Bit Flip: Hiện tượng kỳ lạ xuất phát từ ngoài không gian

Các tia vũ trụ từ không gian có thể khiến dữ liệu được lưu trữ trong máy tính bị đảo lộn bit.

Tất cả chúng ta đều quen thuộc với máy tính và tính hữu dụng của chúng trong cuộc sống hàng ngày. Chúng ta sử dụng chúng cho nhiều mục đích, từ giải trí và chơi game đến tài chính, kế toán và thậm chí thực hiện các phương trình toán học phức tạp có thể xác định cách các thiên hà hình thành và mô hình hóa các hệ thống sinh học khác nhau.

Nhưng máy tính có hoàn hảo 100% không?

Máy tính có thể gặp sự cố, nhiễm vi-rút máy tính và bị xâm phạm theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như bằng bloatware hoặc ransomware. Ngay cả thế giới tự nhiên cũng có cách gây rối với máy tính.

Một minh họa bằng hình ảnh về những gì xảy ra khi Bit Flip diễn ra.

Giới thiệu về Bit Flip

Bit Flip là một kiểu thay đổi dữ liệu bộ nhớ không chủ ý. Máy tính lưu trữ dữ liệu dưới dạng bit là 0 và 1. Khi một phần dữ liệu bị 'Bit Flip', giá trị của dữ liệu bộ nhớ này sẽ thay đổi hoặc đảo ngược: 0 trở thành 1 và 1 trở thành 0.

Bit Flip này xảy ra khi một hạt tích điện năng lượng cao tấn công phần cứng bộ nhớ. Những hạt này có thể là hạt alpha hoặc tia vũ trụ có nguồn gốc từ không gian. Khi những hạt như vậy tấn công phần cứng bộ nhớ, chúng sẽ làm thay đổi đặc tính của electron dùng để lưu trữ dữ liệu, khiến bit bị đảo ngược.

Bit Flip thuộc loại "lỗi mềm". Khi xảy ra lỗi phần mềm, chúng ta có thể thực hiện chỉnh sửa cần thiết bằng cách sử dụng mã để ghi lại giá trị bit tại nơi xảy ra lỗi và lấy lại giá trị chính xác. Điều này khác với lỗi cứng, thường là do phần cứng bị lỗi hoặc bị hỏng. Khi xảy ra lỗi cứng, bản thân phần cứng cần phải thay thế.

Như đã đề cập, tia vũ trụ là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng Bit Flip trong các thiết bị bộ nhớ.

Đây là sự thể hiện tổng quát về những gì xảy ra khi một tia vũ trụ đi vào bầu khí quyển Trái đất. Sự chuyển đổi tia vũ trụ thành pion và muon này được gọi là "dòng tia vũ trụ".

Tia vũ trụ gây ra hiện tượng Bit Flip như thế nào?

Tia vũ trụ là các hạt năng lượng cao có nguồn gốc từ không gian bên ngoài. Chúng chủ yếu bao gồm các proton, cùng với một lượng nhỏ hạt nhân Helium và một lượng nhỏ các loại hạt nhân nặng hơn và các hạt lượng tử.

Khi những tia vũ trụ này chạm tới các tầng trên của bầu khí quyển Trái đất, chúng va chạm với hạt nhân của các hạt trong khí quyển. Sau đó, các hạt tia vũ trụ chủ yếu chuyển hóa thành pion, sau đó phân rã thành muon. Muon không tương tác nhiều với vật chất và dễ dàng chạm tới bề mặt Trái đất.

RAM và bộ nhớ flash lưu trữ dữ liệu bằng cách sử dụng bóng bán dẫn là một trong những thành phần chính của chúng. Các thiết bị bộ nhớ hiện đại này sử dụng bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại MOSFET. Việc lưu trữ bộ nhớ, dưới dạng bit, được thực hiện bằng cách áp dụng các giá trị điện áp trên các cực của bóng bán dẫn.

Hình minh họa về bóng bán dẫn hiệu ứng trường oxit kim loại MOSFET. Những loại bóng bán dẫn này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị lưu trữ bộ nhớ.

Bit Flip xảy ra khi một hạt tích điện bên ngoài, giống như tia vũ trụ, tương tác với MOSFET và làm thay đổi tính chất của electron chạy qua nó và nói rộng hơn là giá trị điện áp trên cực bóng bán dẫn.

