Kozmična grožnja vašemu računalniku

Nazaj

Februarja leta 2017 so udeleženci vsakoletnega srečanja American Association for the Advancement of Science (AAAS) poslušali nenavadno predavanje, ki ga je pripravil Dr. Bharat Bhuva, profesor elektrotehnike na Univerzi Vanderbilt v mestu Nashville, Tennessee. Dr. Bhuva namreč raziskuje vpliv vesoljskega vremena na elektronske sisteme na Zemlji in v njeni okolici, med predavanjem pa je izpostavil prav posebno temo – izid zveznih volitev v bruseljskem volilnem okraju Schaerbeek leta 2003.

Na takratnih volitvah je namreč prišlo do zapleta pri razglasitvi volilnih rezultatov shranjenih na enem od računalnikov. Ti so kazali, da naj bi za relativno malo znano kandidatko Mario Vindevoghel glasovalo več volivcev, kot ji je to omogočal tamkajšnji glasovalni sistem. Na srečo so volilne glasove iz varnostnih razlogov beležili tudi na papirju. Preverjanje glasov shranjenih na papirnatih volilnih listkih je pokazalo, da je računalniški sistem Marii pripisal natanko 4096 glasov preveč. Strokovnjaki so se takoj lotili mukotrpnega preverjanja programske opreme ter samega računalnika, vendar je oboje delovalo brezhibno. Po tem, ko so izločili vse preostale vzroke, jim je ostala ena sama možnost. Dejstvi, da se je napaka pripetila samo eni kandidatki ter da je število odvečnih glasov bilo natanko 4096, (potenca števila dva), sta nakazovali, da je šlo za enkratno računalniško napako in sicer za na videz spontano spremembo vrednosti na enem od tranzistorjev v delu računalniškega vezja, kjer je bil shranjen Mariin volilni rezultat. Sprememba vrednosti v trinajstem bitu z logične ničle na logično 1 naj bi namreč spremenila rezultat za že omenjenih 4096 glasov. Štirinajst let pozneje je Dr. Bhuve predstavil tezo, da naj bi napako povzročil mikroskopski obiskovalec iz vesolja – kozmični delec.

To pa ni bilo edinkrat, da so bili kozmični delci okrivljeni za na videz bizarne enkratne dogodke na računalnikih. Drugi tak primer, ki je zaslovel med javnostjo, je bilo hitrostno tekmovanje v računalniški igri Super Mario 64 med uporabnikoma MidBoss in DOTA_Teabag leta 2013. Slednji je pridobil prednost nekaj sekund, potem ko je bil »njegov« Mario nenadoma nepričakovano teleportiran v višave, kar bi bilo nemogoče ob pravilnem delovanju igre. Neki drugi uporabnik, pannenkoek12, je celo razpisal nagrado v vrednosti 1000 ameriških dolarjev za tistega, ki bi razložil omenjeni »glitch«, na koncu pa je razlago priskrbel kar sam. pannenkoek12 je napisal program, ki je natanko ob pravem trenutku »ročno« spremenil vrednost bajta v katerem je bila shranjena višina Maria z 11000101 na 11000100, kar je povzročilo že opisano spremembo. Le-ta naj bi se v realnosti zgodila »spontano«, kar pomeni, da ji ni botrovalo nepravilno delovanje programske ali računalniške opreme. Povzročil jo je najverjetneje spet kozmični delec.

Kozmični delci in računalniki

Dejstvo, da so nabiti delci lahko vzrok navideznim spontanim spremembam vrednosti shranjenih na računalnikih, je bilo odkrito v pedtesetih letih prejšnjega stoletja. Te spremembe so v angleščini poznane kot »single-event upset« (SEU) ali »single-event error« (SEE). Za potrebe tega članka bomo uporabljali oznako enkratne napake, ki spadajo med tako imenovane mehke napake (angleško »soft error«), ki računalniških vezij ne poškodujejo. Njihov vzrok so nabiti delci, ki zaidejo v računalniška vezja in tam povzročijo ionizacijo snovi znotraj kakšnega logičnega elementa, kot so biti. Med ionizacijo se namreč sprosti električni naboj, ki lahko, na primer, spremeni vrednosti shranjene v tranzistorjih, iz katerih sestojijo spominske celice.

