Опасность сбоев от отдельных ядерных частиц — миф или реальность?11.09.2017 21:20

С 6 сентября 2017 года произошло 4 мощных вспышки на Солнце, одной из них был присвоен балл X9.3, что делает ее самой мощной за последние 12 лет. Ведущий научный сотрудник Пулковской обсерватории Георгий Гончаров посоветовал: «Если у вас есть возможность сегодня, завтра, послезавтра не летать на самолете, не плавать на подводной лодке, не садиться за руль — надо этим воспользоваться». Ему возразил главный научный сотрудник лаборатории «Рентгеновская астрономия Солнца» ФИАН Сергей Богачев:»… Это глупости. Дело в том, что жесткое излучение от вспышек полностью тормозится в атмосфере Земли. Воздух практически не пропускает рентгеновское излучение, и высота, до которой доходит излучение, вызванное вспышками на Солнце, — примерно 30 километров… На самолетах летать не опасно, а плавать на подводных лодках и подавно… Есть некоторые сообщения в истории, о правдивости которых не могу судить, о случаях выхода электросетей из строя. Безусловно, все это влияет и на беспроводную связь, на спутниковую связь и на связь, которая использует отражение ионосферы Земли, поскольку свойства ионосферы меняются при солнечных вспышках».

Может, и нет никакой опасности или, по крайней мере, эта опасность сильно преувеличена? Давайте разберёмся с тем, что касается отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) — нейтронов и имеющих электрический заряд протонов и ядер атомов химических элементов. Надеюсь, что моя статья развеет как сомнения одних, так и паранойю других.
Рассмотрим 2 похожих случая, связанных как раз с авиаперелётами:

1) Boeing 777 компании «Аэрофлот», выполнявший рейс из Москвы в Бангкок 1 мая 2017 года, при подлёте к аэропорту «Суваннапум» попал в область сильной турбулентности. В результате пострадали 27 пассажиров, в том числе дети [1].

2) В 2008 году пассажирский самолёт компании «Qantas», осуществлявший перелёт из Сингапура в Перт (Австралия), внезапно начал резкое снижение и за 23 секунды «нырнул» вниз на 210 метров. Примерно треть пассажиров получила настолько серьёзные травмы, что командир воздушного судна принял решение отклониться от курса и сесть в ближайшем аэропорту.[2]

Рис. 1 Кратчайшие пути из Москвы в Бангкок и из Сингапура в Перт

У этих случаев много общего:
— пострадали пассажиры самолётов, которые начало трясти или произошло резкое снижение;
— оба случая произошли вблизи экватора.

А вот объяснения этих инцидентов принципиально разные. В первом случае причиной назвали так называемую «турбулентность ясного неба» (ТЯН), во втором — воздействие одиночной частицы (вероятно, нейтрона) на бортовой компьютер, повлиявшее на работу автопилота. Обоими явлениями занимаются уже много лет, причём электронная компонентная база бортовой электроники проходит дорогостоящие испытания.

«Если нечто выглядит как утка, плавает как утка и крякает как утка, то это, вероятно, утка и есть». Если эффекты проявляются одинаково, а вероятность попадания отдельной ядерной частицы в чувствительную область микро- (или нано-)электронного прибора размером всего каких-нибудь 10 мм Х 10 мм «крайне мала», то, может, применить бритву Оккама и объяснить происходящее более «земными» причинами?

История вопроса

Даже среди опытных разработчиков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) для космоса можно услышать: «Наши аппараты с 1960-х годов лётали — и никаких ваших «ТЗЧ» (тяжёлых заряженных частиц) мы не знали, и всё было нормально. А теперь — ишь! — придумали».

