手机去世机：原因竟然可能是宇宙射线中的高能粒子！

大概，我们并不会意识到，来自外太空的亚原子粒子正在对我们的智好手机、打算机和其他个人电子设备造成影响和毁坏，然而美国范德堡大学研究职员为我们揭开了个中的秘密，并详细研究了“单粒子翻转”对付半导体电子产品的影响。

宇宙射线影响电子产品

电脑发生去世机时，我们会看到恐怖的蓝屏。
智好手机去世机时，我们必须等一段韶光才能重启。
碰着这些烦人的情形，我们很可能会责怪电子产品制造商：微软、苹果、三星。
然而，让我们猜想不到的是，很多情形下，消费电子产品产生的运行故障，是由来自太阳系以外的宇宙射线产生的带电粒子而引起的。

（图片来源：维基百科）

宇宙射线，以靠近光速的速率传播，当它穿过大气层时，会创造出次级宇宙射线粒子瀑布，个中包含： 「高能中子」、「介子」、「介子」和「粒子」。
短短一秒钟就会有数以百万计的粒子穿透你的身体。
虽然这个数量很弘大，但是亚原子粒子流是极其细微的，对付生物体也没有已知的有害影响。

单粒子翻转

然而，这些粒子中的一部分携带了足够能量，会滋扰微电子电路的运行。
当它们与集成电路交互时，有可能改变存储器中的某个数据比特的值。
这个被成为“单粒子翻转效应”，英文：Single-event upset，也称为：SEU。

在2月17日，于波士顿召开的美国科学促进会的年度会议上， 美国范德堡大学电子工程教授 Bharat Bhuva，在题为《太阳耀斑多云的机会：太空景象风险量化》“Cloudy with a Chance of Solar Flares: Quantifying the Risk of Space Weather”的讲习会上， 说道：

“这真是一个大问题，但它对付公众年夜众来说是不可见的。
”

但是，我们很难确定这些粒子何时何地影响集成电路，而且它们并不会造成任何物理危害，以是它们造成的故障难以描述。

以是，判断SEU发生的情形并不是那么大略和直接。
Bhuva 阐明道：

“当你创造单比特发生翻转，它可能时很多缘故原由引起的，例如可能是由软件或者硬件毛病引起的。
判断单粒子翻转效应的唯一路子，便是打消其他可能的成因。
”

Bhuva报告称，SEU引起过一些列的事件，问题十分严重。
有一些例子可以证明：

2003年，在比利时斯哈尔贝克镇，电子器件的单比特翻转为某一位候选人额外增加了4096个选票。
由于这个候选人得到的选票超过了逻辑可能性，这个缺点才被检讨到，调查职员终极追查到了机器中的某个寄存器；

2008年，澳洲航空一架重新加坡飞往珀斯的客机，个中的航空电子设备系统， 由于单粒子翻转，从而导致自动驾驶仪失落灵。
结果，客机在23秒之内，急剧低落了690英尺，导致三分之一的搭客严重受伤，使得客机在最近的飞机跑道迫降；

其余，航空公司的电脑还发生过有一些列无法阐明的小故障，造成数百家航班取消的重大经济丢失，专家认为有一些可能是SEU造成的。

赛普拉斯半导体公司的 Ritesh Mastipuram 和 Edwin Wee 对付上一代技能中电子设备中的SEU失落败率剖析显示，这个问题可能十分普遍。

他们的研究成果揭橥于2004年的《电子设计新闻》杂志上，评估如下：

.1个具有500KB内存的大略手机每28年可能会发生1个潜在的缺点。

某些互联网做事公司利用的只有25GB的内存的路由器，每17小时就会发生1个潜在的网络缺点中断他们的运行。

1个人乘坐飞机翱翔在35,000英尺高度（这个高度的辐射级别比海平面要高很多），利用一台500KB内存的条记本电脑事情，电脑每5个小时就会经历1次潜在的缺点。

研究先容

Bhuva 是范德堡大学辐射效应研究小组的成员，这个研究小组成立于1987年，是美国研究辐射对付电子系统影响的最大学术项目。

这个小组紧张专注于军事和航天运用。
从2001年开始，小组也开始剖析陆地环境中的消费电子产品的辐射效应。
他们研究了过去八代电脑芯片技能中的这个征象，包括目前一代的芯片技能，利用3D晶体管（FinFET），尺寸只有16纳米。

