Partículas del espacio exterior pueden bloquear su móvil

Seguramente usted no se ha dado cuenta, pero un enorme número de partículas subatómicas extraterrestres "llueven" continuamente sobre la Tierra desde el espacio exterior. Millones de ellas nos golpean a cada segundo que pasa sin que seamos conscientes de ello. Pero muchas de ellas están causando graves inconvenientes en su smartphone, su ordenador y otros dispositivos electrónicos personales.

Cuando un portátil se bloquea y aparece la tan temida pantalla azul, o un móvil se queda colgado y hay que perder un tiempo precioso en reiniciarlo, lo primero que hacemos es echarle la culpa al fabricante, ya sea Microsoft, Lenovo, Samsung o Apple. Lo que no sabemos es que en muchas ocasiones la culpa de esos fallos no la tiene el fabricante, sino el impacto de partículas con carga eléctrica generadas por los rayos cósmicos, cuyo origen está muy lejos en el espacio, fuera de nuestro sistema solar.

"Se trata de un problema muy real, aunque es invisible para el público", explicó el pasado viernes Bharat Bhuva, profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Vanderbilt, en la ponencia sobre los efectos del clima espacial que pronunció durante la reunión anual de la Asociación Americana para el Avance de las Ciencias, en Boston.

Cuando los rayos cósmicos, que viajan a velocidades cercanas a la de la luz, impactan contra la atmósfera terrestre, crean cascadas de partículas secundarias, entre ellas neutrones muy energéticos, muones, piones y partículas alfa. Millones de esas partículas golpean nuestro cuerpo a cada segundo que pasa. Sin embargo, y a pesar de su número, este auténtico "torrente" subatómico resulta imperceptible y no tiene apenas efecto sobre los organismos vivos. Sin embargo, una parte de esas partículas lleva energía suficiente como para interferir con los circuitos electrónicos. Y cuando colisionan con alguno de ellos, pueden alterar los bits individuales de datos que están almacenados en la memoria. Es lo que se denomina un "trastorno de evento único" o SEU, por sus siglas en inglés.

Además, y dado que es imposible saber cuándo y dónde golpearán estas partículas, y si causarán o no algún daño apreciable, resulta muy dificil caracterizar el tipo de trastornos y mal funcionamiento de dispositivos que pueden ocasionar. Por eso, determinar la importancia y la cantidad de trastornos (SEU) es una tarea difícil y que no puede abordarse de forma directa. "Cuando tenemos un único bit perdido, las causas de esa pérdida pueden ser múltiples -explica Bhuva-. Podría tratarse de un simple error de software, o de un fallo de hardware. La única forma de determinar que efectivamente se trata de un SEU es eliminando todas las demás posibles causas".

Sin embargo, según informó el científico, se han producido ya una serie de incidentes que ilustran la gravedad que este problema podría llegar a tener. Por ejemplo, en el año 2013, en la ciudad belga de Schaerbeek, un "vuelco de bits" (bit flip) en una máquina de votación electrónica añadió 4.096 votos extra a uno de los candidatos. El error se detectó solo porque el candidato en cuestión recibió más votos de los que era posible recibir (de hecho, más que los ciudadanos con derecho a voto de la localidad). El rastreo posterior confirmó que se había tratado de un SEU, o trastorno de evento único provocado por el impacto de una partícula llegada del espacio profundo.

Otro ejemplo claro se produjo en 2008, cuando el sistema aviónico de un reactor de pasajeros en pleno vuelo entre Singapur y Perth, en Australia, sufrió un SEU que causó el apagado del piloto automático. Como resultado de ese fallo, el avión se desplomó bruscamente 690 metros en apenas 23 segundos, causando a un tercio de los pasajeros heridas lo suficientemente graves como para que el vuelo fuera desviado al aeropuerto más cercano. Además, en todo el mundo se han dado toda una serie de fallos inexplicables en las computadoras de las compañías aéreas (algunos de los cuales, según los expertos, fueron causados por SEUs) que resultaron en la cancelación de cientos de vuelos, lo que supuso pérdidas económicas significativas.

Ya un análisis hecho en 2004 por los ingenieros Edwin Wee y Ritesh Mastipuram sobre una generación anterior de dispositivos electrónicos mostró lo frecuente que podía llegar a ser este problema. Sus resultados se publicaron ese mismo año en Electronic Design News y proporcionaron las siguientes estimaciones: un teléfono móvil con 500 kilobytes de memoria (los que había en esa época) podria dar un error cada 28 años. Pero un router industrial de los que usan los proveedores de internet para dar servicio a sus clientes podría sufrir un fallo cada 17 horas; y una persona volando a 11.000 metros de altura, donde el nivel de radiación es considerablemente superior que al ras del suelo, podría experimentar un fallo en su ordenador cada cinco horas.

