Als uw computer crasht of uw mobieltje doet niet wat u wilt, dan hoeft dat niet per se uw schuld te zijn. Hoe vergezocht en „puur theoretisch“ het ook klinkt, kosmische straling kan volgens het onderzoek van Bharat Bhuva van Vanderbilt University heel goed en heel realistisch tot heel aardse storingen leiden. De toenemende miniaturisering eist zijn tol.

Een piepklein deeltje, dat vanuit de verste werelden vele miljoenen jaren onderweg was, treft uitgerekend een transistor in uw eigen computer, smartphone of tablet. Een bitje valt om: Fout!
Het fenomeen is weliswaar onwaarschijnlijk, en u moet wel een pechvogel zijn, als zo’n beschieting door aliens net op het moment dat u op „verzenden“ klikt om in uw bankprogramma een overschrijving te bevestigen, een nulletje meer toevoegt aan het over te schrijven bedrag. Maar het is mogelijk. Het is zelfs mogelijk om de waarschijnlijkheid van dit soort fouten te berekenen.

Volgens Bharat Bhuva ontstaat er op het moment dat kosmische straling met de snelheid van het licht de aardatmosfeer binnenkomt, cascaden aan secundaire deeltjes zoals hoogenergetische neutronen, muonen, pionen en alfadeeltjes. Een normaal menselijk lichaam wordt elke seconde getroffen door miljoenen van zulke partikels. Toch heeft die beschieting nauwelijks gevolgen voor levende wezens op de aarde. Maar moderne micro-elektronica is daar minder immuun voor. Sommige inslagen hebben namelijk ruim voldoende energie om een transistor te treffen en een bit te laten omkiepen.

Zo’n bitfout noemen we een SEU (Single-Event Upset). Maar het is moeilijk waar te nemen, of en hoe vaak SEU’s voorkomen. Tenslotte kunnen software-bugs of verborgen hardware-fouten (zie de FDIV-Bug bij Pentium-CPU’s) ook foute bits opleveren. We kunnen alleen aan bruikbare schattingen komen door de bugs af te trekken van alle waargenomen fouten.
Dat het geen academisch probleem is, bewijzen anekdotes uit de geschiedenis van de techniek:
• In 2003 leidde een bit-flip bij een stemcomputer tot 4.096 extra (onterechte) stemmen voor een kandidaat. Dat viel alleen op, doordat de kandidaat meer stemmen kreeg dan er kiesgerechtigden waren in dit district.
• In 2008 leidde een SEU in de besturing van een passagiersvliegtuig van Qantas tot het ongewenste uitschakelen van de automatische piloot. Het toestel stortte in 23 seconden 210 meter naar beneden, wat leidde tot ernstige verwondingen bij ongeveer1/3 van de passagiers.
• Ook het inmiddels meermalen opgetreden foutgedrag van de computersystemen van luchtvaartmaatschappijen, dat leidde tot het uitvallen van honderden vluchten, was volgens experts te wijten aan SEU’s.

Ritesh Mastipuram en Edwin Wee van Cypress kwamen bij oudere technologie in 2004 tot de volgende frequenties van optreden:
• Een mobieltje met 500 kB geheugen wordt eens per 28 jaar getroffen door een SEU.
• Een zogenaamde „router farm“ van een Internetprovider komt met ongeveer 25 GB geheugen uit op een SEU per 17 uur.
• Een laptop met 500 MB geheugen aan boord van een vliegtuig op 10.000 m hoogte wordt elke 5 uur slachtoffer van een SEU.

Bij modernere techniek ligt het iets anders: Omdat de transistors veel kleiner zijn, is de waarschijnlijkheid groter, dat een partikel een bit doet omslaan. Weliswaar wordt een kleinere transistor minder vaak getroffen, maar er zitten er veel meer in een chip. Moderne 3D-structuren zijn minder gevoelig. De grafiek toont het gedrag voor structuren met een grootte van 28, 20 en 16 nm (afbeelding: Bharat Bhuva, Vanderbilt).
 
De SEU-waarschijnlijkheid heeft dus absoluut implicaties voor het inzetten van micro-elektronica in veiligheidskritische of medische applicaties...