То, что космос и, в частности, солнечная активность, влияют на электронные приборы, люди узнали сравнительно давно. Ещё в сентябре 1859 года произошло событие, в литературе называемое солнечным суперштормом или «событием Кэррингтона» (Carrington Event) в честь британского астронома, наблюдавшего корональный выброс массы (Coronal Mass Ejection, CME). Рассказывают, что северные сияния наблюдались по всему миру, не только на Севере, но и на широтах, соответствующих Карибам. Над Скалистыми горами яркое северное сияние разбудило золотоискателей, которые стали готовить завтрак, думая, что наступило утро. Было так светло, что ночью можно было читать газету [3]. Дать точные численные характеристики этому событию сейчас сложно, тем не менее, оценки есть в литературе, и они показывают, что следующее крупное событие (солнечный супершторм) 1989 года, крупнейшее с начала Космической эры, было до 3-х раз слабее по Dst-индексу, однако этого хватило, чтобы, к примеру, один трансформатор в городе Салем¹, штат Массачусетс, США, превратился вот в такое:

Рис. 2 Трансформатор после солнечного шторма 1989 года

Как и в позапрошлом веке, в 1989 были масштабные сбои в энергосети Северной Америки и полярные сияния до широты Мексики и острова Большой Кайман. Добавились сбои высокочастотной радиосвязи во всем мире и, конечно, нарушения в работе космических аппаратов [4].

К естественным причинам, приводящим к аномалиям космической погоды, человечество прибавило искусственные: с 1958 года Соединёнными Штатами проведено 3 высотных ядерных взрыва на высотах 200–500 км (мощность — 1 килотонна). 9 июля 1962 года американцы в рамках проекта Starfish Prime взорвали 1,45-мегатонную атомную бомбу на высоте 400 км над атоллом Джонстон в Тихом океане. На Гавайях (в 1500 км от взрыва) вышли из строя около 300 уличных фонарей, телевизоры, радиоприемники и другая электроника. Зарево в небе можно было наблюдать более 7 минут. А в октябре 1962 г. в районе Новой Земли взорвали 2 высотных ядерных устройства уже советские [5]. В результате вышли из строя треть имевшихся на низких орбитах спутников, в том числе 24 ноября 1962 г. 2 — первый коммерческий телекоммуникационный спутник «Телстар 1» (Telstar 1), выведенный на орбиту через день после американского высотного ядерного взрыва.

Рис. 3 78-летняя акционер компании AT&T миссис Луиза Бакер (Louise Bucker) рассматривает полномасштабную модель коммуникационного спутника Telstar в помещении AT&T’s Bell Laboratories в сентябре 1961 г. Telstar 1 выйдет из строя из-за высотных ядерных взрывов через год и 2 месяца (Источник фото).

Обратите внимание, что поражающими факторами в этих событиях были не отдельные ядерные частицы (ОЯЧ), а электромагнитный импульс и накопленная доза ионизирующего излучения. Где же пресловутые ОЯЧ?

ОЯЧ (нейтроны и заряженные частицы: протоны и ядра) приходят из космоса или образуются в атмосфере в результате ядерных реакций по двум основным направлениям — от Солнца (СКЛ, солнечные космические лучи) и из-за пределов Солнечной системы (ГКЛ, галактические космические лучи). Лёгких элементов (протонов, альфа-частиц) очень много, тяжёлых частиц — очень мало (см. далее раздел о вероятности возникновения сбоя).

Описание взаимодействия солнечного ветра с радиационными поясами Земли и ОЯЧ — с чувствительной областью полупроводника заняло бы слишком много места (желающих узнать больше посылаю сразу в раздел «Что почитать?»), поэтому ограничусь здесь общими соображениями. Заряженная частица с энергией E, попадая в область полупроводника, отдаёт свою энергию на ионизацию, т.е. образование электронно-дырочных пар, которые, при наличии электрического поля, не «схлопываются» (не рекомбинируют), а пространственно разделяются. Электроны и дырки имеют разную подвижность [6], так что в активной области полупроводника образуется избыточный заряд. Возникающий импульс тока может изменить состояние запоминающего элемента — в этом случае говоря о сбое типа SEU (Single Event Upset). Характеристика эффективности ионизации — линейная передача энергии, ЛПЭ (Linear Energy Transfer, LET), выражаемая в МэВ*см²/мг: LET= $1/ro*dE/dx$ , где ro — плотность кремния.

