宇宙中的“殺手”

假如你在高空飛機(jī)上使用手提電腦，那么每隔5個(gè)小時(shí)就有可能發(fā)生一次死機(jī)。未來10年，這種死機(jī)的頻率可能繼續(xù)上升為每20分鐘一次。而在空曠的野外，手提電腦的死機(jī)情況也一樣不容樂觀。如果有人告訴你，是一種來自宇宙深處的射線擊中了你的手提電腦，從而導(dǎo)致死機(jī)。你一定會(huì)認(rèn)為這有點(diǎn)像天方夜譚。但事實(shí)的確如此，一顆宇宙微粒在經(jīng)過你身邊時(shí)，恰好擊中了你的電腦。

它們能穿墻透壁

當(dāng)特別劇烈的宇宙事件（例如超新星爆炸）發(fā)生時(shí)，所產(chǎn)生的高能粒子，會(huì)和在離地面幾十千米的氧和氮發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)。這些粒子中包括質(zhì)子、電子、介子和中子。在它們瘋狂存在的10多分鐘里，中子將以1/10～3/4的光速向各個(gè)方向擴(kuò)散，其強(qiáng)度隨著海拔的下降而減弱：從10千米高處的每小時(shí)每平方厘米1萬個(gè)下降到海平面處的每小時(shí)每平方厘米10個(gè)。這些具有100萬～1億電子伏特能量的中子，能夠穿透建筑物和交通工具，到達(dá)所有的電子設(shè)備。在由自然輻射產(chǎn)生的諸多微粒中，中子是造成地球上90%的電子問題的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

早在20世紀(jì)70年代的航空領(lǐng)域，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)，自然輻射對(duì)人造衛(wèi)星的電子元件有破壞作用，而宇宙射線、重離子的破環(huán)性尤為嚴(yán)重。80年代后期，航空電子學(xué)專家開始關(guān)注自然輻射對(duì)飛行安全的威脅。他們發(fā)現(xiàn)，來自宇宙的中子確確實(shí)實(shí)能誘使飛機(jī)上的電子設(shè)備發(fā)生故障。而從2000年以來，由于晶體管的微型化，這種問題變得越來越突出，情況也越來越糟糕。或許，有人會(huì)產(chǎn)生疑問：僅僅一個(gè)中子就能干擾像微處理器或電腦內(nèi)存這樣復(fù)雜的電子部件？我們知道“比特”是最基本的信息記錄單位，從2000年開始，每1個(gè)到達(dá)晶體管的中子都有可能使1比特的信息發(fā)生改變。

各行各業(yè)受到威脅

今天，在我們的生活中，使用微電子產(chǎn)品的機(jī)會(huì)越來越多了：汽車、火車、電腦、手機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、信息服務(wù)器、股票交易……

由于中子的流量在高空中要更大，所以第一個(gè)受到巨大威脅是航天業(yè)。中子可以以接近光速的速度飛行，這種高能粒子束攜帶的能量，可能比拍個(gè)X光片的輻射劑量大1 000倍，因此殺傷力巨大。美國宇航局的專家研究后認(rèn)為，中子不僅可以對(duì)作業(yè)宇航員造成過量輻射，還會(huì)損害宇航員賴以生存的宇宙飛船的某些部件。它們穿過宇宙飛船外壁后會(huì)聚積并產(chǎn)生較強(qiáng)的電壓差，進(jìn)而損害一些敏感的半導(dǎo)體元件。中子流還會(huì)影響宇宙飛船太陽能電池的工作，造成飛船供能障礙。

現(xiàn)在，飛機(jī)也成為中子危害的主要對(duì)象。在飛機(jī)航行的高度，中子流的強(qiáng)度是海平面的1 000倍。國際電子技術(shù)委員會(huì)為此頒布了許多安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定每個(gè)元件每小時(shí)的故障率必須小于10-7，飛機(jī)制造商必須安裝1～2套備用機(jī)載電子系統(tǒng)。由于無法觀察到中子的蛛絲馬跡，因此也無法找到故障的真正原因，于是航空人員不得不在倉庫里存放大量備用部件和設(shè)備，而這些部件和設(shè)備常常要積壓大量的資金。

另一個(gè)受到巨大威脅的領(lǐng)域是鐵路。現(xiàn)在的鐵路機(jī)車使用了大量電子設(shè)備來提高行駛速度，其中一些元器件對(duì)中子很敏感，這是因?yàn)樗鼈兊捏w積大，要承受的電壓更高、電流更大。最近10多年中，由于這類元件被中子擊中而導(dǎo)致高速列車的機(jī)車被拖回工廠修理的情況已屢見不鮮。

