Za chybami elektroniky môže byť aj kozmické žiarenie

Zodpovedajú za nádherné prírodné divadlo polárnej žiary, ale častice slnečného vetra a kozmického žiarenia môžu byť aj nebezpečné. Riziká dobre poznajú kozmonauti zdržujúci sa na orbitálnej stanici ISS, hoci nízka obežná dráha je stále chránená zemským magnetickým poľom.

Nabité elementárne častice prilietávajúce zo Slnka, ale aj z hlbokého vesmíru majú vysoké energie, preto pri zrážkach s hmotou vyvolávajú rôzne silové efekty. Ich energia stačí aj na to, aby po zrážkach s molekulami plynov v atmosfére vyrazili sekundárne častice, stále dosť rýchle na to, aby napáchali škody.

Terčom sú bunky, aj procesory

Tie sa prejavujú aj inak, ako defektmi DNA v živých organizmoch. Ohrozeným „druhom“ sú aj digitálne elektronické zariadenia. Tranzistory v procesoroch a ďalších integrovaných obvodoch pracujú s jednotkami a nulami, takže ak sa takáto informácia zmení vplyvom zásahu nabitou časticou, dôjde k chybe.

K takýmto situáciám skutočne dochádza, ako potvrdila nedávna štúdia z Vanderbilt University. Poruchy nazývané „single-event upsets“ (SEU), čo môžeme preložiť ako prípady narušenia, môžu spôsobiť zlyhanie dát.

Vedci sú si dobre vedomí tohto problému a študujú ho už roky. Výskumníci z Vanderbilt University sa zamerali na posledné tri generácie čipov s technológiou tranzistorov 28 nanometrov, 20 nanometrov a najnovšie 16 nanometrové tranzistory. Otestovali ich pri expozícii žiarením v špeciálnom laboratóriu Chips and Electronics House v Los Alamos National Laboratory.

Menšie tranzistory potrebujú menší elektrický náboj, čo zvyšuje citlivosť na poruchu, za ktorú zodpovedá kozmické žiarenie. Na druhej strane menšie rozmery znižujú pravdepodobnosť kolízie. Vďaka vyššej hustote integrácie sa však v jednotke objemu nachádza viac tranzistorov, čo zase citlivosť na vonkajšie vplyvy zvyšuje.

Vo všeobecnosti sú čipy s menšími tranzistormi zraniteľnejšie z hľadiska možnej poruchy vplyvom kozmického žiarenia.

Ohrozené laptopy v lietadle

Už v roku 2004 publikovali v magazíne  Electronic Design News Ritesh Mastipuram a Edwin Wee z Cypress Semiconductor analýzu SEU porúch v zariadeniach spotrebnej elektroniky.

Z výskumu vyplynulo, že jednoduchý mobilný telefón s 500 kB pamäte (ktože dnes taký používa?) môže zaznamenať len jednu potenciálnu chybu za 28 rokov. Horšie to dopadlo v prípade routrov, kde pri používaní 25 GB pamäte môže kozmické žiarenie vyvolať chybu každých 17 hodín. Z hľadiska sieťovej spoľahlivosti je to už nepríjemná hodnota.

Ešte väčšie riziká predstavuje kozmické žiarenie pre elektronické systémy v lietadlách. V cestovnej výške cca 10 km je hustota častíc kozmického žiarenia vyššia, než na zemskom povrchu. Pri práci s notebookom v lietadle môže dochádzať k potenciálnej chybe každých päť hodín.

https://www.youtube.com/watch?v=asdtBbOdukw

Ak vezmeme do úvahy, že táto analýza sa uskutočnila v roku 2004, technológie integrovaných obvodov a s nimi aj veľkosť operačných pamätí a počty tranzistorov v procesoroch výrazne pokročili. Je preto pravdepodobné, že dnešné digitálne systémy sú kozmickým žiarením podstatne zraniteľnejšie.

Haprovanie smartfónu je v tomto smere ten najmenší problém. Horšie dopady môžu mať tieto chyby pri elektronických hlasovacích zariadeniach, autopilotoch, alebo pri vojenských riadiacich systémoch. Takéto zariadenia našťastie používajú záložné systémy a rôzne algoritmy na opravu chybovosti, takže by sa s uvedeným fenoménom mali vysporiadať.

Vďaka stále fungujúcemu Moorovmu zákonu je však pravdepodobné, že význam SEU chybovosti bude narastať, preto s ňou musia výrobcovia čipov počítať.