ОЯЧ выходят на сцену в 1975 году, когда публикуется статья Биндера (Binder) с соавторами из Hughes Aircraft Company3 [7]. В работе проведён анализ экспериментальных результатов и обосновывается влияние одиночных частиц на запоминающие элементы.

В 1979 году обнаружили совершенно неожиданную вещь не в космосе, а на Земле: в памяти Intel 2107 16-kb DRAM происходили непонятные сбои от альфа-частиц. Откуда этим частицам было взяться внутри корпуса? Оказалось, что источником альфа-частиц являлись примеси (порядка нескольких ppm) урана и тория в материалах корпусов, которые производили на построенной в 1970-х на Green River в Колорадо новой фабрике: недалеко от русла реки была старая урановая шахта [8]! Статью T.C. May and M.H. Woods из Intel с описанием этого эффекта [9] цитировали более 430 раз4.

Конечно же, хотелось посмотреть, сбивается ли от ОЯЧ электроника космических аппаратов, и проверить это можно было там, где частиц достаточно много, например, в районе так называемой Южно-Атлантической (Бразильской) магнитной аномалии (South Atlantic magnetic Anomaly, SAA)5. И такие исследования провели с помощью британских спутников UoSAT-1, -2 [11] и -3 [12], запущенных соответственно в 1981, 1984 и 1990 годах. На аппаратах установили, в частности, микросхемы памяти от Harris и Hitachi: HM-6564, HM-6564, 6264-LP, 6116-L. Вся критическая информация защищалась по Хэммингу (12, 8) [11]. На рис. 4 показаны результаты анализа сбоев в электронных компонентах, установленных на UoSAT-2. Парочка сбоев над СССР, остальное — над Бразилией.

Рис. 4 Результаты анализа сбоев в электронике, установленной на UoSAT-2, по состоянию на 1988 год [11]

А вот результаты того же UoSAT-2, представленные двумя годами позже:

Рис. 5 Результаты анализа сбоев в электронике UoSAT-2 по состоянию на 1990 год [12]

Хорошо видно, что с 1988 по 1990 год что-то случилось — что-то, из-за чего количество сбоев резко возросло (в том числе в районе ЮАА). И это что-то, как нетрудно догадаться, — супершторм 1989 года.

Оценка вероятности

Конечно, сбои на спутниках фиксируются постоянно, причём особенно часто — во время солнечных вспышек. Супершторм — явление очень неприятное, но редкое. В районе ЮАА можно постараться не летать или летать редко. Давайте оценим вероятность наступления «события», т.е. мягкого (восстановимого) сбоя или отказа, от ОЯЧ в микросхеме, стоящей на борту космического аппарата, летающего или под радиационными поясами, или над ними.

Как упоминалось выше, протоны, альфа-частицы и тяжёлые ядера приходят от Солнца (СКЛ) и из-за пределов Солнечной системы (ГКЛ). Активность нашей звезды циклична: в солнечном максимуме к нам прилетает наибольшее количество частиц, в минимуме — наименьшее. При этом максимум солнечной активности снижает потоки извне (приходящие в виде ГКЛ). Рис. 6 иллюстрирует циклы активности Солнца:

Рис. 6 Цикличность активности Солнца[12]

Флюенс (интегральный поток протонов на см²) протонов растёт в солнечном максимуме и падает в солнечном минимуме.

Каких частиц прилетает больше — лёгких или тяжёлых? Высоко- или низкоэнергетичных? Вспомним определение линейной передачи энергии (ЛПЭ, см. выше). Оказывается, эта величина не постоянна для данного иона, а является нелинейной функцией его энергии: существует максимум зависимости («пик Брэгга»), и чем тяжелее ион, тем больше у него максимальное значение ЛПЭ. При этом, чем ион быстрее (чем больше его энергия), тем меньше ЛПЭ, а значит — меньше выделенный заряд в чувствительной области прибора, меньше вероятность сбоя или отказа. Получается, что наиболее опасно для прибора не увеличение энергии иона, а наоборот, меньшая энергия, соответствующая максимальному значению ЛПЭ. Попадая в интегральную схему, допустим, со стороны слоёв металлизации, ион теряет энергию, при этом растёт его ЛПЭ, а значит энергию он теряет ещё быстрее — получается своеобразный механизм положительной обратной связи.