Bhuva es miembro del Grupo de Investigación de la Universidad de Vanderbilt sobre Efectos de la Radiación en sistemas electrónicos, establecido en 1987 y que es el mayor programa académico de los Estados Unidos en ese campo. Y si bien es cierto que el foco principal de investigación son las aplicaciones militares y espaciales, desde el año 2001 el grupo ha estado analizando también los efectos sobre la electrónica de consumo. Por eso, han estudiado el fenómeno a lo largo de las últimas ocho generaciones de procesadores informáticos, incluyendo la generación actual, que utiliza transistores 3D y que tiene apenas 16 nanómetros de tamaño.

"Los fabricantes de semiconductores están muy preocupados por este problema -asegura Bhuva-, ya que éste se hace mayor a medida que el tamaño de los transistores disminuye y el poder y la capacidad de nuestros sistemas digitales aumenta. Además, los circuitos electrónicos están ya por todas partes, y nuestra sociedad se está haciendo cada vez más dependiente de ellos".

Para determinar la tasa de SEUs en los procesadores de 16 nanómetros, los investigadores llevaron muestras de circuitos integrados al Laboratorio Nacional de Los Alamos. Y allí expusieron esos circuitos a haces de neutrones para ver cuantos SEUs se producían. Los expertos miden la tasa de fallos de los circuitos electrónicos en una unidad llamada FIT, que significa Fallo en el Tiempo. Un FIT es un fallo por transistor en mil millones de horas de operación. Lo cual puede parecer infinitesimal, pero su importancia crece rápidamente si sumamos los miles de millones de transistores presentes en nuestros dispositivos, y los miles de millones de dispositivos electrónicos que utilizamos hoy en día. La mayor parte de los componentes analizados dieron tasas de fracaso entre los 100 y los 1.000 FIT.

"Nuestro estudio -afirma Bhuva- confirma que se trata de un problema serio y que va en aumento, lo cual no ha sido una sorpresa, ya que gracias a nuestras investigaciones sobre los efectos de la radiación en circuitos electrónicos destinados a aplicaciones militares y espaciales hemos podido anticipar los efectos que esa radiación tendría en los sistemas electrónicos que operan en tierra".

Más pequeños, mejor

Los detalles de los estudios llevados a cabo en Vanderbilt no son de dominio público. A pesar de ello, Bhuva sí que describió cuál es la tendencia general que ha encontrado tras su análisis de las últimas tres generaciones de circuitos integrados: de 28, 20 y 16 nanómetros. A medida que el tamaño de los transistores se ha ido reduciendo, han necesitado cada vez menos cantidad de energía eléctrica para ser capaces de representar un bit lógico. Por lo tanto, la probabilidad de que se produzca un "vuelco de bit" de 0 a 1 (o de 1 a 0) cuando es golpeado por una partícula energética ha ido en aumento. Por supuesto, el mero hecho de que los transistores sean cada vez más pequeños les convierte en objetivos más difíciles de golpear, lo cual compensa en parte la tendencia anterior.

Por desgracia, no resulta sencillo, ni práctico, colocar escudos en los circuitos que puedan protegerlos de los impactos de estas partículas espaciales. Por ejemplo, se necesitaría un muro de tres metros de grosor para evitar que un circuito reciba el impacto de neutrones energéticos. Pero hay otras formas de construir ordenadores, capaces de reducir drásticamente la vulnerabilidad. Por ejemplo, en los casos en los que la fiabilidad total sea crítica se podrían diseñar procesadores triples. Según Bhuva, en efecto, "la probabilidad de que un SEU ocurra en dos de los circuitos al mismo tiempo es sumamente pequeña, por lo que si dos de los tres circuitos producen el mismo resultado, podremos asumir que éste es correcto. Ese es, precisamente, el enfoque que utiliza la NASA para maximizar la fiabilidad de los sistemas informáticos de sus naves espaciales.

Para el investigador, la buena noticia es que también la aviación, los fabricantes de equipos médicos, las TI, el transporte, las comunicaciones y las industrias financiera y energética son conscientes del problema, y están tomando medidas para abordarlo. Lo malo, en palabras de Bhuva, es que "solo el sector de la electrónica de consumo se ha quedado rezagado a la hora de abordar la cuestión".