Partikel aus fernen Welten stören Smartphones auf der Erde

10. März 2017, 07:00 Uhr
Illustration eines Sonnensturms (Bild: NASA).
Illustration eines Sonnensturms (Bild: NASA).
Wenn Ihr Computer abstürzt oder das Handy nicht so will, wie es soll, dann muss das Problem nicht unbedingt vor dem Bildschirm sitzen. So entfernt und „bloß theoretisch“ es klingt, aber kosmische Strahlung kann laut den Untersuchungen von Bharat Bhuva an der Vanderbilt University durchaus und ganz realistisch zu ganz irdischen Fehlfunktionen führen. Die zunehmende Miniaturisierung fordert ihren Preis.

Ein winziges Teilchen, das aus fernsten Welten viele Millionen Jahre unterwegs war, trifft ausgerechnet auf dem eigenen Computer, Smartphone oder Tablet einen Transistor. Ein Bit kippt: Fehler!
Das Phänomen ist zwar unwahrscheinlich, und man muss schon mehr ein Pechvogel sein, damit ein solcher Alien-Beschuss beim Klick auf „Senden“ einer Online-Überweisung eine Null mehr in der überwiesenen Summe verursacht. Aber möglich ist das. Bestimmte Fehlerwahrscheinlichkeiten lassen sich sogar berechnen.

Laut Bharat Bhuva erzeugt lichtschnelle kosmische Strahlung beim Eintritt in die irdische Atmosphäre Kaskaden an sekundären Teilchen wie hochenergetische Neutronen, Myonen, Pionen und Alpha-Teilchen. Ein normaler menschlicher Körper wird jede Sekunde von Millionen solcher Partikel getroffen. Trotzdem hat der Beschuss so gut wie keine Auswirkungen auf Lebewesen auf der Erde. Weniger immun ist allerdings moderne Mikroelektronik. Einige Geschosse haben nämlich durchaus genug Energie, um einen Transistor zu treffen und so ein Bit kippen zu lassen.

Ein solcher Bit-Fehler nennt man SEU (Single-Event Upset). Es ist aber schwierig zu erkennen, ob und wie häufig SEUs auftreten. Schließlich können seltene Software-Bugs oder versteckte Hardware-Fehler (siehe FDIV-Bug bei Pentium-CPUs) ebenfalls falsche Bits produzieren. An belastbare Schätzungen kommt man nur indirekt, indem man von allen Fehlern die Bugs subtrahiert.
Dass es kein akademisches Problem ist, zeigen Anekdoten aus der Technikgeschichte:
• Im Jahre 2003 führte ein Bit-Flip bei einer Wahlmaschine zu 4.096 zusätzlichen (falschen) Stimmen für einen Kandidaten. Das fiel nur auf, weil der Kandidat mehr Stimmen als in diesem Bezirk möglich erhalten hatte.
• Im Jahre 2008 führte so ein SEU in der Steuerung eines Passagier-Jets von Qantas zum ungewollten Abschalten des Autopiloten. Das Flugzeug stürzte in 23 Sekunden um 210 Meter in die Tiefe, was zu durchaus ernsten Verletzungen von etwa 1/3 der Passagiere führte.
• Auch das mittlerweile mehrfach vorgekommene Fehlverhalten der Computersysteme von Fluggesellschaften, das zu Ausfällen von hunderten Flügen führte, erklären sich Experten mit SEUs.

Ritesh Mastipuram und Edwin Wee von Cypress kamen bei älterer Technologie im Jahre 2004 zu folgenden Häufigkeiten:
• Ein Handy mit 500 KB Speicher ist alle 28 Jahre von einem SEU betroffen.
• Eine sogenannte „Router Farm“ von Internet-Providern kommt mit etwa 25 GB Speicher auf ein SEU alle 17 Stunden.
• Ein Laptop mit 500 MB Speicher an Bord eines Flugzeugs in 10.000 m Höhe wird alle 5 Stunden Opfer eines SEUs.
 


Bei moderner Technik ist das etwas anders: Da die Transistoren viel kleiner sind, ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass ein Partikel ein Bit kippt. Allerdings wird ein kleiner Transistor seltener getroffen. Dafür stecken viel mehr davon in einem Chip. Moderne 3D-Strukturen sind unempfindlicher. Die Grafik zeigt die Verhältnisse für Strukturgrößen von 28, 20 und 16 nm wieder (Bild: Bharat Bhuva, Vanderbilt).
 
Die SEU-Wahrscheinlichkeit hat also durchaus Implikationen für den Einsatz von Mikroelektronik in sicherheitskritischen oder medizinischen Applikationen...
 
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