Omenjeni delci imajo dva glavna izvora – lahko se sprostijo med radioaktivnim razpadom ali pa pridejo k nam iz vesolja kot kozmični delci. Najprej je bil odkrit vpliv nabitih delcev izsevanih med testiranji jedrskih bomb med leti 1954 in 1957. Ti delci so povzročali nevšečnosti v elektronski opremi, s katero so merili učinke eksplozij. Pozneje je bilo ugotovljeno, da so v računalnikih še najbolj problematična helijeva jedra, ki nastanejo ob razpadu radioaktivnih nečistoč, predvsem urana 238 in torija 232, v polprevodnikih, ki se nahajajo v logičnih elementih računalnikov. To težavo so proizvajalci čipov deloma rešili tako, da so drastično zmanjšali prisotnost nečistoč v omenjenih polprevodnikih. Koncentracije urana in torija so danes manjše od enega delca na deset milijard. Če je še pred nekaj desetletji emisija helijevih jeder v računalniških čipih znašala 100 delcev na uro na cm², pa so danes te vrednosti pod 0,001 helijevih jeder na uro na cm². Tako je problem radioaktivnih emisij v integriranih vezjih povečini rešen.

Zgodba z kozmičnimi delci je drugačna. Njihov vpliv je bil odkrit pozneje, in sicer v sedemdesetih letih, pri čemer je ledino oral James F. Ziegler, raziskovalec na IBM Research. Kozmične delce sestavljajo jedra atomov, večinoma so to protoni, ter elektroni, ki po vesolju potujejo s hitrostmi, ki so blizu svetlobni. Tisti z največjimi energijami (10¹⁰ – 10²⁰ eV) prihajajo k nam iz oddaljenih kotičkov Galaksije ter iz drugih galaksij, nastanejo pa večinoma v eksplozijah supernov. Kozmični delci z nižjimi energijami (10⁷ – 10¹⁰ eV) prihajajo k nam s Sonca ali z obrobja heliosfere. Vsako sekundo približno 100.000 kozmičnih delcev doseže vsak kvadratni meter Zemljine atmosfere. Le nekaj jih ima dovolj energije, da prebijejo atmosfero in dosežejo površje našega planeta. Večina jih trči z dušikovimi ter kisikovimi atomi v zgornjih plasteh atmosfere, pri čemer pride do naravnih jedrskih reakcij, ki proizvedejo sekundarne kozmične delce, ki potem »dežujejo« na Zemljo, čemur rečemo »plohe« (angleško shower). Intenzivnost teh sekundarnih kozmičnih delcev je na višini približno 3000 m kar desetkrat večja kot ob morski gladini, maksimum pa doseže na višinah okoli 15 kilometrov. To je posledica dejstva da dokaj gosta atmosfera pod to višino sekundarne kozmične delce večinoma absorbira. Kljub temu vsako sekundo vsak kvadratni meter površja doseže kar osem ploh sekundarnih kozmičnih delcev. Okoli 95 % vseh predstavljajo nevtroni. Kozmični delci so za računalnike nevarnejši od helijevih jeder, ki nastanejo ob radioaktivnem razpadu, saj so njihove energije neprimerno večje.

V devetdesetih letih je bilo opravljenih več raziskav, ki so med drugim pokazale, da so elektroni ter nevtroni povzročali približno enako število enkratnih napak na takratnih 258 kilobitnih DRAM čipih, da število teh napak raste z gostoto tranzistorjev v integriranih vezjih, ter da so bili nevtroni glavni vir teh napak za čipe z gostoto večjo od 4 megabitov. Narejena je bila tudi ocena, da se ena enkratna napaka v povprečju zgodi enkrat na mesec za vsakih 256 MB spomina v RAMu. V neki drugi raziskavi so znanstveniki celo merili pogostost mehkih napak na različnih nadmorskih višinah. Ugotovili so, da če so računalniki shranjeni globoko pod površjem Zemlje, mehke napake praktično izginejo, saj kozmični delci do računalnikov ne prodrejo.

