Suurienergiainen hiukkanen voi kääntää bitin kännykässä. Kuva: Kaisa Rautaheimo / HS
Suurienergiainen hiukkanen voi kääntää bitin kännykässä. Kuva: Kaisa Rautaheimo / HS

Elektroniikan lisääntyessä myös hiukkasten aiheuttamat bittivirheet lisääntyvät.

Kun tietokone kaatuu tai kännykän näyttö menee siniseksi, syyllinen voi olla peräisin ulkoavaruudesta. Kosminen säteily aiheuttaa jatkuvasti häiriöitä kännyköissä, tietokoneissa ja muissa elektronisissa laitteissa.

”Se on suuri ongelma, mutta enimmäkseen näkymätön suurelle yleisölle”, sanoi professori Bharat Bhuva Vanderbildt-yliopistosta Yhdysvaltain tiedeviikolla Bostonissa.

Ulkoavaruudesta tuleva kosminen säteily synnyttää Maan ilmakehään törmätessään suurienergiaisia neutroneita, myoneita, pioneita ja alfahiukkasia. Niitä osuu meihin miljoonia joka sekunti. Emme aisti tätä pommitusta, eikä siitä ole nykytiedon mukaan haittaa eläville organismeille.

Pieni osa hiukkasista on niin suurienergiaisia, että ne sotkevat mikroelektroniikan virtapiirien toimintaa. Ne saattavat myös muuttaa yksittäisiä bittejä laitteen muistista. Näitä muutoksia on alettu kutsua SEU-bittivirheiksi (single-event upset).

Yhden bitin kääntymisestä voi joskus olla vakaviakin seurauksia.

Vuonna 2003 Schaerbeekin kunnallisvaaleissa Belgiassa yhden bitin muutos äänestyskoneessa lisäsi eräälle ehdokkaalle 4 096 ääntä. Virhe havaittiin ja tutkittiin, koska lisä-ääniä tuli enemmän kuin oli mahdollista.

Vuonna 2008 Singaporesta Perthiin matkalla olleen matkustajakoneen automaattiohjaus kytkeytyi pois päältä bitin kääntymisen takia. Kone menetti 200 metriä korkeutta 23 sekunnissa, kolmasosa matkustajista loukkaantui, ja lentokone joutui laskeutumaan kesken matkan.

Lentokoneiden tietokoneissa on ollut myös joukko selittämättömiä toimintahäiriöitä, joiden aiheuttajaksi on epäilty kosmista säteilyä.

Koska hiukkasia on vaikea havaita, myös niiden aiheuttamia häiriöitä on hankala tunnistaa.

”Kun yksi bitti vaihtuu, mahdollisia syitä voi olla vaikka kuinka paljon. Muutos voi johtua esimerkiksi bugista ohjelmassa tai viasta laitteessa. SEU:n voi tunnistaa vai sulkemalla pois kaikki muut syyt”, Bhuva sanoo.

Ongelma on vakava, koska mikroelektronisia virtapiirejä on kaikkialla ja yhteiskunta on yhä riippuvaisempi niiden varmasta toiminnasta.

Entistä pienemmät transistorit tarvitsevat myös vähemmän sähkövarausta bittiä kohti. Niinpä törmäilevä hiukkanen saa bitin kääntymään entistä helpommin ykkösestä nollaksi tai päin vastoin.

Toisaalta pienempiin transistoreihin osuu vähemmän hiukkasia. Nykyisten 16 nanometrin virtapiirien kolmiulotteinen rakenne on myös vähemmän haavoittuva kuin kaksiulotteinen.

Koska transistoreiden kokonaismäärä elektronisissa laitteissa on kuitenkin lisääntynyt, myös hiukkasten aiheuttamien bittivirheiden määrä on edelleen kasvanut.

Elektroniikkaa on vaikeaa varjella hiukkasilta. Virtapiirin suojaaminen suurienergiaiselta neutronilta vaatisi kolmen metrin paksuisen betonikuoren.

Silloin kun virheettömyys on välttämätöntä, yksinkertaisin keino on Bhuvan mukaan kolminkertainen varmistus: tehdään samaan tehtävään kolme virtapiiriä ja annetaan niiden äänestää.

”On häviävän pieni todennäköisyys, että SEU-bittivirhe tapahtuu kahdessa virtapiirissä samaan aikaan. Jos kaksi virtapiiriä kolmesta antaa saman tuloksen, sen pitäisi olla oikein.”

