Bit-flips är oavsiktliga förändringar av bitar (0:or och 1:or) orsakade av hårdvara, mjukvara eller externa faktorer. Rymdfarkoster använder program för felkorrigering och hårdvaruredundans för att skydda mot bit-flips.
Kommer du ihåg den fruktade blå skärmen på döden på ditt gamla Windows XP-system? Ingenting är mer irriterande än att ditt system går ner på ett oförklarligt sätt mitt i en kill-streak i en Counter Strike-match online. För det mesta räcker det dock att starta om systemet för att få ditt system att komma upp online igen.
Kosmiska strålar träffar jorden från alla håll 24/7. Det finns alltså en betydande sannolikhet att de är ansvariga för några av de BSODs som du stöter på. (Fotokredit: Alexandr III/Shutterstock)
Men vad fick systemet att krascha på din PC? Datorer används överallt idag, och i vissa kritiska områden, såsom en rymdfarkost, kan en systemkrasch få ganska obehagliga konsekvenser, särskilt om det händer på oförklarligt sätt!
Det finns många fenomen som kan få system att krascha, varav ett är en Bit-Flip. Rymdfarkoster måste skyddas från dem för att fungera säkert. Låt oss läsa mer om Bit-Flips innan vi läser om de skyddsåtgärder som används av rymdfarkoster för att undvika katastrofer.
Bit- Flip
Digital data lagras som en sekvens av 0:or och 1:or. Varje 0 eller 1 kallas en bit. En bit-flip är en oavsiktlig förändring av tillståndet för en bit som skiljer sig från dess initiala tillstånd. Till exempel, om en bit ändras från 0 till 1 eller vice versa av misstag, kallas händelsen en bit-flip.
Det vanligaste sättet att lagra bitar är att använda transistorer med flytande grind, där närvaro eller frånvaro spänning mellan två terminaler indikerar tillståndet för biten (1 eller 0).
Det finns många typer av bit-flips. För att orsaka en bit-flip måste det finnas ett oavsiktligt flöde av elektroner inom transistorns grindar, vilket skulle ändra spänningen mellan källan och diskbänken. Detta kan uppstå genom bland annat hög temperatur, hårdvaruproblem och kosmisk strålning.
För rymdfarkoster är temperatur och hårdvara föremål för rigorösa tester innan de sätts in, vilket eliminerar risk för internt orsakade bit-flips. Detta lämnar bara kosmiska bit-flips som potentiella bråkmakare.
Kosmisk Bit-Flip
Solvind bidrar till kosmisk strålning genom att skjuta energiska strömmar av protoner och alfapartiklar mot jorden.
Igen, som namnet antyder, kosmiska bit-flips är oavsiktliga förändringar av bitar med orsaker av kosmiskt ursprung.
Kosmiska strålar är strömmar av subatomära partiklar som rör sig med nästan ljusets hastighet. Dessa består huvudsakligen av atomer som har tagits bort från sina elektroner. Väte och helium är de vanligaste grundämnena i universum. Den kosmiska strålen består alltså i första hand av protoner (väteatomer utan elektron) och alfapartiklar (heliumatomer utan elektroner) och de är positivt laddade. Eftersom de är laddade och rör sig i extremt höga hastigheter producerar de egna magnetfält som interagerar med jordens magnetfält.
När kosmiska strålar når jorden avleds en del av dem av planetens magnetfält. Resten, som lyckas komma in i jordens atmosfär, träffar luftmolekyler och orsakar en
I moderna elektroniska enheter, Floating-Gate Metal Oxide Semiconductor (FGMOS) transistorer används för att lagra data. En flytande grind (FG) är en elektriskt isolerad terminal som lagrar elektroner. När elektroner finns i FG skapar de ett litet elektriskt fält som påverkar flödet av elektroner i transistorn. Närvaron av elektroner i FG kan mätas och bitens tillstånd (1 eller 0) kan härledas. När laddade partiklar träffar FGMOS interagerar de med elektronerna i FG, vilket orsakar oavsiktligt flöde av elektroner till och från FG, vilket resulterar i oavsiktlig förlust eller ökning av elektroner i FG, vilket orsakar en bitflip.
Modulär redundans
Om en indata från ett system måste läsas, tillhandahåller tre fysiska delsystem ingången. Om två är överens och den tredje inte, ignoreras den tredje och det överensstämmande värdet från de andra två tas. Detta kallas 3-vägs redundans. Mer redundans kan användas, som i Shuttle-programmet, som använder 5-vägs redundans, där upp till två felaktiga delsystem kan åsidosättas.
Felkorrigeringskoder (ECC)
Programvara används för att upptäcka och korrigera fel. Data (en sekvens av 0:or och 1:or) delas upp i block som är exponentiella potenser om 2. Redundansbitar läggs till, som säkerställer att (paritets)talet av 0:or eller 1:or förblir antingen jämna eller udda (bestäms av avsändaren). Till exempel, om avsändaren bestämmer att pariteten 1 ska vara udda, räknar mottagaren antalet 1:or i meddelandet, och om antalet 1:or inte förblir udda, upptäcks ett fel. Med denna metod kan endast 1-bitars fel upptäckas. Att lägga till fler paritetsbitar används för att upptäcka fler än 1-bitars fel.
En snabb sammanfattning
Vi har alltså sett att bit-flips är oavsiktliga förändringar i data som kan orsakas av en mängd olika faktorer. När orsaken till bit-flip är kosmiska strålar, då kallas det en kosmisk bit-flip. Rymdfarkoster måste skyddas från kosmiska bit-flips, eftersom sådana fel kan äventyra uppdragets mål och besättningens säkerhet.
Den vanligaste åtgärden är att använda hårdvararedundans och felkorrigeringskoder för programvara. Hårdvaruredundans säkerställer att flera undersystem matar indata för ett enda system och tar bara den ingång som matchar majoriteten. Programvaru-ECC använder algoritmer för att upptäcka förändringar i individuella bitar genom att hålla en räkning av pariteten av nollor eller ettor på sändar- och mottagarsidan.