Zanimivo je, da niso vsi kraji na Zemlji enako občutljivi na vpliv kozmičnih delcev. Pri tem igrata glavno vlogo dva faktorja: nadmorska višina kraja ter lokalna geomagnetna rigidnost. Slednja je definirana kot minimalna energija, ki je potrebna da bi kozmični delci lahko dosegli morsko gladino na dani lokaciji, zavisi pa od lokalni lastnosti geomagnetnega polja. Ziegler je leta 1998 objavil vpliven članek, kjer je definiral indeks s katerim je opisal variacije intenzivnosti kozmičnih delcev na različnih lokacijah na Zemlji oziroma posledično tveganje za računalniško opremo. Kot referenca mu je služilo mesto New York, ki mu je pripisal indeks z vrednostjo 1. Izkazalo se je, da ima omenjeni indeks v nekaterih mestih v južni Aziji, kot so na primer Bombay, Calcutta, Bangkok in Rangoon, vrednost približno 0,5, kar pomeni pol manjše tveganje kot v New Yorku. Po drugi strani je visokoležeče južnoameriško mesto La Paz v Boliviji kar osemkrat bolj izpostavljeno vplivu kozmičnih delcev, kot največje mesto ZDA.

Seveda se takoj poraja vprašanje, kako kozmični delci vplivajo na računalnike na letalih ter vesoljskih misijah. Glede letalskega prometa vemo, da so potencialno usodni dogodki na srečo izjemno redki, pa še takrat ni mogoče s 100 odstotno verjetnostjo okriviti kozmične delce. Še najbolj znani incident se je zgodil 7. oktobra 2008, ko je enkratna napaka na računalniku letala Airbus A330, ki je letelo iz Singapurja v Perth, povzročila, da je le-to v 20 sekundah stmoglavilo 200 metrov nato pa še dodatnih 120 metrov, pri čemer so potniki občutili negativni pospešek 0,8 G. Vsi potniki in člani posadke so nesrečo preživeli, vendar jih je več bilo resno poškodovanih. Sekundarni kozmični delci so bili omenjeni kot eden glavnih kandidatov za vzrok enkratne napake, ki je povzročila strmoglavljenje letala.

Vesoljski čolniči so za zaščito pred kozmičnimi delci uporabljali kar štiri računalnike, ki so khrati poganjali identično programsko opremo. Tako je kakršna koli enkratna napaka, ki se je lahko pojavila na le enem od računalnikov, bila takoj odpravljena s pomočjo preostalih treh. Zanimivo je, da so na prelomu tisočletja astronavti na krovu vesoljskih čolničov uporabljali tudi IBMove prenosne računalnike ThinkPad A31p, ki so bili seveda mnogo zmogljivejši od čolničevih, vendar zaradi kozmičnih delcev pogosto niso pravilno delovali.

Podoben pristop kot na vesoljskih čolničih je prisoten na roverju Perseverance, ki raziskuje površje Marsa. Ta planet namreč nima globalnega magnetnega polja, njegova atmosfera pa je zelo redka, zato je njegovo površje močno izpostavljeno kozmičnim delcem. Vsako električno vezje je na roverju prisotno kar v treh identičnih kopijah, kar omogoča odpornost na kozmične delce. Poleg tega Perseverance uporablja računalnik znamke RAD 750, ki je prav tako odporen na različne vrste sevanja.

Za konec povejmo, da seveda ni mogoče s 100 % gotovostjo trditi, da je spremembo volilnega rezultata v Belgiji ali spremembo višine Maria v igrici dejansko povzročil kozmični delec. Tega namreč nihče ni neposredno videl. Gre za najverjetnejše razlage po tem, ko so odgovorne osebe ugotovile, da napaki ni botroval noben drugi znani vzrok. Verjetno bo do podobnih napak prihajalo čedalje bolj pogosto. Smo družba, ki vse več svojih tehnologij seli v vesolje. Tako bo v prihodnje treba zaščiti računalniške opreme pred kozmičnimi delci nameniti še več pozornosti. Poleg računalniške opreme kozmični delci predstavljajo težavo tudi za zdravje astronavtov, kar bi lahko bila največja ovira pri bodočih dolgotrajnih vesoljskih potovanjih ter bivanju na telesih brez globalnega magnetnega polja, kot sta Mars in Luna.

