Částice kosmického záření vyvolávají poruchy elektroniky

[wp_ad_camp_1]

Kosmické počasí působí na elektroniku. Kredit: NSF / J. Yang.

Poruchy elektroniky jsou k vzteku. Jak jistě každý ví, dovedou přijít v nejméně vhodnou chvíli. Na uživatele zabliká modrá obrazovka anebo všechno najednou přízračně ztuhne. Tím nejméně bolestivým následkem bývá ztráta času, ztracená práce bolí ještě daleko víc. V takovém okamžiku se z člověka dere ven zuřivost a jejím terčem se obvykle stává výrobce dotyčného zařízení anebo software, případně sám uživatel, pokud si je vědom vlastní chyby. Někdy je ta nenávist oprávněná. V řadě případů ale kupodivu nikoliv.

Bharat Bhuva.

Kredit: Vanderbilt University.

Na životní pochody naší hýčkané elektroniky totiž překvapivě často působí mimozemské síly. Doslova. Nejsou to žádné alternativní bláboly, ale čirá astrofyzika. Elektroniku intenzivně ovlivňují elektricky nabité částice vytvořené kosmickým zářením, které k nám přilétá z hlubokého vesmíru. Podle Bharata Bhuvy z Vanderbiltovy univerzity je to dost velký problém, i když ho veřejnost z valné většiny přehlíží. Bhuva o tom přednesl příspěvek pod slibným názvem „Zataženo, občas sluneční erupce: Vyčíslení rizik kosmického počasí“ na výročním setkání American Association for the Advancement of Science v americkém Bostonu.

Když vysokoenergetická částice kosmického záření, která se žene vesmírem ohromnou rychlostí, zasáhne vnější vrstvu atmosféry Země, tak tím vyvolá spršku sekundárně vzniklých částic, včetně energetických neutronů, mionů, pionů a alfa částic. Tělo každého z nás zasahují každou sekundou miliony takových sekundárních částic kosmického záření. Navzdory tak velkému počtu jsou ale podle dosavadních znalostí tyto částice vesměs neškodné. Zároveň ale jistá frakce těchto částic nese dostatek energie na to, aby částice mohly narušit činnost elektronických obvodů. Svým působením mohou například změnit jednotlivé bity dat, které jsou uloženy v paměti.

Průlet částice jednotkou paměti SRAM. Kredit: Sanfordlab.

Takovým událostem, které může vyvolat jeden iont, elektron nebo třeba foton, se říká jednorázové náhodné poruchy (SEU, anglicky single-event upset) a jsou velmi nepředvídatelné. Nikdo neví, kdy a kde v elektronických obvodech k tomu dojde, takže je velice obtížné takovým poruchám čelit. Je také těžké už jenom přijít na to, že šlo o SEU. Podle Bhuvy je jedinou možností postupně vyloučit všechny ostatní možné zdroje chyb, což bývá dost komplikované. Vlivu kosmického počasí na elektroniku si všimneme jenom tehdy, pokud jsou jeho důsledky dramatické. Přitom jde podle všeho jenom o špičku ledovce.

V roce 2003 kosmický vliv rozvrátil volby v belgickém městě Schaerbeek. Částice atmosférické spršky zasáhla elektronické volební zařízení a přidala jednomu kandidátovi 4 096 hlasů. Případ vyšel najevo jenom proto, že v daném volebním obvodu nebylo možné získat tolik hlasů. Někdy jde i o život. V roce 2008 částice ze spršky vyřadila autopilota dopravního letadla společnosti Quantas na trase ze Singapuru do Perthu. Stroj se během chvilky propadl o více než 200 metrů, což vedlo ke zranění třetiny pasažérů a nouzovému přistání na nejbližším letišti.

Četnost SEU u různých prvků mikroelektroniky. Kredit: B. Bhuva / Vanderbilt

Jak časté takové události mohou být? V roce 2004 to zhodnotili odborníci u elektroniky, která byla z dnešního pohledu o generaci starší. Tehdejší mobilní telefon s 0,5 GB pamětí by se s takovou chybou setkal jednou za 28 let. Routery internetového poskytovatele se 25 GB paměti by kvůli kosmickému záření chybovaly jednou za 17 hodin. A pokud by někdo na palubě letadla ve výšce 10 700 metrů pracoval s notebookem s 0,5 GB pamětí, tak už by se setkával s kosmickou chybou jednou za pět hodin.

Se zmenšováním velikosti tranzistorů v elektronických obvodech problém s kosmickým zářením narůstá. V menších tranzistorech totiž logické bity reprezentuje nižší elektrické napětí. A pro částice ze spršek vyvolaných kosmickým zářením je snazší takový bit překlopit. 3D architektura čipů je proti takovým událostem odolnější nežli 2D architektura, není ale všemocná. Můžeme s kosmickými chybami něco udělat?

K naší smůle bohužel nic moc. Se stávajícími technologiemi nejsme schopni chránit elektroniku před částicemi tak, aby to bylo praktické a levné. Například, pro odstínění energetických neutronů by bylo nutné použít více než 3 metry betonu. Takový chytrý telefon by asi nosil málokdo. Dobrou zprávou je, že vliv kosmického počasí na elektroniku lze omezit úpravami designu čipů. U kriticky významných obvodů například můžeme prostě a jednoduše všechny komponenty ztrojnásobit. Pravděpodobnost, že čip zasáhnou částice kosmického původu třikrát na stejném místě, je zcela mizivá. Zranitelnost takového systému pak značně klesá. Dobrou zprávou také je, že vojáci, piloti, dispečeři, kapitáni, lékaři, astronauti i inženýři o této záležitosti vědí. A počítají s nimi. Na nás ostatních je, abychom se s tím zatím smířili.

Literatura
Vanderbilt University 17. 2. 2017, Wikipedia (Single event upset).

[wp_ad_camp_1]