Una amenaza cósmica para tu computadora

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En febrero de 2017, los participantes de la reunión anual de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS) escucharon una conferencia inusual preparada por el Dr. Bharat Bhuva, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Vanderbilt en Nashville, Tennessee. Concretamente, Bhuva estudia la influencia del clima espacial en los sistemas electrónicos en la Tierra y el espacio cercano a nuestro planeta. Durante la conferencia, Bhuva destacó un tema muy particular: el resultado de las elecciones federales en el distrito electoral de Schaerbeek en Bruselas en 2003.

En aquellas elecciones se produjo una complicación al anunciar los resultados electorales almacenados en una de las computadoras. Estos indicaban que Maria Vindevoghel, una candidata relativamente poco conocida, recibió más votos de los que le permitía el sistema de votación. Afortunadamente, por razones de seguridad, los votos electorales también se registraron en boletas de papel. Una verificación de los votos almacenados en las boletas mostró que el sistema informático había registrado exactamente 4,096 votos demás a favor de María. Inmediatamente, los expertos se pusieron a revisar minuciosamente el software y la computadora correspondiente, pero ambos funcionaban a la perfección. Después de eliminar todas las posibles causas que pudieron haber producido este error, les quedaba una sola posibilidad. El hecho de que el error haya ocurrido en caso de una sola candidata y que el número de votos en exceso fuera exactamente 4096 (una potencia de dos) indicaba que se trataba de un error informático singular, es decir, un cambio de valor aparentemente espontáneo en uno de los transistores en el circuito de la computadora, donde estaba almacenado el resultado de la elección de Maria. Se llegó a la conclusión que el exceso de los 4096 votos ocurrió debido a que cambó el valor en el decimotercer bit del circuito de un cero lógico a un 1 lógico. Catorce años después, Bhuve presentó la hipótesis de que el error fue causado por un visitante microscópico del espacio: una rayo cósmico.

Esta no fue la única vez que se haya culpado a los rayos cósmicos de ser causas de eventos singulares extraños en las computadoras. Otro ejemplo que se hizo notorio entre el público fue una competencia de velocidad en el juego de PC Super Mario 64 entre MidBoss y DOTA_Teabag en 2013. Este último tomó la delantera de unos cuantos segundos después de que «su» Mario fuera inesperadamente teletransportado a las alturas, lo cual sería imposible si el juego funcionara correctamente. Otro usuario, pannenkoek12, ofreció una recompensa de US$1,000 para cualquiera que pudiera explicar esta falla, sin embargo terminó proporcionando la explicación él mismo. pannenkoek12 escribió un programa que en el momento preciso cambiaba «manualmente» el valor del byte en el que se almacenaba la altura de Mario de 11000101 a 11000100, lo que provocó el cambio ya descrito. En realidad, esto debió haber sucedido «espontáneamente», lo que significa que no fue causado por funcionamiento incorrecto del software o equipo informático. La explicación más probable es que el cambio haya sido causado por un rayo cósmico.

Formación de rayos cósmicos secundarios. Fuente: NASA.

Rayos cósmicos y computadoras.

El hecho de que las partículas cargadas pueden causar cambios aparentemente espontáneos en los valores almacenados en las computadoras se descubrió en la década de 1950. Estos cambios se conocen en inglés como «single-event upset» (SEU) o «single-event error» (SEE). A los efectos de este artículo, utilizaremos la etiqueta de errores singulares, que pertenecen a los denominados errores suaves, que no dañan los circuitos informáticos. Son causados por partículas cargadas que ingresan a los circuitos de las computadoras y provocan la ionización del material dentro de algún elemento lógico, como los bits. Durante la ionización se libera una carga eléctrica que puede, por ejemplo, cambiar los valores almacenados en los transistores que componen las celdas de memoria.

Estas partículas tienen dos orígenes principales: pueden liberarse durante la desintegración nuclear o pueden llegar desde el espacio como rayos cósmicos. Primeramente se descubrió la influencia de partículas cargadas emitidas durante las pruebas de bombas nucleares entre 1954 y 1957. Estas partículas causaron inconvenientes en los equipos electrónicos utilizados para medir los efectos de las explosiones.

Posteriormente se encontró que los más problemáticos en las computadoras son los núcleos de helio, que se forman durante la desintegración de las impurezas radiactivas, principalmente el uranio 238 y el torio 232, en los semiconductores, que se ubican en los elementos lógicos de las computadoras. Los fabricantes de chips han solucionado en gran parte este problema al reducir drásticamente la presencia de impurezas en dichos semiconductores. Las concentraciones de uranio y torio en la actualidad son inferiores a una parte por diez mil millones. Si hace unas décadas las emisiones de núcleos de helio en los chips de computadoras estaban mayores a 100 partículas por hora por cm², hoy en día estos valores están por debajo de 0.001 núcleos de helio por hora por cm². De esta forma, se solucionó en su mayoría el problema de las emisiones radiactivas en los circuitos integrados.