Povejmo še, da je Maria Vindevoghel vztrajala pri svoji politični karieri. Leta 2019 ji kozmični delci niso ponagajali in je bila na listi Belgijske delavske stranke izvoljena v zvezni parlament, kjer je še danes poslanka.

Literatura

1. Cosmic particles can change elections and cause planes to fall through the sky, scientists warn, Independent,
2. https://www.independent.co.uk/news/science/subatomic-particles-cosmic-rays-computers-change-elections-planes-autopilot-a7584616.html
3. How An Ionizing Particle From Outer Space Helped A Mario Speedrunner Save Time, The Gamer, https://www.thegamer.com/how-ionizing-particle-outer-space-helped-super-mario-64-speedrunner-save-time/
4. Control, Alt, Delete? The Impact of Space Weather in the Air and on the Ground, https://aaas.confex.com/aaas/2017/webprogram/Paper19175.html
5. Single-event upset, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Single-event_upset
6. Henry Gee, Cosmic rays and computers, (1998), Nature, https://www.nature.com/articles/news980730-7
7. Terrestrial Cosmic Rays Intensities, IBM Journal of Research and Development Jan. 1998, vol.42, no.1, pp. 117-39. ISSN: 0018-8646, CODEN: IBMJAE SICI: 0018-8646(199801)42:1L.117:TCI;1-6 Publisher: IBM Country of Publication: USA
8. T. J. O’Gorman, “The effect of cosmic rays on the soft error rate of a DRAM at ground level,” in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 41, no. 4, pp. 553-557, April 1994, doi: 10.1109/16.278509
9. T. C. May and M. H. Woods, “Alpha-particle-induced soft errors in dynamic memories,” in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 26, no. 1, pp. 2-9, Jan. 1979, doi: 10.1109/T-ED.1979.19370.
10. J. F. Ziegler et al., “IBM experiments in soft fails in computer electronics (1978–1994),” in IBM Journal of Research and Development, vol. 40, no. 1, pp. 3-18, Jan. 1996, doi: 10.1147/rd.401.0003.
11. T. J. O’Gorman et al., “Field testing for cosmic ray soft errors in semiconductor memories,” in IBM Journal of Research and Development, vol. 40, no. 1, pp. 41-50, Jan. 1996, doi: 10.1147/rd.401.0041.
12. E. Normand, “Single event upset at ground level,” in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 43, no. 6, pp. 2742-2750, Dec. 1996, doi: 10.1109/23.556861.
13. Sawamura, Hidenori & Iguchi, T. & Takanobu, & Handa,. (2022). P. 28 Soft Errors of Semiconductors Caused by Secondary Cosmic-ray Neutrons.
14. Sundar, Pooja & Vasu, Suresh & Venkatesh, Nithin & Prasad, Praveen. (2021). Effect of memory soft errors on media applications. 215-216. 10.1109/ISM52913.2021.00043.
15. R. C. Baumann, “Radiation-induced soft errors in advanced semiconductor technologies,” in IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, vol. 5, no. 3, pp. 305-316, Sept. 2005, doi: 10.1109/TDMR.2005.853449.
16. T. J. O’Gorman et al., “Field testing for cosmic ray soft errors in semiconductor memories,” in IBM Journal of Research and Development, vol. 40, no. 1, pp. 41-50, Jan. 1996, doi: 10.1147/rd.401.0041.
17. Radiation resistance is baked into the Perseverance Mars rover. Here’s why that’s important., space.com, https://www.space.com/mars-rovers-radiation-protection-xilinx.
18. Shuttle Computers Navigate Record of Reliability, NASA, https://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/flyout/flyfeature_shuttlecomputers.html

19. RAD750, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/RAD750
20. Velika težava vesoljskih potovanj, Sončni blog, https://soncniblog.com/vesoljska-potovanja/