Unsichtbare, energiereiche Partikel regnen ständig aus dem Weltall auf die Erde ein. Normalerweise unbemerkt, können die Einschläge aber bei schnellen Rechnern Fehler verursachen. Wie sich das feststellen und verhindern lässt, hat jetzt ein deutscher Informatiker erforscht und eine entsprechende Technik entwickelt.
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Bei jedem neuen Computer werden die Leiterbahnen und die Transistoren auf den Chips schmaler, oft sind sie nur noch einige Atome dick. Dadurch steigt das Risiko, dass elektrisch geladene Partikel – vor allem rasend schnelle Neutronen aus dem Weltall – gleich mehrere Bauteile mit einem „Treffer“ beschädigen. Bernhard Fechner, Doktorand an der Fernuniversität Hagen, hat nun Techniken entwickelt, mit denen dadurch verursachte Fehler erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
6.300 Einschläge pro Quadratzentimeter und Stunde
Gefährdet ist grundsätzlich jeder Rechner. Je schneller er arbeitet, desto größer ist das Risiko. In Kiel wurden durchschnittlich 6.300 Neutroneneinschläge pro Stunde gezählt, der Spitzenwert weltweit liegt bei 14.400 Treffern – und das auf einem einzigen Quadratzentimeter. „Schlagen“ diese in eine Leiterbahn ein, kann ein Bit umkippen. Breitet sich die Falsch-Ladung im gesamten Chip aus, kann dies das gesamte Systemdurcheinanderbringen: „Dann kann plötzlich in einem Auto der Motor ’stottern‘ oder das Antiblockiersystem versagen“, erläutert Fechner, „oder es wird beim Online-Banking vielleicht ein anderer Betrag überwiesen.“
Je schneller ein Rechner ist, desto größer sind die Gefahren des ständigen Partikelregens. Selbst Mauern passiert die Neutronenstrahlung problemlos. Strahlende Alpha-Teilchen – die ebenfalls Schäden verursachen können – finden sich sogar in der Verpackung von Computerchips. Schützen kann man sich also nicht, daher muss man Fehler erkennen und korrigieren können.
Fehlererkennungdurch „Echo“
In einer deutschlandweit einzigartigen Studie hat sich Fechner im Rahmen seiner Dissertation mit den Fehlern befasst, die auf einem Münchner Supercomputer entstehen. Die Untersuchung zeigt die Entwicklung von Fehlerraten auf: „Steigt sie plötzlich stark an muss man die Fehlerüberdeckung ‚hochschrauben'“, erläutert Fechner: Es werden mehr Fehler erkannt – auf Kosten der Rechenleistung. Hierfür hat Fechner eine Automatik entwickelt. Bei steigender Fehlerrate schaltet sie Komponenten zu, die Fehler finden. Unter Umständen schaltet sie sogar den Prozessor ab.
Für die Fehlererkennung benutzt Fechner unter anderem ein Echo des tatsächlichen Programms – eine bereits länger bekannte Methode. Der zeitliche Versatz zwischen dem Programm und seinem Echo soll im Durchschnitt etwa fünf Takte betragen, bei einer Taktfrequenz von einem Gigahertz also fünf Nanosekunden. Verglichen werden Programm und Echo bei „Schleifen“, Abfolgen von Programmanweisungen, die mehrfach durchlaufen werden.
Vor allem für Mehrprozessor-Systeme geeignet
Weil die ständige Speicherung der Sprungziele innerhalb einer Schleife den Speicher schnell füllt, hat Fechner dafür gesorgt, dass gleiche Sprungziele nur einmal gespeichert werden. Sich ständig wiederholende Arbeitsabläufe werden durch einen „Prüf-Thread“ viel effizienter gestaltet, indem sie im Prozessor gespeichert werden. Besonders geeignet ist diese Entwicklung für Systeme mit mehreren Prozessoren. Von all‘ dem merken die Anwendenden nichts, versichert Fechner: „Wir haben die Hardware so wenig geändert, dass die Programme ganz normal weiterlaufen.“
(FernUniversität in Hagen, 03.11.2008 – NPO)
