Puede que no se dé cuenta, pero las partículas extrañas subatómicas que llueven desde el espacio exterior están causando estragos de bajo grado en sus teléfonos inteligentes, computadoras y otros dispositivos electrónicos personales.
Cuando su computadora se bloquea y obtiene la temida pantalla azul o su teléfono inteligente se congela y tiene que pasar por el proceso de reinicio que lleva mucho tiempo, lo más probable es que culpe al fabricante: Microsoft o Apple o Samsung. Sin embargo, en muchos casos, estas fallas operativas pueden ser causadas por el impacto de partículas cargadas eléctricamente generadas por rayos cósmicos que se originan fuera del sistema solar.
"Este es un problema realmente grande, pero es mayormente invisible para el público", dijo Bharat Bhuva, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Vanderbilt, en una presentación el viernes 17 de febrero en una sesión titulada "Nublado con una oportunidadde llamaradas solares: cuantificando el riesgo del clima espacial "en la reunión anual de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia en Boston.
Cuando los rayos cósmicos que viajan a fracciones de la velocidad de la luz golpean la atmósfera de la Tierra, crean cascadas de partículas secundarias que incluyen neutrones energéticos, muones, piones y partículas alfa. Millones de estas partículas golpean su cuerpo cada segundo. A pesar de sus números, este torrente subatómicoes imperceptible y no tiene efectos nocivos conocidos sobre los organismos vivos. Sin embargo, una fracción de estas partículas transporta suficiente energía para interferir con el funcionamiento de los circuitos microelectrónicos. Cuando interactúan con circuitos integrados, pueden alterar bits individuales de datos almacenados en la memoria.se llama trastorno de evento único o SEU. Dado que es difícil saber cuándo y dónde golpearán estas partículas y no causan ningún daño físico, las disfunciones que causan son muy difíciles de caracterizar. Como resultado, determinar la prevalencia deSEU no es fácil ni directo ". Cuando tiene un solo cambio de bit, podría tener varias causas. Podría ser un error de software o ahfalla de ardware, por ejemplo.La única manera de determinar si se trata de un trastorno de un solo evento es eliminando todas las otras causas posibles ", explicó Bhuva.
Ha habido una serie de incidentes que ilustran la gravedad del problema, informó Bhuva. Por ejemplo, en 2003 en la ciudad de Schaerbeek, Bélgica, un pequeño cambio en una máquina de votación electrónica agregó 4.096 votos adicionales a un candidato.el error solo se detectó porque le dio al candidato más votos de los posibles y se remontó a un solo giro en el registro de la máquina. En 2008, el sistema de aviónica de un avión de pasajeros Qantus que volaba de Singapur a Perth parecía sufrir un soloevento que causó que el piloto automático se desconectara. Como resultado, la aeronave se zambulló 690 pies en solo 23 segundos, hiriendo a aproximadamente un tercio de los pasajeros lo suficientemente grave como para hacer que la aeronave se desviara a la pista de aterrizaje más cercana.una serie de fallas inexplicables en las computadoras de las líneas aéreas, algunas de las cuales los expertos creen que deben haber sido causadas por SEU, que han resultado en la cancelación de cientos de vuelos y han resultado en pérdidas económicas significativas
Un análisis de las tasas de falla de SEU para dispositivos electrónicos de consumo realizado por Ritesh Mastipuram y Edwin Wee en Cypress Semiconductor en una generación anterior de tecnología muestra cuán frecuente puede ser el problema. Sus resultados se publicaron en 2004 en Electronic Design News y proporcionaron lo siguienteestimados:
· Un teléfono celular simple con 500 kilobytes de memoria solo debería tener un error potencial cada 28 años.
· Una granja de enrutadores como las que usan los proveedores de Internet con solo 25 gigabytes de memoria puede experimentar un posible error de red que interrumpe su funcionamiento cada 17 horas.
· Una persona que vuela en un avión a 35,000 pies donde los niveles de radiación son considerablemente más altos que al nivel del mar que está trabajando en una computadora portátil con 500 kilobytes de memoria puede experimentar un error potencial cada cinco horas.
