خطأ برمجي

أصبحت الأخطاء العابرة معروفة على نطاق واسع مع ظهور ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) في سبعينيات القرن الماضي. في هذه الأجهزة المبكرة، احتوت مواد تغليف الرقائق الخزفية على كميات ضئيلة من الملوثات المشعة . ولتجنب الأخطاء العابرة الزائدة، يلزم انخفاض معدلات التحلل الإشعاعي إلى أدنى حد ممكن، وقد عانت شركات تصنيع الرقائق من مشاكل التلوث بين الحين والآخر منذ ذلك الحين. من الصعب للغاية الحفاظ على نقاء المواد المطلوب. يتطلب الأداء الموثوق لمعظم الدوائر التحكم في معدلات انبعاث جسيمات ألفا من مواد التغليف الحساسة بحيث لا تتجاوز 0.001 عد/ساعة/سم² ⁽ cph/cm² ⁾ . وللمقارنة، يتراوح معدل عد جسيمات ألفا في نعل الحذاء العادي بين 0.1 و10 cph/ ^cm² .

تم توثيق أن التلوث الإشعاعي لحزم الرقائق الإلكترونية تسبب في بعض حالات تعطل خوادم Ultra Enterprise القائمة على معالج UltraSPARC II . في هذه الحالة، تم تتبع الأعطال إلى رقائق SRAM في ذاكرة التخزين المؤقت الخارجية لوحدة المعالجة المركزية . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

عادةً ما يتسبب التحلل الإشعاعي في التغليف في حدوث خطأ عابر نتيجة انبعاث جسيمات ألفا . تنتقل جسيمات ألفا الموجبة الشحنة عبر أشباه الموصلات، مُحدثةً اضطرابًا في توزيع الإلكترونات فيها. إذا كان هذا الاضطراب كبيرًا بما يكفي، فقد تتغير الإشارة الرقمية من 0 إلى 1 أو العكس. في الدوائر المنطقية التوافقية ، يكون هذا التأثير عابرًا، وقد يستمر لجزء من النانوثانية، مما أدى إلى صعوبة ملاحظة الأخطاء العابرة في هذه الدوائر. أما في الدوائر المنطقية التتابعية، مثل الدوائر المنطقية الثابتة (Latchs ) وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ، فيمكن تخزين هذا الاضطراب العابر لفترة غير محددة، ليتم استرجاعه لاحقًا. لذا، يكون المصممون أكثر وعيًا بهذه المشكلة في دوائر التخزين.

تناقش ورقة بحثية نُشرت في مؤتمر بلاك هات عام 2011 الآثار الأمنية الواقعية لمثل هذه التغييرات في البتات في نظام أسماء النطاقات على الإنترنت . وقد وجدت الورقة ما يصل إلى 3434 طلبًا خاطئًا يوميًا نتيجةً لهذه التغييرات في البتات لنطاقات شائعة مختلفة. يُعزى الكثير من هذه التغييرات على الأرجح إلى مشاكل في الأجهزة، بينما قد يُعزى بعضها إلى جسيمات ألفا. ^{[ 2 ]} وقد يستغلّ المتسللون هذه الأخطاء في البتات من خلال ما يُعرف بـ" الاستيلاء على البتات" .

تلقى إسحاق أسيموف رسالة تهنئه على تنبؤه غير المقصود بأخطاء ذاكرة الوصول العشوائي لجسيمات ألفا في رواية من خمسينيات القرن العشرين. ^{[ 3 ]}

بعد أن حددت صناعة الإلكترونيات كيفية التحكم في ملوثات التغليف، اتضح وجود أسباب أخرى مؤثرة. قاد جيمس ف. زيغلر برنامج عمل في شركة IBM تُوِّج بنشر عدد من الأبحاث (زيغلر ولانفورد، 1979) تُبين أن الأشعة الكونية قد تُسبب أيضًا أخطاءً عابرة. في الواقع، قد تكون الأشعة الكونية هي السبب الرئيسي في الأجهزة الحديثة. على الرغم من أن الجسيم الأولي للأشعة الكونية لا يصل عادةً إلى سطح الأرض، إلا أنه يُحدث وابلًا من الجسيمات الثانوية عالية الطاقة. على سطح الأرض، تُشكل النيوترونات عالية الطاقة حوالي 95% من الجسيمات القادرة على التسبب في أخطاء عابرة، بينما تتكون النسبة المتبقية من البروتونات والبيونات. ^{[ 4 ]} قدّرت شركة IBM في عام 1996 أنه من المتوقع حدوث خطأ واحد شهريًا لكل 256 ميجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) في جهاز كمبيوتر مكتبي . ^{[ 5 ]} يُشار إلى هذا التدفق من النيوترونات عالية الطاقة عادةً باسم "الأشعة الكونية" في أدبيات الأخطاء العابرة. النيوترونات غير مشحونة ولا يمكنها إحداث خلل في الدائرة الكهربائية بمفردها، ولكنها تخضع لعملية التقاط نيوتروني بواسطة نواة ذرة في شريحة إلكترونية. قد ينتج عن هذه العملية جسيمات ثانوية مشحونة، مثل جسيمات ألفا ونوى الأكسجين، والتي بدورها قد تتسبب في حدوث أخطاء عابرة. 

