Skrytý svět radiačně odolných počítačů | Kapitola 3

Záření způsobuje celou řadu problémů. Rozlišujeme dvě jejich hlavní kategorie – totiž tranzientní, dočasné efekty a potom trvalé poškození způsobené změnou ve struktuře materiálů. Dočasné efekty jsou způsobeny hlavně elektrony, které byly vyraženy z orbitalů a vytvářejí signálový šum. Mohou sepnout hradla, přehodit bit v paměti (SEU, Single Event Upsets) – a to tak, že si stroj nemá šanci všimnout, že k něčemu takovému došlo. Vysokoenergetické události tohoto typu dokážou změnit celou sérii bitů najednou (MBU, Multiple Bit Upsets), pokud letí v nějakém zvlášť nešťastném úhlu.

Velký problém představuje takový zásah, který projde přímo mezi sousedícími tranzistory a efektivně je propojí v trvale sepnutý tyristor (SEL, Single Event Latchup). Tím se počítač dostane do stavu, kdy je ho nutné vypnout a zase zapnout. Mimochodem – náhodné události tohoto typu jsou důvodem, proč se u řídících počítačů počítá s tím, že je bude nutné náhodně vypnout a proč se palubní počítače u sond vypínají ve chvíli, když vstupují do prostoru s intenzivní radiací, což se dělá běžně například při průzkumu Jupitera a jeho měsíců.

Horším případem jsou události, které vedou k proražení hradla. Týkají se hlavně výkonových MOSFETů a postihují komponenty jako výkonové zesilovače u antén. Prvním typem je událost, kdy částice zvýší vodivost již sepnutého MOSFETu, jeho přehřátí a spálení (SEB, Single Event Induced Burnout). Druhým typem je proražení hradla, kdy se zvýší vodivost hradla ionizujícím účinkem částice a dojde k jeho trvalému proražení (SEGR, Single Event Gate Rupture). Přestože tyto události vedou k trvalému poškození zařízení, nebylo ionizující záření přímou příčinou jejich trvalého poškození, šlo o dočasný jev, který ve svých důsledcích ke zkáze vedl.

Některé dočasné události mají bizarní příčiny. IBM studovala chyby u počítačů – a jejich studie vedla k tomu, že ani na úrovni moře nejsem od kosmických částic tak daleko, aby se jejich vliv úplně eliminoval. Náhodné chyby v pamětech ale neodpovídaly modelu – a tak se přišlo na to, že hlavní příčinou problémů jsou materiály, které se používaly jako obaly pamětí, protože byly kontaminovány radioaktivním spadem. 

Protože jsme jako lidstvo projevili v 50. a 60. letech dost nesoudnosti, zamořili jsme prostředí radionuklidy, se kterými budeme žít, dokud se ty potvory nerozpadnou. Jsou všude, v míře, kterou život zvládne, ale v čipu to nadělá neplechu, protože při rozpadu radionuklidů běžně vznikají alfa částice a to bitům, zvláště v DRAM pamětech, vadí. Takže se muselo řešit, jak vyrábět kvalitnější pouzdra pro čipy s nižším obsahem kontaminantů. 

Druhou kategorii představuje trvalé poškození ionizujícím zářením. Přestože záření fyzikálně působí na lidi i na živé organismy identicky, totiž ionizuje jejich atomy, účinky se dramaticky liší. Ionizace atomů v živé tkání působí zničení bílkovin či dalších struktur, které vedou k buněčné smrti, ale organismy mají mechanismy, jak takovou věc opravit – v přiměřeném rozsahu, tím se míní dočasná a relativně slabá expozice.

Změny, které nastávají v počítačích, jsou ale trvalé. Hlavním problémem je lattice displacement, vznik poruch v polovodičích, které se chovají jako díry. Každé takové poškození, samo o sobě, nemá katastrofický efekt, je ale nevratný. S tím, jak se poškození kumulují, se vlastnosti poškozovaného polovodiče mění. Přibývající díry způsobují, že tranzistory typu N se spínají snáz než by měly a typu P hůř, než by měly, vady ve struktuře krystalů mohou způsobit, že se začne měnit jejich frekvence – a protože se tato drobná poškození kumulují, počítač jde tak nějak stále více šejdrem, jako když se rozvrzává stará kára, až to nakonec někde praskne a zůstane nefunkční.