W pamiętnej scenie z „Matrixa” ostatni ludzcy ocaleńcy zgromadzeni na pokładach kilku statków nieustannie muszą uciekać przed ścigającymi ich maszynami. Nie mają przeciw nim skutecznej broni, poza jedną: impulsem elektromagnetycznym. Jest to jednak broń ostateczna – jedno naciśnięcie klawisza powoduje zniszczenie wszystkich urządzeń elektronicznych znajdujących się w polu rażenia, zarówno w pojazdach atakujących, jak i na statku uciekinierów. Po jej użyciu zapada głucha cisza.
Fantastyczna wizja czy rzeczywistość?
Oczywiście, jest to tylko wizja, na dodatek dotycząca odległej przyszłości. Ale teraz, 20 lat po premierze filmu, wizja bezgłośnej i gwałtownej śmierci wszystkich naszych ukochanych smartfonów, odtwarzaczy, inteligentnych opasek i innych gadżetów, budzi chyba nawet większe obawy niż wówczas. Czy zatem jest się czego obawiać?
Pytanie o wpływ promieniowania na elektronikę, a w szczególności na komputery, analizowane jest od dawna. Problem dotyczy nie tylko fal elektromagnetycznych (PEM), lecz także wysokoenergetycznych cząstek materii – neutronów czy cząstek alfa, których w naszym najbliższym otoczeniu jest znacznie więcej. Zasada działania jest jednak podobna. Urządzenia elektroniczne są zbudowane z półprzewodników, czyli materiałów, których zdolność do przewodzenia prądu w dużym stopniu zależy od czynników zewnętrznych, np. temperatury czy oświetlenia. Dostarczenie porcji energii z rozpędzonych cząstek powoduje zaburzenie struktury krystalicznej półprzewodnika i zmianę jego właściwości – na pewien czas lub nieodwracalnie. Mówiąc innymi słowy – utraci on zapisaną informację.
Ponieważ promieniowanie jonizujące jest szkodliwe dla organizmów żywych w znacznie większym stopniu niż dla komputerów, chroniąc siebie, chronimy również je. Najważniejszą ochronę daje nasza ziemska atmosfera i magnetosfera, które skutecznie izolują nas od większości fal elektromagnetycznych i cząstek. Przy powierzchni Ziemi wysokoenergetyczne PEM pochodzące ze źródeł naturalnych właściwie nie występuje. Sytuacja ulega jednak zmianie wraz z wysokością: natężenie promieniowania kosmicznego, czyli głównego zagrożenia dla elektroniki, na wysokości przelotowej dla odrzutowców (ok. 10-11 km) jest już ponad dziesięciokrotnie większe niż na poziomie morza i w niskiej atmosferze rośnie o czynnik 2,2 na każde 1000 m. To oznacza, że im wyżej poleci nasz komputer, tym częściej będzie się on mylił i tracił pamięć [1].
Jak często to mu się zdarzy? Badanie przeprowadzone przez firmę IBM w latach 90 określiło prawdopodobieństwo tzw. miękkiego błędu pamięci (czyli niespowodowanego fizycznym uszkodzeniem nośnika) w efekcie promieniowania kosmicznego na jedną pomyłkę w ciągu miesiąca na każde 256MB [2]. Pozornie to niezbyt wiele, jednak w niektórych sytuacjach taki błąd może mieć decydujące znaczenie. W 2003 roku system użyty w wyborach przeprowadzonych w Belgii zgłosił, że liczba oddanych głosów przekroczyła liczbę głosujących dokładnie o 4096, czyli 212. Analiza tego zaskakującego wyniku jako winowajcę wskazała właśnie promieniowanie kosmiczne, które przypadkowo doprowadziło do zmiany jednego bitu [3].
Jak temu zapobiec?
Na szczęście, istnieje rozwiązanie. W komputerach, od których wymagamy najwyższej niezawodności, stosowane są specjalne układy pamięci wyposażone w system korekcji błędów (ang. Error Correction Codes, ECC).
Polega on na zapamiętywaniu w dodatkowych komórkach pamięci wyniku obliczeń wykonanych na zbiorze danych, bądź kilkukrotnym powtarzaniu obliczeń. Jeżeli wyniki różnią się od siebie, wówczas zachodzi konieczność ponownego zapisania wszystkich komórek, z których te dane pochodzą. W praktyce ten prosty mechanizm okazuje się wystarczająco skuteczny. Takie pamięci są stosowane m.in. w serwerach i w sondach kosmicznych, a także w elektronice celowo narażonej na promieniowanie, np. w tomografach czy aparatach rentgenowskich.
Inne rozwiązania mają charakter czysto techniczny i polegają na zwiększaniu pojemności elektrycznej niektórych komórek pamięci czy zwiększaniu rozmiaru tranzystorów. Ten proces jest nazywany hartowaniem radiacyjnym (ang. radiation hardening) i zwykle wystarcza on, aby tak zmodyfikowana pamięć mogła być skutecznie wykorzystywana.
W większości przypadków wpływ promieniowania na elektronikę jest szkodliwy i staramy się go unikać. Istnieją jednak wyjątki. EPROM to rodzaj stałej, ale kasowalnej pamięci. Można na niej umieścić np. program startowy komputera lub inne dane. Aby skasować zapisane w pamięci informacje, należy ją naświetlić promieniami ultrafioletowymi o długości fali 253,7nm, która powoduje jonizację izolatora i usunięcie z komórek półprzewodnika zgromadzonego w nich ładunku elektrycznego. Dzięki temu pamięć można zresetować i zapisać ponownie.
Czy zatem powinniśmy się obawiać, że nasze komputery nagle stracą pamięć w wyniku ataku promieni? W zdecydowanej większości przypadków możemy spać spokojnie. Promieniowanie, które nie zaszkodzi ludziom, nie zaszkodzi także komputerom, dlatego np. kontrola bezpieczeństwa na lotnisku jest dla nich całkowicie bezpieczna. Jedynym (teoretycznym) zagrożeniem może być silne sztuczne źródło promieniowania znajdujące się w niewielkiej odległości, powstałe np. w wyniku wybuchu nuklearnego. Jednak wówczas dane zapisane w komputerze będą chyba najmniej ważne.
Źródła:
1. H. Kobayashia , K. Shiraishib , H. Tsuchiyab , H. Usukic , Y. Nagaid , K. Takahisad: Evaluation of LSI Soft Errors Induced by Terrestrial Cosmic rays and Alpha Particles – link.
J. F. Ziegler: Terrestial cosmic rays. IBM Journal of Research and Development, vol. 40, no. 1, pp. 19-39, Jan. 1996 – link.