Bhuva es miembro del Grupo de Investigación de Efectos de Radiación de Vanderbilt, que se estableció en 1987 y es el programa académico más grande en los Estados Unidos que estudia los efectos de la radiación en los sistemas electrónicos. El enfoque principal del grupo fue en aplicaciones militares y espaciales.En 2001, el grupo también analizó los efectos de la radiación en la electrónica de consumo en el entorno terrestre y estudió este fenómeno en las últimas ocho generaciones de tecnología de chips de computadora, incluida la generación actual que utiliza transistores 3D conocidos como FinFET que solo tienen 16 años.nanómetros de tamaño. El estudio de 16 nanómetros fue financiado por un grupo de las principales empresas de microelectrónica, incluidas Altera, ARM, AMD, Broadcom, Cisco Systems, Marvell, MediaTek, Renesas, Qualcomm, Synopsys y TSMC
"Los fabricantes de semiconductores están muy preocupados por este problema porque se está volviendo más grave a medida que el tamaño de los transistores en los chips de las computadoras se reduce y la potencia y la capacidad de nuestros sistemas digitales aumentan", dijo Bhuva. "Además, los circuitos microelectrónicos sonen todas partes y nuestra sociedad depende cada vez más de ellos "
Para determinar la tasa de SEU en chips de 16 nanómetros, los investigadores de Vanderbilt tomaron muestras de los circuitos integrados en la Casa de Irradiación de Chips y Electrónica ICE en el Laboratorio Nacional de Los Alamos. Allí los expusieron a un haz de neutrones y analizaroncuántos SEU experimentaron los chips. Los expertos miden la tasa de falla de los circuitos microelectrónicos en una unidad llamada FIT, que significa falla en el tiempo. Una FIT es una falla por transistor en mil millones de horas de operación. Eso puede parecer infinitesimal pero agregasubió extremadamente rápido con miles de millones de transistores en muchos de nuestros dispositivos y miles de millones de sistemas electrónicos en uso hoy en día el número de teléfonos inteligentes solo está en miles de millones. La mayoría de los componentes electrónicos tienen tasas de falla medidas en cientos y miles de FIT.
"Nuestro estudio confirma que este es un problema grave y creciente", dijo Bhuva. "Esto no fue una sorpresa. A través de nuestra investigación sobre los efectos de la radiación en los circuitos electrónicos desarrollados para aplicaciones militares y espaciales, hemos estado anticipando tales efectosen sistemas electrónicos que funcionan en el entorno terrestre ".
Aunque los detalles de los estudios de Vanderbilt son exclusivos, Bhuva describió la tendencia general que han encontrado en las últimas tres generaciones de tecnología de circuito integrado: 28 nanómetros, 20 nanómetros y 16 nanómetros.
Como los tamaños de los transistores se han reducido, han requerido una carga eléctrica cada vez menor para representar un bit lógico. Por lo tanto, la probabilidad de que un bit "se mueva" de 0 a 1 o de 1 a 0 cuando ha sido golpeada por una partícula energética ha sidoEsto se ha visto parcialmente compensado por el hecho de que a medida que los transistores se han vuelto más pequeños, se han convertido en objetivos más pequeños, por lo que la velocidad a la que son golpeados ha disminuido.
Más significativamente, la generación actual de circuitos de 16 nanómetros tiene una arquitectura 3D que reemplazó a la arquitectura 2D anterior y ha demostrado ser significativamente menos susceptible a SEU. Aunque esta mejora ha sido compensada por el aumento en el número de transistores en cadachip, la tasa de falla en el nivel de chip también ha disminuido levemente. Sin embargo, el aumento en el número total de transistores que se utilizan en los nuevos sistemas electrónicos ha significado que la tasa de falla de SEU en el nivel del dispositivo haya seguido aumentando.
Desafortunadamente, no es práctico simplemente proteger la microelectrónica de estas partículas energéticas. Por ejemplo, se necesitarían más de 10 pies de concreto para evitar que un circuito sea eliminado por neutrones energéticos. Sin embargo, hay formas de diseñar chips de computadora parareducir drásticamente su vulnerabilidad.
Para los casos en que la confiabilidad es absolutamente crítica, simplemente puede diseñar los procesadores por triplicado y hacer que voten. Bhuva señaló: "La probabilidad de que ocurran SEU en dos de los circuitos al mismo tiempo es muy pequeña. Entonces, si doslos circuitos producen el mismo resultado que debería ser correcto ". Este es el enfoque que utilizó la NASA para maximizar la confiabilidad de los sistemas informáticos de las naves espaciales.
La buena noticia, dijo Bhuva, es que las industrias de aviación, equipos médicos, informática, transporte, comunicaciones, finanzas y energía son conscientes del problema y están tomando medidas para abordarlo ". Es solo el sector de la electrónica de consumo el quese ha quedado atrás para abordar este problema "
El resultado final del ingeniero: "Este es un problema importante para la industria y los ingenieros, pero no es algo por lo que los miembros del público en general deban preocuparse mucho".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Vanderbilt . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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