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Samstag, 22.07.2017
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Weltraumteilchen stören unsere Elektronik

Treffer energiereicher Teilchen ändern Bits im digitalen Code

Kosmische Störer: Wenn unser Rechner oder das Smartphone abstürzt, dann könnte der Grund im Weltraum liegen. Denn energiereiche Teilchen der kosmischen Strahlung können hier auf der Erde Fehler in elektronischen Geräten verursachen, wie eine Studie belegt. Die Teilchentreffer lassen einzelne Bits "umkippen" und stören so die Funktion vor allem von miniaturisierten Transistoren.
Die sekundären Teilchenschauer der kosmischen Strahlung können Bit-"Mutationen" im Computercode verursachen

Die sekundären Teilchenschauer der kosmischen Strahlung können Bit-"Mutationen" im Computercode verursachen

Dank des Erdmagnetfelds und weiterer Schutzschilde unseres Planeten sind wir vor dem größten Teil der kosmischen Strahlung abgeschirmt. Doch einige der kosmischen Teilchen gelangen dennoch in die Erdatmosphäre, kollidieren mit Gasmolekülen und erzeugen eine ganze Kaskade energiereicher Sekundärteilchen – darunter Neutronen, Myonen, Alphateilchen und sogar Higgs-Bosonen.

In jeder Sekunde prasseln dadurch Millionen unsichtbare Teilchen auf unseren Körper und alle Objekte auf der Erde ein. Der Großteil dieses subatomaren Partikelschauers geht völlig folgenlos durch uns hindurch. Anders ist dies jedoch, wenn die Teilchen auf ein elektronisches Gerät treffen, wie Bharat Bhuva von der Vanderbilt University in Nashville erklärt.

Spontane "Mutation" im digitalen Code


Bei elektronischen Geräten kann ein Treffer dazu führen, dass ein Bit im digitalen Code umspringt – von Null auf Eins oder umgekehrt. In der IT-Branche wird dies als Single-Event Upset or SEU bezeichnet. Das Problem dabei: Passiert dieser Wechsel in einem entscheidenden Teil des Programms, kann dies zu ernsten Störungen oder sogar zum Ausfall des Systems führen.


Ein geändertes Bit an entscheidender Stelle kann schon einen Computerfehler verursachen

Ein geändertes Bit an entscheidender Stelle kann schon einen Computerfehler verursachen

Ein solcher Fall ereignete sich 2003 in einem Wahlcomputer in der belgischen Gemeinde Schaerbeek: Ein SEU sorgte dafür, dass ein Kandidat irrtümlich gut 4.000 Wählerstimmen mehr bekam, wie Bhuva berichtet. 2008 sorgte ein umgesprungenes Bit im Code eines Linienflugzeugs dafür, dass sich der Autopilot von selbst abschaltete. Die Folge war ein 23-sekündiger Sturzflug, bei dem ein Drittel der Passagiere verletzt wurden.

Miniaturisierung macht Chips anfälliger


Eine Studie aus dem Jahr 2004 hatte bereits ergeben, dass schon eine kleine Serverfarm durch solche "kosmischen" SEUs alle 17 Stunden einen potenziellen Netzwerkfehler erlebt. Wer mit seinem Laptop im Flugzeug arbeitet, könnte sogar alle fünf Stunden einen "Bit-Flip" mit negativen Folgen erfahren. Seither allerdings ist die Elektronik weiter geschrumpft und dadurch wird noch weniger Energie benötigt, um ein Bit umkippen zu lassen.

"Die Chip-Hersteller sind wegen dieses Problems besorgt, weil es schwerwiegender wird, je kleiner die Transistoren in den Computerchips werden", erklärt Bhuva. Im Auftrag mehrere großer Hersteller haben er und seine Kollegen daher untersucht, wie gefährdet die heutigen 16-Nanometer-Transistoren gegenüber solchen spontanen SEUs sind. Sie beschossen dafür verschiedene Mikrochips mit unterschiedlich hohen Dosen von Neutronen.

Bei den einzelnen Transitoren sind die SEU-Raten gesunken, weil aber immer mehr pro System eingesetzt werden, steigt die Fwhlerrate insgesamt weiter an.

Bei den einzelnen Transitoren sind die SEU-Raten gesunken, weil aber immer mehr pro System eingesetzt werden, steigt die Fwhlerrate insgesamt weiter an.

Fehlerrate nimmt zu


Das Ergebnis: Die Rate der strahlungsbedingten Bit-"Mutationen" hat sich durch die Miniaturisierung der Elektronik tatsächlich erhöht. Zwar verringert die heute übliche 3D-Architektur der meisten 16-Nanometer Chips die Zahl solcher SEUs. Aber durch die immer größere Zahl an Transistoren in den Geräten steigt die Fehlerrate auf Systemebene dennoch weiter an, wie Bhuva berichtet.

"Unsere Studie bestätigt, dass es ein schwerwiegendes und wachsendes Problem ist - wenn auch in der breiten Öffentlichkeit nahezu unbekannt", so der Forscher. In der Raumfahrt, der Luftfahrt, dem Militär und anderen Bereichen sorgen schon seit längerem Strahlenschutzmaßnahmen und Redundanzen dafür, dass bei einem Bit-Flip an kritischer Stelle nicht gleich das ganze System zusammenbricht.

Bei günstiger Alltagselektronik jedoch ist dies bisher jedoch kaum der Fall. "Die Alltagselektronik hinkt hier noch hinterher", sagt Bhuva. Wenn demnach unser Handy einfriert oder der Rechner abstürzt, müssen nicht immer Softwarefehler von Apple, Microsoft oder Google die Schuldigen sein. Es kann auch sein, dass ein Treffer kosmischer Strahlung dahinter steckt. (2017 AAAS Annual Meeting)
(Vanderbilt University, 21.02.2017 - NPO)
 
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