手機死機：原因竟然可能是宇宙射線中的高能粒子！

導讀

也許，我們並不會意識到，來自外太空的亞原子粒子正在對我們的智能手機、計算機和其他個人電子設備造成影響和破壞，然而美國范德堡大學研究人員為我們揭開了其中的秘密，並詳細研究了「單粒子翻轉」對於半導體電子產品的影響。

宇宙射線影響電子產品

電腦發生死機時，我們會看到可怕的藍屏。智能手機死機時，我們必須等一段時間才能重啟。遇到這些煩人的情況，我們很可能會責怪電子產品製造商：微軟、蘋果、三星。然而，讓我們意料不到的是，很多情況下，消費電子產品產生的運行故障，是由來自太陽系以外的宇宙射線產生的帶電粒子而引起的。

（圖片來源：維基百科）

宇宙射線，以接近光速的速度傳播，當它穿過大氣層時，會創造出次級宇宙射線粒子瀑布，其中包含： 「高能中子」、「μ介子」、「π介子」和「α粒子」。短短一秒鐘就會有數以百萬計的粒子穿透你的身體。雖然這個數量很龐大，但是亞原子粒子流是極其細微的，對於生物體也沒有已知的有害影響。

單粒子翻轉

然而，這些粒子中的一部分攜帶了足夠能量，會干擾微電子電路的運行。當它們與集成電路交互時，有可能改變存儲器中的某個數據比特的值。這個被成為「單粒子翻轉效應」，英文：Single-event upset，也稱為：SEU。

在2月17日，于波士頓召開的美國科學促進會的年度會議上， 美國范德堡大學電子工程教授 Bharat Bhuva，在題為《太陽耀斑多雲的機會：太空天氣風險量化》「Cloudy with a Chance of Solar Flares: Quantifying the Risk of Space Weather」的講習會上， 說道：

「這真是一個大問題，但它對於公眾來說是不可見的。」

但是，我們很難確定這些粒子何時何地影響集成電路，而且它們並不會造成任何物理損害，所以它們造成的故障難以描述。

所以，判斷SEU發生的情況並不是那麼簡單和直接。Bhuva 解釋道：

「當你發現單比特發生翻轉，它可能時很多原因引起的，例如可能是由軟體或者硬體缺陷引起的。判斷單粒子翻轉效應的唯一途徑，就是排除其他可能的成因。」

Bhuva報告稱，SEU引起過一些列的事故，問題十分嚴重。有一些例子可以證明：

2003年，在比利時斯哈爾貝克鎮，電子器件的單比特翻轉為某一位候選人額外增加了4096個選票。由於這個候選人得到的選票超過了邏輯可能性，這個錯誤才被檢查到，調查人員最終追查到了機器中的某個寄存器；

2008年，澳洲航空一架從新加坡飛往珀斯的客機，其中的航空電子設備系統， 由於單粒子翻轉，從而導致自動駕駛儀失靈。結果，客機在23秒之內，急劇下降了690英尺，導致三分之一的乘客嚴重受傷，使得客機在最近的飛機跑道迫降；

另外，航空公司的電腦還發生過有一些列無法解釋的小故障，造成數百家航班取消的重大經濟損失，專家認為有一些可能是SEU造成的。

賽普拉斯半導體公司的 Ritesh Mastipuram 和 Edwin Wee 對於上一代技術中電子設備中的SEU失敗率分析顯示，這個問題可能十分普遍。

他們的研究成果發表於2004年的《電子設計新聞》雜誌上，評估如下：

.1個具有500KB內存的簡單手機每28年可能會發生1個潛在的錯誤。

某些互聯網服務公司使用的只有25GB的內存的路由器，每17小時就會發生1個潛在的網路錯誤中斷他們的運行。

1個人乘坐飛機飛行在35,000英尺高度（這個高度的輻射級別比海平面要高很多），使用一台500KB內存的筆記本電腦工作，電腦每5個小時就會經歷1次潛在的錯誤。

研究介紹

Bhuva 是范德堡大學輻射效應研究小組的成員，這個研究小組成立於1987年，是美國研究輻射對於電子系統影響的最大學術項目。

這個小組主要專註于軍事和航天應用。從2001年開始，小組也開始分析陸地環境中的消費電子產品的輻射效應。他們研究了過去八代電腦晶元技術中的這個現象，包括目前一代的晶元技術，使用3D晶體管（FinFET），尺寸只有16納米。

