Subatomární částice z vesmíru ohrožují elektroniku stále více, mohou zničit počítače i mobily

Naše Zem je neustále bombardována různými druhy subatomárních částic, ať už jde o částice z našeho Slunce, nebo z okolního vesmíru. Tyto částice se ještě reagují při průletu atmosférou a miliardy z nich každou sekundu dopadají na nás, naše tělo, skrze naše tělo a všude kolem nás.

Radiace má pochopitelně nežádoucí účinky, protože dokáže ovlivnit jak biologické struktury, které jsou složené z molekul, atomů a rovněž částic, tak i elektroniku, která je dnes v rámci čipů tvořená především křemíkem.

Všechny známé elementární částice našeho vesmíru (Standardní model, Zdroj: MissMJ)

Ale zatímco naše tělo si na tuto radiaci už poměrně zvyklo a má proti radiaci několik ochran (kůže, oprava buněk atp.), v případě čipů jsme teprve na začátku.

Spotřební elektronika v ohrožení

Elektronika a veškeré čipy jsou postavené na tranzistorech, které se přepínají do dvou stavů. Díky tomu funguje veškerá komplikovaná logika celého čipu a všech obvodů, které zpracovávají programy. Vše funguje perfektně bezchybně. Taková by byla ideální situace, pokud by byly čipy kompletně odstíněné od jakéhokoli záření.

Na čipy sice dopadají miliardy a miliardy částic různého druhu, ve většině případů se ale nic nestane. Problém ale je, že stačí pouze jedna chyba, jeden špatný bit jednoho tranzistoru, který přepnul kvůli ovlivnění nějakou částicí místo 0 na 1 nebo opačně, a může vzniknout velká chyba (SEU – Single Event Upset).

Vědci a inženýři o tomto chování pochopitelně už dlouho vědí, takže speciální vojenské přístroje, satelity a podobně, jsou vybavené určitým stupněm radiační ochrany a speciálními čipy, takže se statisticky minimalizuje dopad těchto části na elektroniku. Kompletně vyloučit jakékoli ovlivnění však nelze nikdy.

Kvantový superpočítač od Dwave má několik vrstev radiační ochrany, protože jeho hlavní čip je extrémně citlivý

Ale zatímco v rámci vojenské techniky, satelitů nebo vesmírné sondy je taková ochrana nutná – asi nikdo by nechtěl, aby náhodou došlo k vystřelení rakety, změny dráhy letu sondy, satelitu, letadla (i to se stalo) a podobně, u spotřební elektroniky to doposud nebyl větší problém.

Vzhledem k tomu, že se dříve jednalo o jednoduchou elektroniku, která byla méně náchylná na takovou radiaci, nebylo to potřeba. Navíc i kdyby došlo k ovlivnění, tak nic zvláštního nehrozí - na obrazovce se vám třeba na mikrosekundu objeví špatně vykreslená barva v jednom pixelu, čehož si ani nevšimnete a v nejhorším případě se sekne celý počítač. I když takový extrém je v drtivé většině případů ovlivněn chybou hardwaru nebo softwaru, může nastat i kvůli částici, která si letěla několik miliard let vesmírem a přehodila jeden bit v paměti vašeho zařízení.

Problémem jsou stále menší tranzistory a části

Důvodem obav je především to, že moderní spotřební elektronika postupuje extrémně rychle dopředu. Rozdíl mezi tím, co vlastní armáda a co běžný Franta uživatel, je čím dál menší.

Čipy mají v rámci stejné plochy stále vice tranzistorů – jsou tak stále hustší, s čímž se rapidně zvyšuje pravděpodobnost ovlivnění pomocí subatomárních částic. Tím jak jsou tranzistory menší, stačí k jejich ovládání navíc stále méně energie. To znamená, že k chybě stačí částice s menší energií, čímž se zvětšuje objem částic, které mohou chybu způsobit.

Přechod na 3D strukturu se zatím jeví jako efektivnější proti SEU, než tomu bylo u 2D (Zdroj: Vanderbilt University)

Vědci z univerzity Vanderbilt, kteří se tímto problémem zabývají, prezentovali několik odhadů pro představu. Například v rámci paměti chytrého telefonu s kapacitou 500 kB nastane chyba v průměru jednou za 28 let. Router s 25 GB paměti může být ovlivněn chybou každých 17 hodin a pokud letíte v letadle s notebookem, kde je mnohem vyšší radiace než na zemi, v rámci stejných 500 kB paměti jako u zmíněného telefonu může nastat chyba každých pět hodin.

Teď si stačí tyto hodnoty převést na gigabajty a miliardy tranzistorů jak v pamětech, tak v samotných výpočetních čipech. Dnešní čipy obsahují miliardy tranzistorů už o velikosti kolem 10 nanometrů. Chybovosti se dle vyjádření začínají hodně bát už samotní výrobci čipů, protože oni musí poskytovat funkční produkt, který přežije běžné podmínky se současnou radiací a splní dané specifikace pro chybovost.

Stínění není řešení

Pokud si myslíte, že zkrátka stačí na čipy přidat nějaký radiační štít – tak jednoduché to není. Abyste například zabránili průniku neutronů, potřebovali byste tři metry betonu. A asi nikdo nechce něco takového nosit po kapsách.

U současných tranzistorů vyrobených 16nm technologií je chybovost (FIT – Failure per Tranzistor) přibližně jednou za miliardu hodin. Problém je, že tranzistorů jsou v čipech miliardy už dnes, co teprve v budoucnu.

Jednoduchým řešením by bylo ztrojnásobit obvody nebo celé počítače, čímž se téměř vyloučí chyba – může nastat situace, kdy jedna část provedla chybu s odlišným výsledkem než dvě další (kontrolní), vykonaly by se pak operace podle těchto dvou částí či počítačů. Tento systém se používá v mnoha oblastech, kde je funkčnost a bezpečnost na prvním místě.

Jenže asi nelze předpokládat, že se něčeho takto komplexního dočkáme u počítačů a mobilů – přeci jen trh spotřební elektroniky je hnán rovněž co nejnižší cenou. Každopádně nikdo z nás nejspíše nechce, aby v budoucnu docházelo k neustálým problémům, kdy se telefony a počítače budou zasekávat, vypínat a podobně.

Lze předpokládat, že inženýři vymyslí jednodušší ochranné prvky, které si dokážou poradit pomocí různých kontrolních mechanismů ve stylu ECC, aniž by bylo potřeba mít třikrát větší čipy.

Foto: Simon Swordy,