看不见的威胁【看不见的中子威胁】

　　本文刊载于美国洛斯－阿拉莫斯国家实验室刊物《国家安全科学》2012年2月刊。文童认为，随着微电子技术的发展，微芯片上集成的晶体管数量持续地按照摩尔定律翻倍增长，由宇宙射线产生的中子带来的单粒子翻转威胁将越来越严重，甚至有可能使摩尔定律走向终结。特别是目前军用装备中使用民用现成产品的趋势越来越普遍，如果没有在设计上对此进行充分的考虑，并采取必要的冗余措施，很可能会引发意外事故。
　　1驾军用C－141B“运输星”飞机正在日本海上空11000米的高度飞行，机上载有100多名士兵，忽然由宇宙射线产生的一颗以接近光速运行的中子击中了飞机，此时，飞行员突然感觉到什么地方出了问题，而且是非常严重的问题。因为飞机突然向右侧滑，眼看着就要失去控制……究竟发生了什么?难道一颗比原子还小的粒了会造成这么大的问题吗?回答是肯定的；飞机受到中子撞击后，飞行控制仪上的某个微芯片就可能失灵，并发出错误指令。中子就像幽灵一样，能够神不知鬼不觉地穿透物质。在飞机巡航高度，每秒钟就有大约2400个这样的中子穿入1平方米大小的飞机表面，它们穿越乘客，穿越座椅，穿越机载电子设备，然后又从飞机的另一侧穿出，其间如果一颗高能量中子与机载电子设备晶体管中的硅原子核迎头相撞，后果将会怎样?
　　中子威胁
　　20多年来，军用、民用航空航天工业以及计算机行业就已经认识到，流过大气层的高能量中子能够导致计算机出错，即所谓“单粒子翻转”。虽然这种出错仅仅是“软”出错，不会对计算机造成永久性损害，但计算机内存中的一个数位就会突然发生改变，或者，某个逻辑电路就会产生错误的结果，从而导致应用程序暂停或崩溃。故障的元凶正是中子与原子核的迎头相撞。撞击产生电荷，电荷又导致某个晶体管从关闭状态转入开启状态，而晶体管是分布于微芯片表面的集成电路的基本单元。
　　微芯片单粒子翻转的发生率与每秒钟到达芯片的中子数量(即“中子放射密度”)是成比例的。在大气层中，中子密度随着高度的增加而增加，直至18300米。之后，中子密度就稳定下来。单粒子翻转发生率亦是如此。例如，当高度为9100米时，中子密度与单粒子翻转发生率均为海平面的300倍。不幸的是，由于中子的穿透力非常强，还无法找到保护机上关键设备的可行办法。因此，军方和航空界想出了各种补救办法。
　　如果单粒子翻转发生于人工驾驶飞机的飞行控制仪上，飞行员可以纠正飞行控制仪的错误。还有更好的办法，那就是采取三重模块冗余(TMR)措施，让控制仪上的集成电路自动纠错。在TMR冗余模块中，每个电子电路中的信号会与来自另外2个同样电路的结果进行比较。通过比较，出错电路产生的结果将被“否决”。简单地说，错误信号还没有来得及从控制仪发出，另外两个电路就以“2票”对“1票”的优势压倒了它TMR对于飞行控制仪及依赖微芯片的其他关键仪器来说效果一直很好。但是，从成本、时间、给飞机增加的重量以及占用的空间来看，TMR措施代价高昂。所以，人们直到不久以前还一直认为，TMR设施对于成像装置和数据处理装置等不那么关键的功能来说太不经济。
　　每块微芯片的单粒子翻转发生率取决于3个因素的共同作用：即中子密度，每个晶体管对中子引发的单粒子翻转的内在敏感性以及微芯片上的晶体管数量。假设在某一飞行高度，拥有一定晶体管数量的某个微芯片的单粒子翻转发生率是每1000小时1次，且使用中的微芯片数量为100个，那么，在这一高度，每10个小时，其中的一个微芯片就会发生一次单粒子翻转。换句话说，飞机飞得越高，晶体管对中子的敏感性就越强；使用的微芯片数量越大，单粒子翻转的发生率就越高。
　　中子威胁到底有多大?
　　今天，军方对中子威胁的担心越来越大，因为基于机载微芯片的仪器数量正在飞速增加。例如，在伊拉克战争和阿富汗战争中，大批基于微芯片的非定制电脑和成像仪被安装到监视飞机和其他军用飞机上，用以搜集至关重要的战场信息。有些飞机在北极上空以高达18000米的高度飞行，整个北半球尽收眼底。而在那样的高度，中子密度大约是海平面的2000倍。
　　飞行高度较低的其它飞机能够为士兵们提供他们即将进入的街道和居民区的实时图像。军方情有独钟的是，将飞机所搜集到的信息当场进行处理，然后快速下传给地面的士兵。然而，在过去5年里，在海平面这一高度，最新型现成仪器上每块芯片的单粒子翻转发生率迅速提高，因为晶体管的体积变小了，每块芯片上的品体管数量增加了。现在，单粒子翻转的风险是不是太高了呢?与增加的成本相比，补救措施划算吗?在设备投入使用之前，怎样对风险进行测算?
　　面临这一难题的不仅是军方。在我们的数字世界里，与航空电子设备上所使用的相同的微芯片随处可见，如银行、运输、医药、通讯、娱乐及其他行业所使用的地面民用系统。这些微芯片对于胰岛素监视仪、GPs(全球定位系统)触发的应急救援系统、防抱死刹车系统、智能刹车灯、智能手机、越来越逼真的电子游戏、高级音响系统以及预报天气和核武器性能的超级计算机来说，都至为关键。
　　摩尔定律会终结吗?
　　单个晶体管越来越小是数字世界演进的唯一驱动力。晶体管的面积每缩小一半，每块微芯片的晶体管数量就增加1倍，芯片的性能(每秒钟的运行次数)也就提高1倍。在过去40年里，晶体管的面积每两年就缩小一半，芯片性能也是每2年就提高1倍，这就是“摩尔定律”。由于晶体管的体积越小，其装配成本就越低，晶体管就能以更低的电压运行，因此，性能提高所增加的成本是有限的。所以，产品的数量越来越多，使用的微芯片数量也越来越大。难怪摩尔定律被人们称为经济增长的引擎。
　　然而，摩尔定律可能走向终结，很大程度上是因为来自中子的威胁。人们总想把晶体管做得越来越小，这就导致晶体管对单粒子翻转的敏感度越来越高。如果晶体管上还装配了尺寸为65纳米或不足65纳米的亚元件，其敏感度会更高。如果亚元件的尺寸只有65纳米或更小，每块芯片上的晶体管数量可能多达数十亿个，而开启晶体管所需的关键电荷却很低。既然由中子撞击硅核子所产生的小得多的电荷就能导致单粒子翻转，单粒子翻转的发生率也就急剧增加了。