garantías para entornos espaciales y terrestres

En el artículo del blog de Western digital, Kozlov comenta que “los bitflips transitorios son un fenómeno conocido y han sido una preocupación para la industria, particularmente para el mercado automotriz”. Y pone como ejemplo la retirada de nueve millones de automóviles a causa de un problema con el funcionamiento de los pedales, que se cree que se debió a la incidencia de rayos cósmicos. La experta comenta que existen nuevas formas de proteger la memoria flash de la incidencia de este tipo de radiación, y en Western Digital han diseñado y construido sus productos NAND y sus controladores flash para superar estos problemas, aprovechando las sinergias de detección y corrección de errores basados en algoritmos y hardware.

Kozlov explica que el cerebro que administra este tipo de memoria es el controlador flash, fabricado con memoria SRAM, y que también se ve afectado por los rayos cósmicos. Y afirma que actualmente “Western Digital es la única empresa que ofrece protección bitflip basada en hardware de SRAM integrado para los tipos de almacenamiento flash eMMC y UFS”. Pero para entornos tan exigentes y con estándares de calidad tan elevados, es vital ofrecer garantías absolutas a los clientes, ya que se pueden producir errores en la fabricación esporádicos, y dentro de un mismo lote puede haber unidades en perfecto estado y otras defectuosas.

Por ello, Western Digital ha implementado uno de los más sofisticados sistemas de control de calidad, que en el caso de los productos para la industria aeroespacial y de automoción llevan acabo baterías de prueba exhaustivas en cada uno de sus productos. Como explica Yaniv Iarovici, director de marketing del segmento de IoT y Edge en Western Digital, encargado también de los productos destinados al espacio y la órbita baja terrestre, “cada detalle importa”. Afirma que “la forma en que [Western Digital] abordamos la fabricación de obleas, la cadena de suministro y la ingeniería desde la celda NAND hasta el controlador, el firmware, hasta el empaquetado del dispositivo y las pruebas finales es fundamental para alcanzar este gran objetivo”.

En su opinión, todo se reduce a una ingeniería meticulosa, y dice que “incluso si las empresas diseñan con una estrategia de cero defectos, como en los dispositivos automotrices y relacionados con el espacio, la probabilidad científica nunca es realmente cero”. Y pone en valor las metodologías que emplea Western Digital para garantizar la calidad y confiabilidad a través de los estándares de diseño, fabricación y prueba más elevados. Esto será fundamental para abordar mercados emergentes como el de tecnología espacial, automotriz y de aviación comercial, privada y militar.

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