這種16納米的研究由一組頂尖半導體公司包括：Altera、ARM、 AMD、 Broadcom、 Cisco Systems、 Marvell、 MediaTek、 Renesas、 Qualcomm、 Synopsys、 TSMC 聯合贊助。

Bhuva 說：

「半導體製造商十分擔心這個問題，由於計算機晶元中使用的晶體管尺寸在變小，數字系統的能力和容量在增加，這個問題變得越來越嚴重。另外，微電子電路目前無處不在，我們的社會對它的依賴越來越多。」

16納米晶元的SEU研究

為了研究16納米晶元中的SEU發生率，范德堡大學的科研人員將集成電路樣本，帶進了洛斯阿拉莫斯國家實驗室的晶元和電子輻射（ICE）房間進行分析。在房間中，他們讓集成電路暴露於中子束中，然後分析晶元經歷過多少個SEU。

專家們以FIT（它代表了實時失敗率）作為單位，測量微電子電路的失敗率。一個FIT是指「一個晶體管在十億小時運行中發生一次失敗」。這數量看上去極小，但是我們現在使用的電子設備數量達到數十億級（單單智能手機的數量就達到了數十億級），設備中的晶體管數量也達到了數十億級，所以這個數字增加的很快。大多數電子組件的失敗率都在幾百或者幾千FIT。

目前三種主要製造工藝中，單個晶體管、集成電路、系統級別的單粒子翻轉失敗率趨勢。

（圖片來源於：范德堡大學/Bharat Bhuva）

Bhuva 說：

「通過研究，我們確認這是一個日益嚴重的問題。但是它並沒有讓我們感動驚訝，我們在研究軍事和空間應用過程中，對於電子電路輻射效應進行了研究，我們一直預期電子系統運行中會發生這種效應。」

研究結論

儘管范德堡大學的研究細節是專利性的，不便過多透露。但是，Bhuva描述了他們從過去三代集成電路技術：28納米、20納米、16納米中，得出的總體趨勢。

從圖片得出，高能粒子攻擊帶來一個比特「翻轉」：從0到1（或者從1到0）的可能性，隨著集成電路製造工藝改進，在「集成電路」和「晶體管」級別在減小，在「系統」級別卻在增加。

隨著晶體管尺寸收縮，代表一個邏輯位所需要電荷越來越少。另外，由於晶體管變得更小，它們變成了更小的目標，所以它們被攻擊的可能性也在減小，所以發生單比特翻轉的可能性也在減少。

更重要的是，目前一代16納米的電路具有3D結構，可以取代之前的2D結構，從而顯著減少了SEU的發生。儘管這個改進被每個晶元中晶體管數量的增加抵消，每個晶元中的失敗率仍然顯著降低。

然而，新型電子系統中晶體管總體數量的增加，意味著每個設備系統層面的SEU失敗率仍然在持續增加。

應對SEU問題

不幸地是，讓微電子設備屏蔽這些高能粒子的影響，目前還無法實現。例如，讓電路免受高能中子攻擊，需要超過10英尺厚的混凝土。

然而，一些計算機晶元方面的改進設計，可以動態地減少受高能粒子攻擊的可能。對於那些可靠性要求極端重要的情況，你可以將處理器設計為「一式三份」，讓他們進行投票。

對此，Bhuva 指出：

「兩個電路同時發生SEU的可能性幾乎為零。所以，如果兩個電路產生同樣的結果，那麼可以確保最終結果正確。」

NASA就曾經使用這個方案，從而最大化航天飛船計算機系統的可靠性。

（圖片來源：維基百科）

研究意義

這項研究帶來的好消息就是，航空、醫療設備、IT、運輸、通信、金融和電力行業，將普遍意識到這個問題，並且採取相應的應對措施。

然而，Bhuva 卻說：

「只有消費電子行業，在應對這個問題方面一直拖後腿。」

也許，對於行業和工程師來說是一個主要問題，但是公眾還不需要過多的擔心這個問題，因為對於一般的消費電子設備來說，可靠性還是可以滿足大眾需求的。

參考資料

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