De volgende keer dat uw ‘pager’ of cellulaire telefoon het plotseling niet meer doet, moet u eens terloops tegen uw huisgenoten of collega’s zeggen: "Ik denk dat schommelingen in het magnetische veld van de aarde ‘killer’-elektronen hebben veroorzaakt in de Van Allen Gordels waardoor de satelliet die dit apparaat bedient van slag is." De kans is groot dat u dan in ieder geval de lachers op uw hand hebt. En niet alleen dat. Volgens Bill Richardson, de Amerikaanse minister van energie, hebt u waarschijnlijk ook nog gelijk.
De wet van Moore zegt dat de snelheid van microprocessoren iedere achttien maanden verdubbelt. Het is niet ondenkbaar dat door deze wetmatigheid het vliegen steeds onveiliger wordt. En hebt u er wel eens over nagedacht dat het solderen in de buurt van de PC of server de chip in die apparaten in de war kan sturen? Ook is het niet verstandig uw PDA of palmtop in een magnetron te leggen. Het is allemaal terug te voeren op één probleem: straling.
Op 19 mei 1998 ging de satelliet Galaxy 4 van de firma PanAmSat plotseling over de rooie. Dat was niet alleen vervelend voor de firma Hughes, die voor 81 procent eigenaar is van PanAmSat, maar ook voor ongeveer 45 miljoen gebruikers van pagers die het plotseling niet meer deden. Het uitvallen van de satelliet veroorzaakte ook onderbrekingen van Internet-aansluitingen, radio- en televisie-uitzendingen en de communicatie van een aantal persbureaus met hun klanten. Het duurde ongeveer drie dagen voordat de Galaxy 4 weer normaal opereerde.
Van Allen-gordels
Na de storing ging het gerucht rond dat de Galaxy 4 voortijdig geveld was door het Jaar2000 – of een soortgelijk – probleem. Dat was onzin verklaarden technici van Hughes, de satelliet gebruikt ‘plaatselijke satelliettijd’, en heeft geen enkel benul van het naderende einde van het millennium. Het uitvallen van de Galaxy 4 was volgens hen te wijten aan een storing in de ‘on-board spacecraft control-processor’, het systeem dat o.a de satelliet in de juiste positie ten opzichte van de aarde moet houden. Toen dit systeem uitviel en ook het backup-systeem niet functioneerde, begon de satelliet te tollen en verloor zijn vaste oriëntatiepunt. Maar wat die oorzaak was van de storing en het falen van het backup-systeem wist men bij Hughes ook niet.
En dan is er Bill Richardson. Tijdens een kleine ceremonie in New Mexico waar de Minister van Energie bekendmaakt dat het Sandia National Laboratory een stralingsbestendige (radiation-hardened) versie gaat maken van Intels Pentium, suggereert hij dat het falen van de Galaxy 4 te wijten is geweest aan een overdosis kosmische straling. Het zou kunnen – let wel ‘zou kunnen’ – dat de Van Allen Gordels in mei een soort bombardement hebben losgelaten van elektronen die de microprocessoren van Galaxy 4 – en daarmee ook het backup-systeem – totaal ontregelden.
De Van Allen Gordels zijn gordels van geladen deeltjes die de aarde omcirkelen zoals de grachtengordel de binnenstad van Amsterdam. Ze werden in de jaren vijftig ontdekt door James Van Allen en strekken zich uit tot op een hoogte van circa 30.000 kilometer. Men heeft altijd aangenomen dat deze gordels redelijk stabiel zijn. Niet zo, meent de Amerikaanse natuurkundige Daniel Baker van de Universiteit van Colorado. Volgens zijn onderzoek kunnen kleine schommelingen in het magnetische veld van de aarde elektronenstormen veroorzaken in de Van Allen Gordels, waarbij geladen deeltjes de snelheid van het licht benaderen. Als zo’n storm van ‘killer’-elektronen inslaat in een satelliet, is de kans groot dat de microprocessoren aan boord foute dingen gaan doen of er de brui aan geven. In mei 1998 – denk aan het uitvallen van de Galaxy 4 – observeerde Baker zo’n kosmische storm.
Geharde chips
Het goed functioneren van een microprocessor is afhankelijk van het nauwkeurig controleren van elektrische stroompjes in die processor. Het zal duidelijk zijn dat de inslag van elektronen, fotonen, ionen of andere geladen deeltjes een microprocessor geheel in de war kan sturen. Als er bijvoorbeeld elektronen van buitenaf inslaan in een geheugencel, kan dat de data in die cel veranderen. Daardoor worden verkeerde – zogenoemde fantoom-commando’s – gegeven. En daarom worden sinds jaar en dag in de ruimtevaart, in de satellietbouw en in defensiesystemen die bestand moeten zijn tegen nucleaire aanvallen, zogenoemde ‘radiation-hardened’ (rad-hard) microprocessoren toegepast.
Steeds wanneer er een nieuwe generatie van snellere chips beschikbaar komt, gaat het Amerikaanse Ministerie van Energie aan de slag om een ‘rad-hard’-versie te maken. Nu is dus de beurt aan de Pentium. Het ‘rad-hard’ maken van microprocessoren is volgens de deskundigen van het Sandia National Laboratory tegelijkertijd een kunst en een aparte tak van wetenschap. Er zijn ingrijpende veranderingen in de architectuur en in de fabricage noodzakelijk om bijvoorbeeld een Pentium-chip geschikt te maken voor gebruik in een satelliet. Een ’truc’ van Sandia is het opvullen van de lege ruimte tussen transistors op de chip met een dunne laag oxide die verhindert dat ongewenste lading zich kan ophopen tussen transistors.
Gordon Moore – jawel die van de wet van Moore – is een van de gangmakers van de samenwerking tussen Intel en het Sandia National Laboratory. Dankzij zijn ‘verdubbelings’-wet worden processoren steeds sneller. Maar er kleeft ook een nadeel aan: hoe kleiner de componenten van een microprocessor, des te gevoeliger ze zijn voor straling en des te moeilijker het wordt om er ‘rad-hard’-versies van te maken. Ja, onze supersnelle chips hebben zulke kleine componenten dat zelfs de background-straling op aarde wel voor problemen kan gaan zorgen.
Natuurlijke straling
Deskundigen van Texas Instruments, Intel en het Franse bedrijf STMicroelectronics luidden de alarmbel in oktober 1998 op een conferentie in Washington DC. De volgende generatie microprocessoren waarbij de dimensies van de transistoren kleiner zijn dan 180 nanometer, zal zeer gevoelig zijn voor lage doses alfastraling en neutronen. Dit zal vooral problemen kunnen veroorzaken voor de burgerluchtvaart. Op 9 kilometer hoogte is de background-straling ongeveer duizend maal zo intensief als op zeeniveau. Maar ook op de aarde zouden nieuwe generaties microprocessoren getroffen kunnen worden door de natuurlijk voorkomende straling.
Tenslotte zijn er op aarde ook veel apparaten en materialen in gebruik die zelf straling veroorzaken. Lood in soldeer is volgens Alan Hales van Texas Instruments een belangrijke bron van straling. Hales zegt in de New Scientist: "Het meeste lood dat wordt gebruikt in soldeer is licht radio-actief." Er zijn bedrijven die experimenteren met loodvrije soldeer. Maar ook materialen die gebruikt worden bij het maken van de microprocessoren zelf veroorzaken straling. Fosforzuur voor het schoon-etsen van chip-wafels is een natuurlijke bron van alfa-straling.