Tätä keinoa myös Yhdysvaltain avaruushallinto Nasa käyttää taatakseen avaruusalusten tietokonejärjestelmien luotettavuuden.

Bhuvan mukaan ongelma on tiedostettu ja sitä on alettu torjua myös lentoliikenteessä, lääketieteellisissä laitteissa, energiajärjestelmissä ja tietoliikenteessä.

”Vain kuluttajaelektroniikka laahaa jäljessä.”

Vänni
Seuraa 
Viestejä198
Liittynyt27.11.2013

Syy kännykän jämähtämiseen voi olla peräisin ulkoavaruudesta

Nythän tieto on tietokoneissä pulseina on ja ei tiedoista koottuna, koodattuna. Voisiko on ja ei tietoon käyttää kahta perättäistä on on ja ei ei tietoa, tosin tiedoston määrä kaksinkertaistuisi ja tietokoneen nopeus putoaisi puoleen. Tätä koodausta käytettäisiin sitten tärkeimmissä sovellutuksissa. Ei tarvitsisi tehdä rinnakkaisia tietokoneita varmistukseen.
Lue kommentti
Tutkija seurasi kopista, tajusivatko sudet ja koirat vihjeitä ruokapalan sijainnista. Kuva: Caroline Ritter

”Koirat ovat tottuneet saamaan ruokaa meiltä, kun susien pitää luonnossa hankkia se itse”, tutkija pohtii.

Koirat ovat tutkimusten mukaan susia parempia seuraamaan ihmisen antamia vihjeitä kuten esineiden osoittamista.

Koirat myös pyytävät herkemmin ihmisen apua kohdatessaan liian vaikean pulman.

Sudet sen sijaan oppivat tarkkailemalla lajitovereidensa käytöstä ja poimivat vihjeitä ihmisen puuhista silloinkin, kun toiminta ei kohdistu niihin.

Tuoreessa tutkimuksessa katsottiin, miten sudet ja koirat ymmärtävät syyn ja seurauksen suhteita. Tutkimus julkaistiin tiedelehdessä Scientific Reports.

Sudet suoriutuivat tehtävässä paremmin kuin koirat. Tulos viittaa siihen, että koirat ovat ihmisen kumppaneina ehkä menettäneet jonkin verran kykyjään ratkaista ongelmia itse

Tutkija istui puisessa kopissa, edessään kaksi purkkia. Eläinten piti arvata suorista tai epäsuorista vihjeistä, kummassa on ruokaa.

Kokeessa oli 12 tarhasutta ja 14 ihmiseen tottunutta, mutta laumassa elävää koiraa. Verrokkeina oli 14 lemmikkikoiraa.

Ensin tutkija vihjasi eläimille kuppia osoittamalla tai sitä katsomalla, kummalla puolella ruokapala on. Tässä sudet ja koirat pärjäsivät yhtä hyvin ja valitsivat oikean puolen useammin kuin sattuma selittäisi.

Toisessa osiossa tutkija yritti käytöksellään osoittaa ruokapalan sijainnin. Hän otti käteensä ensin tyhjän rasian, tutki sitä hetken ja laittoi sen takaisin pettyneen näköisenä.

Sitten tutkija tarttui ruokapalan sisältävään kippoon innoissaan ja yritti avata sitä pontevasti. Vihje meni ohi sekä koirilta että susilta.

Viimeisessä kokeessa testattiin syyn ja seurauksen tajuamista. Siitä suoriutuivat vain sudet.

Tutkija piiloutui pöydän alle ja ravisti purkkeja siiman avulla. Ruokapalan sisältävä kuppi piti ääntä ja toinen heilui hiljaa tyhjänä.

Toisessa päättelykokeessa pöydälle oli ruoka­palan puolelle asetettu pieni valkoinen koroke – tutkija oli edelleen näkymättömissä.

Sudet keksivät ruokapalan sijainnin noin 70 prosenttia ajasta, kun kumpikin koiraryhmä onnistui alle 50-prosenttisesti.

Tutkijoiden mukaan tulos viittaa siihen, että koirilta puuttuu sellainen itsenäinen päättelykyky, jota sudet tarvitsevat luonnossa.

