Hardware schützt vor Neutronen aus dem All

Hardwaresystem erkennt Fehler und fährt Rechenleistung herunter

Ein Hagener Wissenschaftler hat ein Hardwaresystem entwickelt, das Störungen durch elektrische geladene Teilchen im Computer unterbindet. Seine Idee war es, Computer vor dem Beschuss durch Neutronen aus dem All zu schützen.

Der Hagener Forscher Bernhard Fechner hat eine Möglichkeit gefunden, die Störungen eines Computers durch elektrische geladene Teilchen zu vermeiden. Fechner hat eine Automatik entwickelt, die ständig im Hintergrund läuft und aktiv wird, wenn Fehler auftreten. Dann schaltet sie Komponenten zu, um diese Fehler aufzuspüren. Steigt die Fehlerrate schnell an, vermindert das System die Rechenleistung des Computers. "Da ein Rechner umso gefährdeter ist, je schneller er arbeitet, heißt das im Umkehrschluss: langsameres Arbeiten - weniger Fehler", erklärt Fechner. Wird die Fehlerrate zu hoch, schaltet das System den Prozessor ab.

Bernhard Fechner (Bild: Fernuniversität Hagen) Die Fehler erkennt das System über das Echo eines Programms. Es vergleicht Echo und Programm bei Abfolgen von Anweisungen, die mehrfach durchlaufen werden, und erkennt daran, ob der Computer einwandfrei läuft. Der zeitliche Versatz zwischen dem Programm und seinem Echo soll im Durchschnitt etwa fünf Takte betragen. Bei einer Taktfrequenz von 1 Gigahertz sind das 5 Nanosekunden. Tritt eine Differenz auf, deutet das auf einen Fehler hin.

Da Leiterbahnen und Transistoren auf den Chips immer kleiner werden, steigt das Risiko, dass die oft nur wenige Atome dicken Strukturen durch elektrisch geladene Partikel wie Neutronen beschädigt werden. Das gilt für Server ebenso wie für schnelle Desktop-PCs. Selbst die Elektronik in Autos und Flugzeugen kann dadurch in Mitleidenschaft gezogen werden. Wenn die Neutronen ein Chipbauteil treffen, kann sich eine Falschladung ausbreiten und eine Fehlfunktion des Chips verursachen. "Wenn bei einem Bild nur ein Pixel 'kippt', macht das selten etwas", erklärt Fechner. "Doch was ist, wenn beim Überholen auf der Autobahn plötzlich der Motor 'stottert', das Antiblockiersystem versagt oder beim Onlinebanking ein anderer Betrag überwiesen wird?", verdeutlicht er mögliche Auswirkungen.

Dass Schutz vor Neutronen aus dem Weltall auch auf der Erde nötig ist, hat eine Untersuchung in Kiel gezeigt: Dabei wurden pro Stunde im Schnitt 6.300 Neutroneneinschläge auf der Fläche von einem Quadratzentimeter gemessen. Der Rekordwert lag sogar bei 14.400 Einschlägen. "Mit Sicherheit ist eine Anzahl von Neutronen dabei, die genügend Energie haben, um Computer zu schädigen", sagt Fechner. Da die Neutronen auch Mauern durchdringen, kann man sich vor der Strahlung nicht schützen. Deshalb müsse man Fehler erkennen und korrigieren können, so Fechner.

Bernhard Fechner arbeitet am Lehrgebiet Parallelität und VLSI der Fernuniversität in Hagen. Die Forscher an diesem Fachbereich haben das Ziel, mit Hardwarekomponenten eine Verfügbarkeit von Computern zu erreichen, die Software bei gleichen Kosten nicht erreichen kann.