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18.01.1980 - 

Ladungstransportspeicher unter Beschuß:

Kosmische Strahlung mit Kobold-Effekt

Ladungstransportspeicher (CCD-Speicher) reagieren sehr viel empfindlicher auf die Einwirkung von Alphateilchen, die aus Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung stammen, als dynamische RAMs. Dies bestätigten kürzlich veröffentlichte Forschungsergebnisse aus Versuchsreihen, die mit drei verschiedenen Speicherchip-Prototypen in unterschiedlicher Höhe durchgeführt wurden. Sie werden nun die Entwurfsingenieure und Werkstoffachleute zu weiteren Maßnahmen hinsichtlich einer Verbesserung der Zuverlässigkeit zukünftiger Prozessoren und Speicher veranlassen.

Alphateilchen sind wie Kobolde; sie machen modernen Computerspeichern erheblich zu schaffen, sie kehren nämlich völlig unerwartet, einmalig und ohne bleibende Schädigung, den Wert von Einzelbits um, wobei spätere Tests die Verfälschung als funktionsmäßig richtig diagnostizieren. Nach neuesten Untersuchungen kommen solche "weichen" Fehler (soft fails) bei großen Rechnern alle tausend Betriebsstunden vor, das heißt also etwa einmal in sechs Wochen.

Das ist nun im Vergleich mit den "harten Fehlern" durch physische Ausfälle eine sehr hohe Fehlerhäufigkeit. Nach J. Ziegler und W. A. Lanford (Effect of Cosmic Rays on Computer Memories, Science, Vol., 206 S. 776-788) fällt jedes Bit eines typischen 64-KBit-Chips nur einmal alle 7,5 Millionen Jahre aus.

Das Problem des weichen Fehlers kann nun das Ausmaß begrenzen, in dem die Strukturen von Speicherchips mit Erfolg verkleinert werden können, da die Strahlungsschauer naturgemäß die kleinsten Chips mit der größten Packungsdichte arm meisten beeinträchtigen. Und die Alphateilchen sind so gut wie allgegenwärtig - auch in Satelliten -, wo sie den Bordrechnern zu schaffen machen.

Alphateilchen sind Heliumkerne, die bei der Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit Silizium entstehen können. Die Teilchenbeschießung wirkt sich mit großen Höhen stärker aus, da die dünnere Atmosphäre den Teilchen weniger Widerstand bietet.

Die Untersuchung der Auswirkungen kosmischer Strahlung auf den dynamischen RAM und zwei verschieden große CCD-Speicher kann der Bevorzugung der Ladungstransportspeicher als kostengünstigere Alternative der RAM-Technologie ein rasches Ende bereiten. Vergleicht man beide, so ist der RAM stark vereinfacht - 100mal schneller als der CCD-Speicher, aber auch 100mal kostenaufwendiger.

In Meereshöhe erfährt ein 256-KBit-CCD-Chip nach Ziegler und Lanford etwa 3000 weiche Fehler pro Million Betriebsstunden. Ein 600-KBit-Chip kommt in derselben Zeit auf 600 Fehler. Im Gegensatz dazu fanden die Forscher beim dynamischen 64-KBit-RAM-Chip nur etwa 7 weiche Fehler pro Million Betriebsstunden.

Die Ladung eines 64-KBit- beziehungsweise eines 256-KBit-CCD-Speicherchips beträgt roh gerechnet 180000 beziehungsweise 50000 Elektronen pro Bit. Demgegenüber verfügt ein 64-KBit-RAM über schätzungsweise 1500000 Elektronen pro Bit. Genaugenommen hängt die Fähigkeit eines Speicherchips, den Einwirkungen kosmischer Strahlung Widerstand zu leisten, von der pro Bit gespeicherten Leistung des Chips und von der Ladungsmenge ab, die bei einem Treffer vom Alphateilchen auf das Chip übergeht. Nun gibt es aber zwei Faktoren, die bestimmen, ob ein solcher Treffer überhaupt stattfinden kann: es sind die Höhe der Rechnerinstallation und die Abschirmung.

Weiche Fehler sind kalkulierbar

Ziegler und Lanford führten ihre Versuche in einer Höhe von 3000 und 10000 Metern durch. In dem dazwischenliegenden Luftraum nahmen die Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung und damit die Fehlerhäufigkeit mit der Höhe stark zu. "Drastische Zunahmen der weichen Fehler lassen sich für die üblichen Flughöhen voraussagen", meinten die Forscher. Man kann diesen Höheneffekt direkt zur Beschleunigung der Prüfung von Schaltungen auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen die Einwirkung kosmischer Strahlung ausnützen."

Hinsichtlich der Abschirmung bestimmten die Forscher die Absorption von kosmischer Strahlung durch Beton. In Meereshöhe gestattet eine 20 Zentimeter dicke Betonwand noch etwa drei weiche Fehler pro Million Betriebsstunden auf einem dynamischen 64-KBit-RAM. Bei einem 64-KBit-CCD-Chip steigt die Zahl der weichen Fehler auf 700 pro Million Betriebsstunden und bei einem 256-KBit-Chip beträgt die Zahl der weichen Fehler bereits 2000. Bei einer Dicke der Betonwand von 50 Zentimetern treten bei einem 64-KBit-RAM-Chip in Meereshöhe praktisch keine weichen Fehler auf, fanden Ziegler und Lanford. Aber immerhin läßt auch diese Wand noch soviel Strahlung durch, daß bei einem 64-KBit-CCD-Chip etwa 300 und bei einem 256-KBit-CCD-Chip mehr als 1000 weiche Fehler pro Million Betriebsstunden gezählt werden konnten.

Computerworld, 3. Dezember 1979, S 10, Übersetzung Hans J. Hoelzgen, Böblingen.