”Ero voi johtua siitä, että sudet tutkivat asioita sinnikkäämmin. Koirat ovat tottuneet saamaan ruokaa meiltä, kun susien pitää luonnossa hankkia se itse”, sanoo tutkimusta johtanut Michelle Lampe tiedotteessa. Linkistä voi myös katsoa videon koejärjestelyistä.

Koirien huonompaa suoriutumista päättelytestissä voi selittää tutkijoiden mukaan myös se, että ne hämääntyivät, kun ihminen yhtäkkiä katosi näkymättömiin.

Kenties ne alkoivat etsiä ihmistä eivätkä kyenneet sen takia seuraamaan niille annettuja vihjeitä.

Toisaalta tutkijat huomauttavat, että tämä hypoteesi ei selitä aiemmissa tutkimuksessa saatuja havaintoja. Niissä koirat eivät onnistuneet ratkaisemaan erästä pulmalelua, vaikka ihminen kannusti koko ajan vieressä.

Sudet sen sijaan ratkaisivat pähkinän yhtä hyvin riippumatta siitä, oliko ihminen vieressä vai ei.

Tiedehuumorilehti jakaa joka vuosi Ig Nobel -palkinnot tutkimuksille, jotka kuulostavat järjettömiltä ja naurattavat, mutta panevat sitten miettimään.

Arvovaltaisessa British Medical Journalissa on aivan oikeasti julkaistu tutkimus, jossa pohditaan, miksi vanhoilla miehillä on niin isot korvat.

Australialainen tutkimusryhmä on puolestaan selvittänyt vuonna 2010, miten elävän krokotiilin läheisyydessä oleminen vaikuttaa ihmisen haluun pelata uhkapelejä.

Eräs ranskalainen matemaatikko myös pohti virtausdynamiikan keinoin, ovatko kissat kiinteitä vai nestemäisiä - nehän näyttävät mukautuvan minkä tahansa laatikon tai kulhon muotoon, johon ne itsensä työntävät.

Nyt kaikki nämä tutkimukset ja liuta muita ovat saaneet huumori-Nobelin, Annals of Improbable Research-lehden jakaman vuosittaisen palkinnon.

Palkintoseremonia pidettiin tuttuun tapaan Harvardin yliopistossa. Jokainen voittaja kuittasi shekkinä kymmenen biljoonaa Zimbabwen dollaria, joka siis inflaation ansiosta on käytännössä arvotonta rahaa.

Huumori-Nobelien perinne on jatkunut vuodesta 1991. Vaikka tutkimusten aiheet kuulostavat vitseiltä, ne on kuitenkin julkaistu oikeissa tiedelehdissä ja tutkimusten taustalla on vilpitön pyrkimys ratkaista jokin tieteellinen ongelma.

Esimerkiksi kissojen olomuotoa pohtineen artikkelin kirjoittanut fyysikko Marc-Antoine Fardin kertoo The Guardian -lehdessä, että ajatus lähti internetin absurdeista kissakuvista. Kissojen venyvyyttä pohtimalla ja laskemalla hän pystyi kuitenkin valottamaan olennaisia asioita siitä, miten nesteet toimivat.

Sveitsiläinen tutkimusryhmä puolestaan sai palkinnon tutkimuksesta, joka käsitteli Australian aboriginaalien didgeridoo-puhallinsoitinta. Ryhmä osoitti, että didgeridoon soittaminen voi lieventää uniapneasta kärsivien oireita ja vähentää kuorsaamista. Eräs tutkijoista on sittemmin vaihtanut uraa täyspäiväiseksi didgeridoon soiton opettajaksi.

Maailmassa on yksi mies, joka on voittanut sekä huumori-Nobelin että oikean Nobelin. Vuonna 2000 fyysikko Andre Geim sai vitsinobelin tutkimuksestaan, jossa hän sai sammakon leijumaan käyttäen hyväkseen magneetteja ja veden diamagneettisia ominaisuuksia.

Geim sai myöhemmin Nobelin fysiikan palkinnon grafeenin ominaisuuksiin liittyvistä tutkimuksistaan.

Tämän vuoden huumoripalkinnon saajista mainittakoon vielä tutkimus, jossa selvitettiin magneettikuvauksella, miten paljon jotkut ihmiset inhoavat juustoa, ja espanjalais-italialaisen ryhmän havainto, että identtisten kaksosten on vaikea tunnistaa itseään valokuvista.