La historia con los rayos cósmicos es diferente. Su influencia se descubrió más tarde, en la década de 1970 con James F. Ziegler, un investigador de IBM Research, como el líder en el campo de investigación. Los rayos cósmicos consisten en núcleos de átomos, en su mayoría protones, y electrones que viajan a través del espacio a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Los que tienen las energías más altas (10¹⁰ – 10²⁰ eV) llegan desde rincones distantes de la Galaxia y de otras galaxias, y se forman principalmente en explosiones de supernova. Los rayos cósmicos con energías más bajas (10⁷ – 10¹⁰ eV) arriban desde el Sol o desde la periferia de la heliosfera. Cada segundo, alrededor de 100,000 rayos cósmicos alcanzan cada metro cuadrado de la atmósfera terrestre. Solo unos pocos tienen la energía suficiente para atravesar la atmósfera y llegar a la superficie de nuestro planeta. La mayoría de ellos chocan con átomos de nitrógeno y oxígeno en las capas superiores de la atmósfera, provocando reacciones nucleares naturales que producen rayos cósmicos secundarios, que luego «llueven» sobre la Tierra en forma de los llamados «chubascos». La intensidad de estos rayos cósmicos secundarias a una altitud de unos 3000 metros es hasta diez veces mayor que al nivel del mar, y alcanza su máximo a una altitud de unos 15 kilómetros. Esto se debe al hecho de que la atmósfera bastante densa debajo de esta altura absorbe la mayoría de las partículas. Aún así, cada segundo, cada metro cuadrado de la superficie terrestre es alcanzado por hasta ocho chubascos de rayos cósmicos secundarios. Los rayos cósmicos son más peligrosos para las computadoras que los núcleos de helio, que se forman durante la desintegración radiactiva, porque sus energías son muchísimo más altas.

En la década de 1990, se llevaron a cabo varios estudios que mostraron, entre otras cosas, que los electrones y los rayos cósmicos secundarios causaban aproximadamente la misma cantidad de errores singulares en los chips DRAM de 258 kilobits de entonces, que la cantidad de estos errores crece con la densidad de transistores en circuitos integrados, y que los rayos cósmicos eran la principal fuente de errores para los chips con una densidad superior a 4 megabits. También se estimó que en promedio se produce un error singular una vez al mes por cada 256 megabytes de memoria RAM. En otro estudio, los científicos incluso midieron la frecuencia de errores singulares a diferentes altitudes. Descubrieron que si las computadoras se almacenan muy por debajo de la superficie de la Tierra, los errores singulares prácticamente desaparecen, ya los rayos cósmicos no penetran a estas profundidades.

Curiosamente, no todos los lugares en la superficie de la Tierra son igualmente sensibles al impacto de los rayos cósmicos. Dos factores juegan un papel importante en esto: la altitud del lugar y la rigidez geomagnética local. Esta última se define como la energía mínima requerida para que los rayos cósmicos alcancen el nivel del mar en un lugar determinado y depende de las propiedades locales del campo geomagnético. En 1998, Ziegler publicó un influyente artículo en el que definió un índice para describir las variaciones en la intensidad de los rayos cósmicos en diferentes lugares de la Tierra y, por ende, el riesgo resultante para los equipos informáticos. Tomó como referencia la ciudad de Nueva York, a la que le asignó un índice de 1. Los resultados indicaron que dicho índice en algunas ciudades del sur de Asia, como Bombay, Calcuta, Bangkok y Rangún, tiene un valor de alrededor de 0.5, lo que significa la mitad del riesgo en comparación con Nueva York. Por otro lado, la ciudad sudamericana de La Paz en Bolivia, que se encuentra a una gran altura, está hasta ocho veces más expuesta a la influencia de los rayos cósmicos que la ciudad más grande de los Estados Unidos.

Por supuesto, de inmediato surgen las preguntas sobre cómo los rayos cósmicos afectan las computadoras en los aviones y las misiones espaciales. Con respecto al tráfico aéreo, sabemos que, afortunadamente, los eventos potencialmente fatales son extremadamente raros. El incidente más famoso ocurrió el 7 de octubre de 2008, cuando un solo error informático en un Airbus A330 que volaba de Singapur a Perth provocó que el avión cayera en picado 200 metros en 20 segundos y luego otros 120 metros, con los pasajeros experimentando una aceleración negativa de 0.8 G. Todos los pasajeros y la tripulación sobrevivieron al accidente, pero varios resultaron gravemente heridos. Los rayos cósmicos secundarias han sido mencionadas como uno de los principales candidatos de la causa del error singular que provocó la caída del avión.

Para protegerse contra los rayos cósmicos, los transbordadores espaciales usaban hasta cuatro computadoras, cada una con un software idéntico. Así, cualquier error singular que pudiera haberse producido en uno solo de los equipos, se resolvía inmediatamente con la ayuda de los tres restantes. Es interesante que, en el cambio de milenio, los astronautas a bordo de los transbordadores espaciales también usaban computadoras portátiles IBM ThinkPad A31p, que, por supuesto eran mucho más poderosas que las computadoras del transbordador, pero a menudo no funcionaban correctamente debido a los rayos cósmicos.

