Bức xạ vũ trụ ảnh hưởng đến độ chính xác dữ liệu của máy tính trên Trái Đất

Bức xạ vũ trụ ảnh hưởng đến máy tính trên trái đất nhiều hơn bạn nghĩ đấy.

Lưu ý là bài viết này là để giúp bạn hiểu rõ hơn vì sao các hệ thống WorkStation, máy chủ phải sử dụng RAM ECC có khả năng tự sửa lỗi dữ liệu. Còn đối với các PC thông thường thì do lượng dữ liệu xử lý ít nên lượng lỗi cũng thấp, từ đó ảnh hưởng không đáng kể đến hoạt động. 

Vì sao bức xạ vũ trụ lại gây sai lệch dữ liệu trên máy tính?

Soft error (lỗi mềm) là khái niệm được biết đến kể từ thời điểm bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) ra đời từ 1970, mô tả hiện tượng những “bit” dữ liệu khi được ghi vào không phải lúc nào cũng chính xác. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này, trong nó được biết đến nhiều nhất chính là ảnh hưởng từ bức xạ vũ trụ.

Năm 1979 nhà nghiên cứ James F. Ziegler đã tiến hành một dự án chứng minh rằng bức xạ vũ trụ có khả năng gây lỗi “mềm” trên máy tính. Và thực tế là đến thời điểm này, bức xạ vũ trụ vẫn được xem là nguyên nhân chính dẫn đến những vấn đề về sai lệch dữ liệu trên máy tính hiện đại. Năm 1996, IBM đưa ra ước lượng trung bình một máy tính sẽ bị 1 lỗi/256 MiB (Mebibyte là bội số của byte tính theo hệ nhị phân với 1 MiB = 1024² byte). 

Bức xạ vũ trụ/tia vũ trụ (cosmics ray) là các hạt năng lượng proton và hạt nguyên tử di chuyển trong không gian với tốc độ nhanh gần như ánh sáng. Chúng xuất phát từ mặt trời và thậm chí là từ những dải thiên hà xa xôi. Khi va chạm với bầu khí quyền của Trái Đất, bức xạ vũ trụ phản ứng với các nguyên tử có trong khí quyển để tạo thành những cơn mưa bức xạ thứ cấp. Trong đó 95% nguyên nhân dẫn đến “lỗi mềm” xuất phát từ hạt neutron và phần còn lại đến từ hạt proton và pion. Neutron về bản chất là hạt không tích điện nhưng khi bị vướng vào phân tử trong một chip máy tính thì có thể dẫn đến phản ứng “bắt giữ neutron” và tạo ra điện tích dẫn đến việc thay đổi trạng thái của dữ liệu từ 0 sang 1 hoặc ngược lại. 

Mức độ ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ tuỳ thuộc vào độ cao so với mặt nước biển, với mỗi 1000 m độ cao thì tỉ lệ lỗi tăng 2,2 lần. Chẳng hạn như thành phố New York của Mỹ có mức độ ảnh hưởng là 14 neutron/cm2/giờ trong khi hệ thống máy tính đặt trong một chiếc máy bay trên không trung có thể bị tỉ lệ lỗi gấp 300 lần con số đó. Nếu bạn giấu máy tính của mình vào trong một hang động thì tỉ lệ lỗi sẽ giảm đến mức không còn đáng kể nữa. Trong một bài viết đăng tải trên tại chí New Scientist, Intel cho biết với mật độ các bóng bán dẫn ngày càng tăng thì bức xạ vũ trụ có thể trở thành một giới hạn trong thiết kế. 

Điều này một lần nữa được khẳng định thông qua nghiên cứu về tác động của bức xạ vũ trụ đối với máy tính được công bố vào 2001 của các nhà khoa học từ Nhật Bản gồm H. Kobayashi (Trung tâm giải pháp kỹ thuật của tập đoàn Sony), K. Shiraishi và H. Tsuchiya (Mảng bộ nhớ của tập đoàn Sony), H. Usuki (Mảng bộ nhớ của Sony Semiconductor), Y. Nagai và K. Takahisa (Trung tâm nghiên cứu vật lý hạt nhân, đại học Osaka). Các nhà khoa học này đã thử nghiệm trên khoảng 1000 thiết bị SDRAM với kích thước bóng bán dẫn là 0.25 micromet và 0.18 micromet, từ 1000 – 3000 giờ trên độ cao 2000 mét trên mặt nước biển. Theo đó tỉ lệ lỗi mềm của chip 0.18 micromet cao gấp đôi so với 0.25 micromet, chứng tỏ rằng khi bóng bán dẫn càng nhỏ thì khả năng bị ảnh hưởng từ bức xạ vũ trụ càng cao.

Lỗi mềm là lý do chính khiến máy chủ, WorkStation và các hệ thống máy tính chuyên dụng phải dùng RAM ECC

Về cơ bản nếu là người dùng phổ thông, sự sai lệch dữ liệu của RAM do ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ sẽ không ảnh hưởng gì nhiều đến việc bạn sử dụng máy tính. Đó là lý do mà tất cả các máy tính phổ thông hiện nay vẫn sử dụng RAM không hỗ trợ ECC (Error Correcting Code). 

Tuy nhiên đối với WorkStation, máy chủ và các hệ thống máy chuyên dụng phải xử lý một lượng lớn dữ liệu thì lỗi mềm có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng. Chính vì vậy mà RAM ECC đóng vai trò rất quan trọng đối với các hệ thống này nhờ khả năng phát hiện và sửa lỗi, đảm bảo sự chính xác tối đa cho dữ liệu ghi vào RAM cũng như sự ổn định của hệ thống. Đặc biệt là đối với những công việc liên quan đến độ chính dữ liệu cao như nghiên cứu khoa học, khám phá vũ trụ thì chỉ 1 bit dữ liệu bị sai lệch có thể dẫn đến hậu quả rất lớn.

Theo Evaluation of LSI Soft Errors Induced by Terrestrial Cosmic rays and Alpha Particles, Science Daily, Vox, Wiki