这种16纳米的研究由一组顶尖半导体公司包括：Altera、ARM、 AMD、 Broadcom、 Cisco Systems、 Marvell、 MediaTek、 Renesas、 Qualcomm、 Synopsys、 TSMC 联合资助。

Bhuva 说：

“半导系统编制造商十分担心这个问题，由于打算机芯片中利用的晶体管尺寸在变小，数字系统的能力和容量在增加，这个问题变得越来越严重。
其余，微电子电路目前无处不在，我们的社会对它的依赖越来越多。
”

16纳米芯片的SEU研究

为了研究16纳米芯片中的SEU发生率，范德堡大学的科研职员将集成电路样本，带进了洛斯阿拉莫斯国家实验室的芯片和电子辐射（ICE）房间进行剖析。
在房间中，他们让集成电路暴露于中子束中，然后剖析芯片经历过多少个SEU。

专家们以FIT（它代表了实时失落败率）作为单位，丈量微电子电路的失落败率。
一个FIT是指「一个晶体管在十亿小时运行中发生一次失落败」。
这数量看上去极小，但是我们现在利用的电子设备数量达到数十亿级（单单智好手机的数量就达到了数十亿级），设备中的晶体管数量也达到了数十亿级，以是这个数字增加的很快。
大多数电子组件的失落败率都在几百或者几千FIT。

目前三种紧张制造工艺中，单个晶体管、集成电路、系统级别的单粒子翻转失落败率趋势。

（图片来源于：范德堡大学/Bharat Bhuva）

Bhuva 说：

“通过研究，我们确认这是一个日益严重的问题。
但是它并没有让我们冲动惊异，我们在研究军事和空间运用过程中，对付电子电路辐射效应进行了研究，我们一贯预期电子系统运行中会发生这种效应。
”

研究结论

只管范德堡大学的研究细节是专利性的，不便过多透露。
但是，Bhuva描述了他们从过去三代集成电路技能：28纳米、20纳米、16纳米中，得出的总体趋势。

从图片得出，高能粒子攻击带来一个比特“翻转”：从0到1（或者从1到0）的可能性，随着集成电路制造工艺改进，在「集成电路」和「晶体管」级别在减小，在「系统」级别却在增加。

随着晶体管尺寸紧缩，代表一个逻辑位所须要电荷越来越少。
其余，由于晶体管变得更小，它们变成了更小的目标，以是它们被攻击的可能性也在减小，以是发生单比特翻转的可能性也在减少。

更主要的是，目前一代16纳米的电路具有3D构造，可以取代之前的2D构造，从而显著减少了SEU的发生。
只管这个改进被每个芯片中晶体管数量的增加抵消，每个芯片中的失落败率仍旧显著降落。

然而，新型电子系统中晶体管总体数量的增加，意味着每个设备系统层面的SEU失落败率仍旧在持续增加。

应对SEU问题

不幸地是，让微电子设备屏蔽这些高能粒子的影响，目前还无法实现。
例如，让电路免受高能中子攻击，须要超过10英尺厚的混凝土。

然而，一些打算机芯片方面的改进设计，可以动态地减少受高能粒子攻击的可能。
对付那些可靠性哀求极度主要的情形，你可以将处理器设计为“一式三份”，让他们进行投票。

对此，Bhuva 指出：

“两个电路同时发生SEU的可能性险些为零。
以是，如果两个电路产生同样的结果，那么可以确保终极结果精确。
”

NASA就曾经利用这个方案，从而最大化航天飞船打算机系统的可靠性。

（图片来源：维基百科）

研究意义

这项研究带来的好便是，航空、医疗设备、IT、运输、通信、金融和电力行业，将普遍意识到这个问题，并且采纳相应的应对方法。

然而，Bhuva 却说：

“只有消费电子行业，在应对这个问题方面一贯拖后腿。
”

大概，对付行业和工程师来说是一个紧张问题，但是"大众还不须要过多的担心这个问题，由于对付一样平常的消费电子设备来说，可靠性还是可以知足大众需求的。

参考资料

【1】https://news.vanderbilt.edu/2017/02/17/alien-particles-from-outer-space-are-wreaking-low-grade-havoc-on-personal-electronic-devices/

更多前沿技能和创新产品，请关注微信"大众年夜众号：IntelligentThings，或者联系作者个人微信：JohnZh1984