現(xiàn)在，汽車使用的車載電子系統(tǒng)越來越多，出現(xiàn)問題的地方也越來越多。如安全氣囊意外打開、制動(dòng)系統(tǒng)不靈等。此外，手機(jī)生產(chǎn)商、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商和其他一些大的信息網(wǎng)絡(luò)也都面臨同樣的問題。在某些情況下，由中子引發(fā)的故障和事故明顯地讓人感到擔(dān)憂。比如在國外，就發(fā)生過心臟起搏器和心顫消除器被中子損壞的事件。中子使這些醫(yī)療精密設(shè)備變得異常脆弱。總之，全世界所有的電子系統(tǒng)都面臨著這一巨大威脅。

元件微型化是主因

宇宙大氣里的中子會(huì)嚴(yán)重干擾電子產(chǎn)品的電路，無論是電腦、電話還是車載電子設(shè)備，沒有什么能夠逃過這些看不見摸不著的微粒的侵害。而電子元件日益微型化的趨勢(shì)，則使它們?cè)谶@一威脅面前顯得越加脆弱。隨著電子元件的微型化，晶體管變得越來越小，能耗變得越來越低，而電荷的轉(zhuǎn)移也越來越快。隨之而來的后果就是：晶體管中用于基礎(chǔ)信息轉(zhuǎn)換的能量越來越少，甚至有的只需幾十飛庫（1飛庫=10-15庫侖），是10年前的1/10。這樣一來，僅僅一個(gè)中子所帶的能量就足夠造成硅芯片的紊亂。更嚴(yán)重的，還能造成暫時(shí)短路并且使元件完全熔化。上述原因直接導(dǎo)致電路故障的次數(shù)不斷上升，邏輯錯(cuò)誤的頻率越來越高，甚至到了令人難以接受的地步。

這種危害對(duì)存儲(chǔ)器顯得尤為突出。存儲(chǔ)器由大量晶體管組成。現(xiàn)在的存儲(chǔ)器容量越來越大，這就意味著在同等面積上會(huì)有越來越多的晶體管，那么它們和中子相撞的可能性也就越來越大，如此一來，電路出錯(cuò)的概率就會(huì)大大增加。從統(tǒng)計(jì)角度來看，電子設(shè)備因此發(fā)生故障的頻率將會(huì)變得越來越高。即使一個(gè)中子每小時(shí)只有億分之一的機(jī)會(huì)撞擊到一個(gè)晶體管，只有萬分之一的機(jī)會(huì)使該晶體管遭到破壞，則發(fā)生故障的機(jī)率就是萬億分之一。但我們知道，每個(gè)存儲(chǔ)器由將近10億個(gè)晶體管組成，那么，整臺(tái)計(jì)算機(jī)的出錯(cuò)概率就是每天1次了。如果將這個(gè)數(shù)字乘以全世界的人每天使用的電子設(shè)備的數(shù)量，這種情況就不容忽視了。

解決代價(jià)昂貴

值得高興的是，與大氣中子有關(guān)的問題現(xiàn)在已經(jīng)弄清楚了，相關(guān)的預(yù)防措施也已經(jīng)研究出來了。水和混凝土中富含氫原子，是最好的抗中子的物質(zhì)和屏障，所以，最有效的辦法就是在交通工具上覆蓋一層混凝土或是將電子設(shè)備浸入水中。不過，這樣一來，這些工具和設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)又是一個(gè)問題了。

當(dāng)然，還有許多更實(shí)際一些的方法，大致可以分為兩類：材料方面的方法和軟件方面的方法。前一類方法是從物理角度降低電子元件對(duì)中子的敏感度，比如不同的外觀設(shè)計(jì)、原子摻雜等，都是可行的辦法，但是代價(jià)昂貴。后一類辦法是指研究使用能夠檢測到一定數(shù)量的錯(cuò)誤，并且能直接對(duì)它們進(jìn)行修正的軟件。不過，要檢驗(yàn)這些方法的有效性還需時(shí)日。不管怎樣，因大氣中子而引起的故障問題已引起人們的注意。對(duì)于那些追求“零錯(cuò)誤”的研究人員和工程師們來說，這是一個(gè)越來越棘手的問題。