Problemen met je pc of smartphone kunnen vaker dan je wellicht denkt een buitenaardse oorzaak hebben, zo stelt een Amerikaanse onderzoeker.

En producenten van consumentenelektronica zouden meer moeite moeten doen om de impact van buitenaardse deeltjes op onze spullen te beperken. Dat concludeert onderzoeker Bharat Bhuva, professor aan de Vanderbilt University in een presentatie die hij onlangs gaf tijdens een bijeenkomst van de American Association for the Advancement of Science.

Geflipte bit

Hoe erg kan het zijn als één bit ‘flipt’ en een 0 een 1 wordt of omgekeerd? Nou, best wel erg, zo hebben we in het verleden gezien. In 2003 ontstonden daardoor bijvoorbeeld problemen in een Belgische stemmachine. In Schaerbeek veranderde een bit, waardoor een kandidaat er in één klap 4096 extra stemmen bij kreeg. En in 2008 stopte de autopilot van een passagiersvliegtuig dat van Singapore naar Perth vloog, er plots mee. De oorzaak? Hoogstwaarschijnlijk een SEU. Het vliegtuig dook in 23 seconden tijd meer dan 200 meter naar beneden. Een groot deel van de passagiers raakte gewond en het vliegtuig moest een noodlanding maken.

Het probleem
Wanneer kosmische straling op de aardse atmosfeer stuit, ontstaan tal van deeltjes, waaronder de energetische neutronen, pionen en muonen. Miljoenen van deze deeltjes regenen elke seconde van de dag op ons lichaam en dat heeft voor zover we weten geen schadelijke gevolgen voor onze gezondheid. Anders is het voor jouw smartphone die met dezelfde geladen deeltjes bekogeld wordt. Een fractie van deze deeltjes draagt namelijk voldoende energie met zich mee om micro-elektrische schakelingen in het apparaat overhoop te gooien. En wanneer de deeltjes de interactie aangaan met geïntegreerde schakelingen, kunnen ze individuele bits veranderen. Dat noemen onderzoekers een Single-Event Upset, kortweg SEU.

Lastig te identificeren
Het is nog niet zo eenvoudig om een probleem met je smartphone of pc met zekerheid toe te kunnen schrijven aan buitenaardse deeltjes. “Wanneer een bit verandert, kan dat een aantal oorzaken hebben,” legt Bhuva uit. “Het kan een probleem met de software of hardware zijn bijvoorbeeld. Je kunt maar op één manier vaststellen dat het een SEU is: alle andere oorzaken uitsluiten.”

De frequentie
Maar hoe vaak veroorzaken buitenaardse deeltjes nu problemen met consumentenelektronica? Bhuva doet sinds 2001 onderzoek naar het effect dat deze energierijke deeltjes op consumentenelektronica kan hebben. En daaruit blijkt dat een eenvoudige smartphone met 500 KB geheugen gemiddeld slechts één keer in de 28 jaar de fout ingaat door buitenaardse deeltjes. Werk je in een vliegtuig – dat zich op grote hoogte bevindt en met een hoger stralingsniveau te maken heeft – op een laptop met 500 kilobytes geheugen dan kan er elke vijf uur een foutje ontstaan door toedoen van buitenaardse deeltjes.

“Ons onderzoek bevestigt dat dit een serieus en groeiend probleem is”

Groeiend probleem
Daarmee is het geen gigantisch probleem, erkent Bhuva. Maar het is wel een groeiend probleem, zo suggereert recent onderzoek. Tijdens deze studie gingen Bhuva en collega’s na welk effect buitenaardse deeltjes op de nieuwste computerchips hebben, waaronder de huidige generatie die gebruik maakt van FinFET-transistoren en slechts 16 nanometer groot zijn. De onderzoekers vuurden neutronen op de chips af en keken wat er gebeurde. Doordat de transistoren steeds kleiner worden, hoeft de elektrische lading die vereist is om een bit te veranderen ook niet meer zo groot te zijn. Hierdoor is de kans dat een bit door toedoen van buitenaardse deeltjes verandert, toegenomen. Tegelijkertijd merken de onderzoekers op dat de kans dat een deeltje op een transistor stuit veel kleiner is geworden, omdat de transistoren kleiner zijn geworden. Bovendien hebben de 16 nm-schakelingen een opbouw die ze minder vatbaar maakt voor SEU’s. Al met al neemt het aantal SEU’s toch toe naarmate de ene generatie chips plaatsmaakt voor de volgende, zo moeten de onderzoekers concluderen. En wel omdat het totale aantal transistoren dat in een apparaat wordt gebruikt, toeneemt. “Ons onderzoek bevestigt dat dit een serieus en groeiend probleem is,” stelt Bhuva.

Betonlaagje eromheen?
Het is lastig om elektronica te beschermen tegen deeltjes die eigenlijk overal doorheen kunnen. Als je de schakelingen in je smartphone buiten het bereik van neutronen wil houden, moet je ze bijvoorbeeld in een meer dan drie meter dikke laag beton storten. Niet echt praktisch. Een andere mogelijkheid is om drie schakelingen in een apparaat te stoppen. “De kans dat SEU’s in twee van deze schakelingen tegelijkertijd ontstaat, is oneindig klein. Dus als twee schakelingen hetzelfde resultaat produceren, moet je dat als correct beschouwen,” legt Bhuva uit.

In steeds meer branches – de luchtvaart en IT bijvoorbeeld – worden maatregelen genomen om het effect dat buitenaardse deeltjes op elektronica kan hebben, tegen te gaan. “Alleen de consumentenelektronica-sector loopt nog achter als het gaat om het aanpakken van dit probleem,” stelt Bhuva. En dat moet veranderen. Tot die tijd hoeft de consument echter niet wakker te liggen van het probleem. “Dit is een groot probleem voor de industrie en engineers, maar het is niet iets waar het grote publiek zich zorgen over hoeft te maken.”