Các máy tính trên bề mặt Trái đất hầu như an toàn trước các tia vũ trụ, vì hầu hết chúng thường trở thành muon khi chúng chạm tới bề mặt Trái đất. Do đó, các máy tính trên mặt đất thường không bị đảo bit, nhưng trường hợp này không xảy ra với tàu vũ trụ du hành ngoài vũ trụ. Chúng bị bắn phá bởi các tia vũ trụ mà không bị ảnh hưởng bởi bầu khí quyển Trái đất, khiến chúng khá dễ bị Bit Flip.

Chỉnh sửa Bit Flip

Mặc dù việc tránh các tia vũ trụ có thể là điều bất khả thi đối với tàu vũ trụ khi chúng đã rời khỏi bầu khí quyển Trái đất, nhưng có những điều khác mà chúng ta có thể làm để khắc phục hiện tượng đảo chiều khi nó đã xảy ra. Đôi khi, việc khởi động lại có thể gián tiếp xóa dữ liệu bị đảo bit, đặt lại dữ liệu đó về giá trị ban đầu thông qua làm mới bộ nhớ và khởi tạo lại. Tuy nhiên, kỹ thuật này không phải lúc nào cũng hiệu quả và có thể cần đến những kỹ thuật mạnh mẽ hơn.

Đôi khi, chúng ta sử dụng mã sửa lỗi (ECC) để sửa các lỗi do thao tác Bit Flip tạo ra. Các mã có thể phát hiện khi xảy ra thao tác Bit Flip, điều này thường được thực hiện bằng cách xác định số 0 hoặc 1 mà dữ liệu chứa (do người dùng cung cấp). Nếu phần mềm phát hiện có sự không khớp về số 0 hoặc 1 giữa những gì nó nhận được và những gì người dùng đã cung cấp, thì nó sẽ phát hiện ra lỗi.

Sơ đồ cho thấy tia vũ trụ có thể tấn công MOSFET như thế nào để gây ra hiện tượng Bit Flip.

Các ECC phức tạp hơn, như mã Hamming, cũng được sử dụng để khắc phục các lỗi do Bit Flip.

Một cách khác để xử lý và sửa đổi Bit Flip là sử dụng một kỹ thuật gọi là dự phòng mô-đun. Ở đây, việc chỉnh sửa được thực hiện bằng cách lặp lại quy trình từ nơi chúng ta lấy dữ liệu và sau đó tiến hành biểu quyết theo đa số.

Ví dụ: nếu dữ liệu thu được là "1" thì bằng cách lặp lại dữ liệu đó ba lần, chúng ta sẽ nhận được "111". Tuy nhiên, giả sử xảy ra hiện tượng đảo bit và dữ liệu thu được thay vào đó là '110'. Vì "1" vẫn chiếm đa số, nên sự dư thừa mô-đun sẽ cho chúng ta biết rằng "1" là dữ liệu chính xác cho bit.

Dự phòng mô-đun sử dụng ba lần lặp lại được gọi là dự phòng mô-đun 3 chiều hoặc dự phòng ba mô-đun.

Các máy tính được sử dụng trong chương trình Shuttle sử dụng năm lần lặp lại và được gọi là dự phòng mô-đun 5 chiều. Mặc dù hiệu quả nhưng dự phòng mô-đun đòi hỏi khối lượng và sức mạnh đáng kể, khiến việc triển khai nó trở nên khó khăn.

sử dụng máy tính khi ở trên Trạm vũ trụ quốc tế.

Giống như bầu khí quyển bảo vệ thực vật và động vật trên Trái đất khỏi những tia nguy hiểm đến từ ngoài vũ trụ, nó cũng bảo vệ máy tính và các thiết bị điện tử khác. Tuy nhiên, với số lượng các sứ mệnh không gian ngày càng tăng và với những sứ mệnh quan trọng như sứ mệnh sao Hỏa, việc Bit Flip tia vũ trụ là một lĩnh vực phải được tính đến rất nghiêm túc. Không gian bên ngoài không phải là nơi bạn muốn máy tính phát sinh lỗi và gặp sự cố vào những thời điểm không mong muốn.