Un enfoque similar a los transbordadores espaciales se utiliza en el rover Perseverance, que se encuentra explorando la superficie de Marte. Este planeta no tiene un campo magnético global y su atmósfera es muy tenue, por lo que su superficie está muy expuesta a rayos cósmicos. Cada circuito eléctrico se encuentra en el rover en tres copias idénticas, lo que lo hace resistente a los rayos cósmicos. Además, Perseverance utiliza una computadora RAD 750, que también es resistente a varios tipos de radiación.

Rover Perseverance. Fuente: NASA.

Finalmente, hay que mencionar que no es posible decir con 100% de certeza que el error en el resultado de las elecciones en Bélgica o el cambio en la altura de Mario en el juego fueron causados por rayos cósmicos. Se trata de las explicaciones más probables una vez que los responsables determinaran que no había otra causa conocida de los errores. Es probable que errores similares ocurran con mayor frecuencia en el futuro. Somos una sociedad que está trasladando cada vez más sus tecnologías al espacio. Por lo tanto, es importante prestar aún más atención a la protección de los equipos informáticos contra los rayos cósmicos. Estos también representan un problema para la salud de los astronautas, lo que podría ser el mayor obstáculo para futuros viajes espaciales de larga duración y residencia en cuerpos sin campo magnético global, como el Marte y la Luna.

Mencionemos que Maria Vindevoghel persistió en su carrera política. En las elecciones de 2019, los rayos cósmicos no interfirieron con su resultado y entonces Maria fue elegida al parlamento federal como representante del Partido de los Trabajadores de Bélgica, donde todavía elabora en la actualidad.

Lecturas adicionales para los más curiosos

1. Cosmic particles can change elections and cause planes to fall through the sky, scientists warn, Independent, https://www.independent.co.uk/news/science/subatomic-particles-cosmic-rays-computers-change-elections-planes-autopilot-a7584616.html
2. How An Ionizing Particle From Outer Space Helped A Mario Speedrunner Save Time, The Gamer, https://www.thegamer.com/how-ionizing-particle-outer-space-helped-super-mario-64-speedrunner-save-time/
3. Control, Alt, Delete? The Impact of Space Weather in the Air and on the Ground, https://aaas.confex.com/aaas/2017/webprogram/Paper19175.html
4. Single-event upset, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Single-event_upset
5. Henry Gee, Cosmic rays and computers, (1998), Nature, https://www.nature.com/articles/news980730-7
6. Terrestrial Cosmic Rays Intensities, IBM Journal of Research and Development Jan. 1998, vol.42, no.1, pp. 117-39. ISSN: 0018-8646, CODEN: IBMJAE SICI: 0018-8646(199801)42:1L.117:TCI;1-6 Publisher: IBM Country of Publication: USA
7. T. J. O’Gorman, «The effect of cosmic rays on the soft error rate of a DRAM at ground level,» in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 41, no. 4, pp. 553-557, April 1994, doi: 10.1109/16.278509
8. T. C. May and M. H. Woods, «Alpha-particle-induced soft errors in dynamic memories,» in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 26, no. 1, pp. 2-9, Jan. 1979, doi: 10.1109/T-ED.1979.19370.
9. J. F. Ziegler et al., «IBM experiments in soft fails in computer electronics (1978–1994),» in IBM Journal of Research and Development, vol. 40, no. 1, pp. 3-18, Jan. 1996, doi: 10.1147/rd.401.0003.
10. T. J. O’Gorman et al., «Field testing for cosmic ray soft errors in semiconductor memories,» in IBM Journal of Research and Development, vol. 40, no. 1, pp. 41-50, Jan. 1996, doi: 10.1147/rd.401.0041.
11. E. Normand, «Single event upset at ground level,» in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 43, no. 6, pp. 2742-2750, Dec. 1996, doi: 10.1109/23.556861.
12. Sawamura, Hidenori & Iguchi, T. & Takanobu, & Handa,. (2022). P. 28 Soft Errors of Semiconductors Caused by Secondary Cosmic-ray Neutrons.
13. Sundar, Pooja & Vasu, Suresh & Venkatesh, Nithin & Prasad, Praveen. (2021). Effect of memory soft errors on media applications. 215-216. 10.1109/ISM52913.2021.00043.
14. R. C. Baumann, «Radiation-induced soft errors in advanced semiconductor technologies,» in IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, vol. 5, no. 3, pp. 305-316, Sept. 2005, doi: 10.1109/TDMR.2005.853449.
15. T. J. O’Gorman et al., «Field testing for cosmic ray soft errors in semiconductor memories,» in IBM Journal of Research and Development, vol. 40, no. 1, pp. 41-50, Jan. 1996, doi: 10.1147/rd.401.0041.
16. Radiation resistance is baked into the Perseverance Mars rover. Here’s why that’s important., space.com, https://www.space.com/mars-rovers-radiation-protection-xilinx.
17. Shuttle Computers Navigate Record of Reliability, NASA, https://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/flyout/flyfeature_shuttlecomputers.html
18. RAD750, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/RAD75