Если энергия, с которой ион «влетает» в интегральную схему, будет слишком маленькой, ион просто не долетит до активной области (до транзисторов), а застрянет в металлизации. Если энергия «влёта» будет достаточно большой, ион «прошьёт» интегральную схему насквозь, практически не выделив в ней заряда. Но при достаточно большой энергии есть вероятность того, что ион выбьет атом кремния или чего-нибудь потяжелее (например, вольфрам), и полученное ядро отдачи как раз сможет долететь до активной области и привести к сбою или отказу. Этот механизм особенно важен с точки зрения устойчивости к воздействию протонов, которых много, причём часто встречаются высокоэнергетичные: собственная максимальная ЛПЭ протона меньше 1 МэВ*см²/мг и такие частицы опасны только для очень мелких проектных норм (менее 65 нм), зато за счёт большой энергии влетающего протона на пути его следования может образоваться целый каскад вторичных частиц, многие из которых будут иметь достаточно большие значения ЛПЭ6.

Что-то подобное часто происходит в атмосфере в виде ШАЛ — широких атмосферных ливней, накрывающих несколько км² поверхности Земли. На рис. 7 схематично показано развитие этого процесса. До поверхности Земли долетают «всего лишь» нейтроны, электроны, позитроны и мезоны, которые не причиняли вреда «старым» микросхемам (с большими проектными нормами), но теперь вполне могут привести к сбою в современной памяти или микропроцессоре, которые стоят в вашем смартфоне (если энергии хватит, чтобы пролететь через корпус) [13].

Рис. 7 Образование ливня от первичной космической частицы

Зависимости ЛПЭ от энергии иллюстрирует рис. 8.

Рис. 8 Зависимость ЛПЭ от энергии (по данным [14])

Что же касается состава космических лучей, то преобладают частицы с низким значением ЛПЭ, причём в районе ЛПЭ, соответствующей железу (около 30 МэВ*см²/мг), поток резко спадает (рис. 9 и 10).

Рис. 9 Зависимость интегрального потока частиц от ЛПЭ (по данным [15])

Рис. 10 Распространённость ядер тяжёлых элементов в космических лучах (по данным [16])

Довольно сложно понять из приведённых выше рисунков, много это или мало. Робер Экоффе (Robert Ecoffet) из CNES приводит следующие оценки. Для того, чтобы через 1 см² пролетела частица с ЛПЭ 30 МэВ*см²/мг, нужно около 30 лет,
60 МэВ*см²/мг — около 300 лет, 100 МэВ*см²/мг — около 3 миллионов лет [17]).

Означает ли это избыточность и «параноидальность» требований, задаваемых в технических заданиях на разработку современной электронной компонентной базы7?

Миф или не миф?

Нет, не означает. И вот, почему:
1) Приводимые Экоффе времена касаются детектирования частицы. Таких «детекторов» в космосе — довольно много: это все интегральные схемы, установленные в бортовую аппаратуру (попробуйте просуммировать их площади).
2) Как отмечалось выше, сбой может произойти не только от первичной, но и от вторичной частицы, ЛПЭ которой будет достаточно как для сбоя, так и для отказа.

А то, что в космосе найдётся частица с достаточной энергией — сомневаться не приходится. Так 15 октября 1991 года на испытательном полигоне Дагвэй в штате Юта с помощью детектора космических лучей «Глаз мухи» (Fly’s Eye Cosmic Ray Detector) обнаружили частицу ультравысокой энергии — 3×108 ТэВ8. Эту частицу окрестили «Oh-My-God particle» (частицей «О боже мой!»), и с тех пор зарегистрировали не менее 15-ти подобных событий.

Сказанное подтверждают постоянно наблюдаемые сбои в космических аппаратах, о чём можно узнать, например, на сайте http://www.sat-index.co.uk/.

