Understanding non-volatile memories in space: a deployment experience

Nanosatellites are increasingly used in scientific, commercial, and educational missions due to their low cost and rapid development cycle. They often contain Commercial Off-The-Shelf (COTS) components, vulnerable to cosmic rays and space radiation, which can cause transient or permanent hardware faults and compromise mission performance. This thesis analyzes the reliability of non-volatile memories in nanosatellites, focusing on FRAM, ReRAM, and MRAM. These memories are critical because nanosatellites operate intermittently, being powered by solar panels. They shut down when power is unavailable and restart when power is restored, making it necessary to preserve data between activation cycles. We studied memory faults onboard a nanosatellite in Low Earth Orbit (LEO), considering the frequency, spatial distribution, and evolution of bit-flips. Faults typically affect consecutive memory cells and can be transient or permanent. FRAM exhibits multiple phases with different levels of corruption, as well as permanent and transient bit-flips. ReRAM exhibits the highest total number of bit-flips, with fewer permanent faults than FRAM. Finally, MRAM proves to be the most robust, with most faults being short-lived and only one permanent bit-flip. Based on these observations, we developed fault models based on statistical methods and a machine learning approach using a Variational AutoEncoder (VAE), both evaluated on their ability to generate faults with characteristics similar to those observed in orbit. The results show that the statistical models accurately replicate the distribution and persistence of faults, while the autoencoder captures spatial correlations and can introduce faults in previously unaffected memory regions, although without fully reproducing all evaluation metrics. These models enable realistic fault injection, supporting the design and reliability evaluation of non-volatile memory systems aboard nanosatellites.

I nanosatelliti sono sempre più utilizzati in missioni scientifiche, commerciali e didattiche grazie al basso costo e al rapido ciclo di sviluppo. Spesso contengono componenti off-the-shelf (COTS), vulnerabili ai raggi cosmici e alle radiazioni spaziali, che possono causare guasti hardware transitori o permanenti e compromettere le prestazioni della missione. Questa tesi analizza l'affidabilità delle memorie non volatili nei nanosatelliti, concentrandosi su FRAM, ReRAM e MRAM. Queste memorie sono fondamentali perché i nanosatelliti funzionano a intermittenza, essendo alimentati da pannelli solari. Si spengono in assenza di alimentazione e si riaccendono al ripristino dell'alimentazione, rendendo necessaria la conservazione dei dati tra i cicli di attivazione. Abbiamo studiato i guasti della memoria a bordo di un nanosatellite in orbita terrestre bassa (LEO), considerando la frequenza, la distribuzione spaziale e l'evoluzione dei bit-flip. I guasti generalmente interessano celle di memoria consecutive e possono essere transitori o permanenti. La FRAM presenta più fasi con diversi livelli di corruzione, nonché bit-flip permanenti e transitori. La ReRAM presenta il numero totale più elevato di bit-flip, con meno guasti permanenti rispetto alla FRAM. Infine, la MRAM si dimostra la più robusta, con la maggior parte dei guasti di breve durata e un solo bit-flip permanente. Sulla base di queste osservazioni, abbiamo sviluppato modelli di guasto basati su metodi statistici e un approccio di apprendimento automatico con un autoencoder variazionale (VAE), entrambi valutati in base alla capacità di generare guasti con caratteristiche simili a quelli osservati in orbita. I risultati mostrano che i modelli statistici replicano accuratamente distribuzione e persistenza dei guasti, mentre l'autoencoder cattura le correlazioni spaziali e può introdurre guasti in regioni di memoria precedentemente non interessate, sebbene senza riprodurre completamente tutte le metriche di valutazione. Questi modelli consentono un'iniezione di guasti realistica, supportando la progettazione e la valutazione dell'affidabilità dei sistemi con memorie non volatili a bordo di nanosatelliti.