Міжгалактична загроза для наших комп’ютерів. Як захиститися?

На початку 80-х років минулого століття інженери компанії IBM зіткнулися з проблемою. На більшій частині території США в разі відмови модуля пам'яті комп'ютера декількох стандартних тестів вистачало, щоб діагностувати джерело несправності. Але у Денвері, штат Колорадо, 80% відмов не знаходили пояснення. Всі тести показували, що модулі працюють ідеально. Фахівцям компанії вдалося врешті-решт розгадати цю загадку, виявивши джерело проблем в інших світах, у тисячах і мільйонах світлових років від нашої планети. Це були не інопланетяни, як хтось із читачів міг подумати, а космічні промені.

Ці міжгалактичні мандрівники можуть пошкоджувати електроніку, і сьогодні вони дедалі більше впливають на рішення, що застосовуються в розробці комп'ютерів. Космічні промені — це крихітні частинки, зазвичай ядра водню або гелію. Вони утворюються внаслідок вибухів наднових зірок або інших катаклізмів космічного масштабу і летять до Землі зі швидкістю 99% від швидкості світла.

Вчені ще в середині минулого століття з'ясували, що радіація вкрай негативно впливає на електроніку, незалежно від того, що її випромінює — Сонце або вибух атомної бомби. Космічні апарати, що запускаються людиною, вже багато десятиліть стикаються з проблемою космічної радіації. Але тут, на Землі, всі чомусь були переконані, що нас захищає атмосфера. І вона дійсно оберігає, якщо так можна висловитися, від прямих попадань. Але річ у тім, що космічні промені «нашпиговані» енергією. Коли їхні частки врізаються в молекули, з яких складається наше повітря, вони нікуди не зникають. Навпаки, зіткнення породжує цілий виводок інших частинок, які називаються вторинними променями, кожен з яких слабкіший за космічний, але все одно має дуже високу швидкість. Більшість вторинних променів поглинаються або відбиваються іншими молекулами повітряного середовища. Але час від часу вони все ж досягають поверхні планети. І що ж вони там зустрічають? Правильно, електроніку!

Всередині вашого комп'ютера, як ви напевно знаєте, безперервно переміщаються електрони. Це фізичне втілення тих самих смайликів, програмного забезпечення, серіалів і фільмів. Багато з цих частинок містяться у пам'яті комп'ютера — так званих чипах. Вони перебувають у постійному русі навколо цих мікроскопічних електронних сховищ, постійно входять і виходять з них, щоби пам'ятати ті одиниці й нулі, які називаються бітами інформації.

Тепер уявімо, що нейтрон вторинного променя врізається в ядро атома кремнію, з якого виготовлений чип пам'яті, і передає йому енергію, достатню для того, щоби зруйнувати це ядро. Відбувається мікроскопічна реакція ядерного ділення, та сама, яка використовується в корисних цілях в атомних реакторах. Позитивно заряджені осколки ядра проносяться по чипу, вибиваючи електрони, що мають негативний заряд. Іноді внаслідок реакції зачіпається до кількох тисяч електронів одного чипа пам'яті. Коли це відбувається, одиниці стають нулями і навпаки.

Зареєстровані випадки, коли космічні промені псували вміст комп'ютерної пам'яті. Вчені називають це явище «пошкодженням внаслідок одиничної події» (single-event upset, SEU). Одинична подія означає в цьому випадку, що чип не отримав постійних пошкоджень. Тобто якщо ви перевірите пам'ять після нього, всі тести пройдуть успішно. Це те, що називається «короткочасною помилкою».

Вторинні промені зустрічаються всюди, але чим вище ви перебуваєте, тим більше шансів у нейтрона зустрітися з вами, оскільки між вами і ним на висоті набагато менше молекул повітряного середовища, ніж на рівні моря. Ось чому комп'ютери в Денвері, розташованому на висоті близько 1,5 км, були більш схильні до тимчасових відмов пам'яті. Проблема, як бачимо, знайшла своє пояснення.

Велика частина SEU, якщо не брати до уваги періодичних «синіх екранів смерті», не викликає скільки-небудь помітних проблем. Ви ж не відмовитеся від перегляду чергової серії «Ігри престолів», якщо десь на екрані монітора випадатиме один піксель? Однак час від часу події набувають набагато більш драматичного характеру. Так, наприклад, у 2003 році комп'ютер, що підбивав підсумки голосування в бельгійській комуні Скарбек, додав 4096 голосів одному з кандидатів лише через один помилковий біт. У 2008 році пасажирський лайнер австралійської авіакомпанії Qantas несподівано спікірував на кілька сотень метрів за 20 секунд. Непристебнуті пасажири підскочили до стелі літака. Важко стверджувати напевно, але найправдоподібнішим поясненням в обох випадках є вплив космічних променів. Аерокосмічна промисловість провела величезну дослідницьку роботу, щоб захистити електроніку від радіації й запобігти інцидентам, подібним до того, який стався з австралійським лайнером.

Пристрої з великим об'ємом комп'ютерної пам'яті і ті, що функціюють безперервно, також потребують додаткового захисту. Це стосується суперкомп'ютерів, серверних ферм і мережевого устаткування. По мірі розвитку технологій SEU починають становити загрозу навіть для стільникових телефонів, бортових комп'ютерів автомобілів і пристроїв масштабу розумних дверних дзвінків. Електронні схеми стають дедалі компактнішими, через що збільшується ризик помилкового інвертування розрядів. Водночас ми продовжуємо впихати в наші комп'ютери все більше транзисторів, основних кремнієвих компонентів чипів та іншої електроніки, надаючи високоенергетичним часткам більше цілей для руйнування.

Наразі інженери працюють над трьома лініями захисту. Перша — зміна розбивки компонентів транзисторів таким чином, щоб обмежити кількість заряду, яка може переміщатися між ними. Це допоможе мінімізувати ймовірність помилок. Друга стратегія полягає в тому, щоб виявляти й виправляти помилки безпосередньо в чипі пам'яті. Пам'ять з корекцією помилок, вона ж ECC-пам'ять (від Error Checking and Correcting) відстежує кількість одиниць, яка має бути в кожному блоці пам'яті, що дозволяє чипу виявляти помилку і повертати бітам правильні значення. ECC-пам'ять широко використовується в центрах обробки даних. Придбати її можна і для персонального комп'ютера.

І, нарешті, третій підхід до розв'язання проблеми полягає в тому, що ви визнаєте можливість помилок і намагаєтеся обійти їх. Найяскравіше ця тактика проявляється при проектуванні космічних апаратів і літаків, чиї електронні схеми дублюються по кілька разів. Будь-які обчислення в них починаються заново, якщо результати не сходяться хоча б по одному контуру.

Крім того, можна використовувати спеціальні програми для пошуку підозрілих даних або просто до певного моменту миритися з деякою неточністю результатів. У кожного з рішень є своя ціна, яка може виражатися в потужності, розмірі, швидкості чи грошах. Але іноді це того варте, особливо якщо від електроніки залежить людське життя.

По мірі того як кількість електроніки повсюдно збільшується, а її розміри неухильно зменшуються, ми повинні приділяти дедалі більше уваги захисту від космічних променів, які бомбардують нашу планету з глибин Всесвіту. Але ми всі знаємо, що люди навчилися виживати навіть у найбільш ворожому середовищі. Так, нам знадобиться величезний обсяг роботи в галузі математики та фізики, щоб зберегти свій нинішній, комп'ютеризований спосіб життя, але хіба хтось має сумніви, що нам це під силу?

Підготувала Ольга ШОКІНА