Что же до поверхности Земли, то и здесь в естественном радиационном фоне хватает частиц, которые могли бы привести к сбою (пусть и не к отказу): современные СБИС используют встроенное помехоустойчивое кодирование для внутренних памятей не только для исправления ошибок, возникающих по технологическим причинам, но и для парирования сбоев, вызванных ОЯЧ, неважно откуда они возьмутся (из окружающего фона, из корпуса или из других источников). Это реальная проблема для суперкомпьютеров [18]. Кроме того, ряд авторов рассматривает ОЯЧ (главным образом, альфа-частицы) как источники катастроф беспилотных автомобилей, не могущих из-за сбоя правильно распознать дорожный знак или пешехода [19].

Остались, наверное, только два вопроса:
1) Как отличить сбой от ОЯЧ от сбоя, вызванного иной причиной?
2) Как будут обстоять дела со сбоями от ОЯЧ при дальнейшем развитии микро- и наноэлектроники: будет лучше или хуже?

Универсального ответа на первый вопрос не существует: анализ причин сбоя обычно включает рассмотрение таких обстоятельств, как наличие или отсутствие солнечной вспышки, источника альфа-частиц в корпусе, радиационная обстановка на орбите, устойчивость к электростатическому разряду и т.п. Вердикт «сбой от ОЯЧ» выносится примерно в 30%-45% случаев [20].

Ответ на второй вопрос следующий. С одной стороны, уменьшение проектных норм приводит к росту числа множественных сбоев, т.е. со сбоями становится всё хуже. С другой — накоплен значительный опыт борьбы со сбоями как на уровне аппаратуры, так и на уровне микросхемы, так что разработчики готовы к такому ухудшению.

Выводы

Как это часто бывает, правы оба эксперта, слова которых приведены в начале статьи: кажущиеся противоречия связаны с тем, что обсуждаются разные аспекты, связанные с солнечными вспышками. Действительно, рентгеновское излучение из космоса до поверхности Земли не доходит. Но ОЯЧ, порождённые космическими частицами, во-первых, представляют реальную угрозу для летательных аппаратов, во-вторых, могут порождать ШАЛ, доходящие до поверхности Земли в виде нейтронов, электронов и мезонов, способных вызывать сбои в современных СБИС. Кроме того, сильные солнечные вспышки типа события Кэррингтона могут вывести из строя даже энергосети. Намного более слабые события приводят к заметным эффектам, причём это не давние события, ставшие легендарными: 29–30.10.2003 — блэк-аут в Мальмё (Швеция) из-за перегрева трансформатора, аварийные события в США и Южной Африке; сентябрь 2005 — отключение связи во многих районах Северной Америки и резкое снижение точности спутниковой навигации GPS…

Кроме того, Природа постоянно преподносит сюрпризы, и пример с «oh-my-God» частицей заствляет нас вслед за шекспировским Гамлетом воскликнуть: «Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам!»

Благодарности

Автор благодарит Г.А. Протопопова — начальника сектора филиала ОАО «ОРКК» — «НИИ КП» за помощь с материалами.

Что почитать?

1) Advanced Forecast For Ensuring Communications Through Space — сайт программы Европейского Союза о космической погоде и её исследовании.
2) Физика радиационных эффектов, влияющих на электронику в космосе by amartology
3) Микроэлектроника для космоса и военных by BarsMonster
4) К. Таперо, В. Улимов, А. Членов. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения.

