Von: Dennis L.
Energiereiche Teilchen

Kosmische Strahlung ändert Bits in digitalen Codes

Wir Forscher nun belegen konnten, können die energiereichen Teilchen der kosmischen Strahlung einzelne Bits verändern und somit Computer und Smartphones zum Abstürzen bringen.

Kosmische Strahlung ändert Bits in digitalen Codes.
© nasa.gov

Nashville (U.S.A.). Da das Magnetfeld der Erde den Großteil der kosmischen Strahlung abschirmt, sind wir auf unserem Planeten relativ gut vor ihr geschützt. Jedoch schaffen es auch immer wieder kosmische Teilchen durch das Magnetfeld und kollidieren dann in der Atmosphäre mit Gasmolekülen und erzeugen so energiereiche Sekundärteilchen wie Alphateilchen, Myonen, Neutronen und sogar Higgs-Bosonen.

So treffen bzw. durchfliegen jede Sekunde mehrere Milliarden Teilchen jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche und alles, was auf ihr zu finden ist. Die meisten Teilchen reagieren jedoch nicht mit den Molekülen auf die sie treffen. Jedoch haben Forscher der Vanderbilt University in Nashville nun herausgefunden, dass wenn diese Teilchen auf elektronische Geräte treffen, es zu fatalen Fehlern und Systemabstürzen kommen kann.

Aus einer 0 wird eine 1 – oder umgekehrt

Ein solcher kosmischer Treffer in einem elektronischen Gerät kann dazu führen, dass ein Bit im digitalem Code umspringt – also von einer 0 auf eine 1 oder umgekehrt. IT-Experten sprechen dabei von einem Single-Event Upset oder kurz SEU. Die Problematik bei einem solchen Vorfall ist, dass wenn ein kritisches Bit geändert wird, es zu Systemfehlern oder gar ganzen Systemausfällen kommen kann.

Diese Bit-Änderungen passieren jeden Tag - mehrfach. Besonders große Auswirkungen gab es beispielsweise im Jahr 2003, als ein Bit in einem Wahlcomputer in der belgischen Gemeinde Schaerbeek geändert wurde. Durch den Fehler hatte ein Wähler irrtümlicherweise 4.000 Wählerstimmen. Im Jahr 2008 sorgte ein geändertes Bit in einem Flugzeug für einen Fehler im Autopilot. Das Linienflugzeug befand sich dadurch 23 Sekunden im Sturzflug. Hierbei wurde gut ein Drittel der Flugpassagiere verletzt.

Um ein Beispiel zu nennen, wie häufig ein SEU passiert, eignet sich eine Studie aus dem Jahr 2004. So kommt es bei einer kleineren Serverfarm alle 17 Stunden zum Umspringen eines Bits. In großer Höhe, beispielsweise in einem Flugzeug sogar alle fünf Stunden.

Kleinere Chips sind anfälliger

Wer denkt, dass kleinere Chips schwieriger zu treffen sind, der irrt. Der Nachteil kleinerer Chips ist, dass weniger Energie benötigt wird um ein Bit zu ändern. Und auch die Beobachtungen der letzten Jahre zeigt: Je kleiner die Mikrochips werden, desto schneller werden Bits durch die kosmische Strahlung geändert. Zwar wird durch die 3D-Architektur der meisten 16-Nanometer Chips die Zahl der SEUs verringert, jedoch steigt die Anzahl der Transistoren in den meisten Geräten, was die Fehlerrate dennoch weiter erhöht.

In der Luftfahrt, der Raumfahrt und beim Militär rüstet man derzeit mit neuen Strahlungsschutzmaßnahmen auf Redundanzen auf. So will man kritische Systemfehler in Zukunft vermeiden.

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