Примечания

1Там, где была знаменитая охота на ведьм.
2Некоторую функциональность Telstar 1 поначалу удалось восстановить, но 21 февраля 1963 года спутник был потерян окончательно.
3Помните фильм «Авиатор» о Говарде Хьюзе режиссёра Мартина Скорсезе c Леонардо ДиКаприо в главной роли?
4По данным Web of Science.
5Роль ЮАА как основного источника ионизирующего излучения на низких неполярных орбитах была подтверждена сравнением потоков протонов, измеренных в течение космической миссии Mercury-Atlas 7 (аппарат запущен 24 марта 1962 года), с данными миссии Mercury-Atlas 8 (аппарат запущен 3 октября 1962 года, за 2 недели до начала Карибского кризиса) [10].
6Около 15 МэВ*см²/мг в максимуме имеют Si и Al, поэтому для кремниевых интегральных микросхем добиться отсутствия сбоев для всех ионов с ЛПЭ менее 15 МэВ*см²/мг — большой успех, означающий, что от протонов вероятность сбоя или отказа пренебрежимо мала (опять же, если мы не имеем дела со слишком мелкими проектными нормами, о чём будет сказано далее).
7Например, отсутствие катастрофического отказа по тиристорному эффекту при воздействии частиц с ЛПЭ не менее 60 МэВ*см²/мг.
8Это как если бы детектор зарегистрировал 142-граммовый бейсбольный мяч, летящий со скоростью 93,6 км/ч.

Литература

[1] РИА «Новости»
[2] «Alien particles from outer space are wreaking low-grade havoc on personal electronic devices» by David Salisbury
[3] You Should Have Heard About the Carrington Event
[4] Superactive Region AR:5395 of SOLAR-CYCLE-22
[5] В.С. Першенков. История сотрудничества США-Россия в области радиационной стойкости электронных систем. Труды НИИСИ РАН. Том 7, № 2, стр. 114–117. 2017 г. (в печати)
[6]Messenger, G. C.; «Collection of Charge on Junction Nodes from Ion Tracks,» IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume: 29, Issue: 6, Publication Year: 1982, Page (s): 2024 — 2031.
[7] D. Binder, et al., «Satellite Anomalies from Galactic Cosmic Rays,» IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 22, no. 6, pp. 2675–2680, Dec. 1975.
[8] J.F. Ziegler, H.W. Curtis, H.P. Muhlfeld, C.J. Montrose, et al., IBM experiments in soft fails in computer electronics (1978–1994). IBM 1. RES. DEVELOP. VOL. 40 NO. 1 JANUARY 1996.
[9] T.C. May and M.H. Woods, «Alpha-Particle-Induced Soft Errors in Dynamic
Memories,» IEEE Trans. Electron Dev., vol. 26, no. 1, pp. 2–9, 1979
[10] Robert G. Richmond. RADIATION DOSIMETRY FOR THE GEMINI PROGRAM. NASA technical note, 1972.
[11] Jeff W Ward. OBSERVATIONS OF SINGLE-EVENT MEMORY UPSETS ON THE UOSAT-2 SATELLITE. Proceedings 2nd Utah Stale University A.I. A.A. Conference on Small Satellites, Logan, Utah. 8 — 21, 1988.
[12] C Underwood, E Daly, R Harboe-Sorensen,» Observation and analysis of single-event upset phenomena on-board the UOSAT-2 Satellite», Proceedings of the ESA Space Environment Workshop, ESTEC, Ott 1990.
[13] A. Akkerman, J. Barak, and Nir M. Yitzhak, «Role of Elastic Scattering of Protons, Muons, and Electrons in Inducing Single Event Upsets,» IEEE Trans. on Nucl. Sci., 2017.
[14] J. Barth, «Modeling space radiation environments,» Notes from 1997 IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference Short Course.
[15] Henry B. Garrett. Spacecraft Environment Interactions. 2011 IEEE NSREC Short Course.
[16] P.R. Meyer, R. Ramaty, and R. Webber, «Cosmic Rays — Astronomy with Energetic Particles,» in Physics Today. vol. Oct., 1974.
[17] Robert Ecoffet, 2nd RADECS «LET workshop», UCL, B, 25–01–07.
[18] Marc Snir, et al., «Addressing Failures in Exascale Computing,» Report on a Workshop organized by the Institute for Computing Sciences on Aug 4–11 2012 at Park City, Utah.
[19] Paolo Rech. How to Deal with Radiation: Evaluation and Mitigation
of GPUs Soft-Errors. GPU Technology Conference. April 6th 2015 — San José, CA.
[20] 2015 Short Course NSREC, Section IV