يعتمد تدفق الأشعة الكونية على الارتفاع. بالنسبة للموقع المرجعي الشائع عند خط عرض 40.7°  شمالًا وخط طول 74°  غربًا على مستوى سطح البحر ( مدينة نيويورك ، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية)، يبلغ التدفق حوالي 14 نيوترون/سم² ^/ ساعة. يؤدي دفن النظام في كهف إلى تقليل معدل الأخطاء العابرة الناتجة عن الأشعة الكونية إلى مستوى ضئيل. في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي، يزداد التدفق بمقدار 2.2 ضعف تقريبًا لكل 1000  متر (1.3 ضعف لكل 1000  قدم) زيادة في الارتفاع فوق مستوى سطح البحر. تتعرض أجهزة الكمبيوتر التي تعمل على قمم الجبال لمعدل أخطاء عابرة أعلى بعشرة أضعاف مقارنةً بمستوى سطح البحر. قد يكون معدل الاضطرابات في الطائرات أكثر من 300 ضعف معدل الاضطرابات على مستوى سطح البحر. هذا على عكس الأخطاء العابرة الناتجة عن تدهور التغليف، والتي لا تتغير بتغير الموقع. ^{[ 6 ]} مع ازدياد كثافة الرقائق ، تتوقع شركة إنتل أن تزداد الأخطاء الناتجة عن الأشعة الكونية وأن تصبح عاملًا محددًا في التصميم. ^{[ 5 ]}

يتناسب معدل الأخطاء الطفيفة في قياسات الأشعة الكونية عكسيًا مع نشاط البقع الشمسية. أي أن متوسط ​​عدد هذه الأخطاء ينخفض ​​خلال فترة نشاط البقع الشمسية، ويزداد خلال فترة هدوء النشاط. ويعود هذا الأمر، الذي قد يبدو غير بديهي، إلى سببين: أولهما أن الشمس لا تُنتج عادةً جسيمات أشعة كونية ذات طاقة أعلى من 1  جيجا إلكترون فولت قادرة على اختراق الغلاف الجوي العلوي للأرض وتكوين زخات جسيمية، لذا فإن التغيرات في التدفق الشمسي لا تؤثر بشكل مباشر على عدد الأخطاء. وثانيهما أن زيادة التدفق الشمسي خلال فترة النشاط الشمسي تُعيد تشكيل المجال المغناطيسي للأرض، مما يوفر حماية إضافية ضد الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية، وبالتالي يقلل من عدد الجسيمات المُسببة للزخات. وعلى أي حال، فإن هذا التأثير ضئيل نسبيًا، وينتج عنه تعديل بنسبة ±7% في تدفق النيوترونات النشطة في مدينة نيويورك. وتتأثر مواقع أخرى بشكل مماثل.

أظهرت إحدى التجارب أن معدل الأخطاء العابرة عند مستوى سطح البحر بلغ 5950 عطلاً زمنيًا (FIT = أعطال لكل مليار ساعة) لكل شريحة ذاكرة وصول عشوائي ديناميكية (DRAM). وعند نقل نفس جهاز الاختبار إلى قبو تحت الأرض، محمي بطبقة صخرية يزيد سمكها عن 15 مترًا (50 قدمًا) والتي حجبت الأشعة الكونية تمامًا، لم تُسجل أي أخطاء عابرة. ^{[ 7 ]} في هذا الاختبار، كانت جميع الأسباب الأخرى للأخطاء العابرة ضئيلة جدًا بحيث لا يمكن قياسها، مقارنةً بمعدل الخطأ الناتج عن الأشعة الكونية.  

قد تفقد النيوترونات النشطة الناتجة عن الأشعة الكونية معظم طاقتها الحركية وتصل إلى حالة التوازن الحراري مع محيطها عند تشتتها بواسطة المواد. تُعرف هذه النيوترونات ببساطة باسم النيوترونات الحرارية ، ويبلغ متوسط ​​طاقتها الحركية حوالي 25 ملي إلكترون فولت عند 25  درجة مئوية. كما تُنتج النيوترونات الحرارية من مصادر الإشعاع البيئي، بما في ذلك تحلل العناصر المشعة الموجودة طبيعيًا مثل اليورانيوم والثوريوم . قد يظل تدفق النيوترونات الحرارية من مصادر أخرى غير وابل الأشعة الكونية ملحوظًا في المواقع تحت الأرض ، ويُعدّ عاملًا مهمًا في حدوث أخطاء عابرة في بعض الدوائر.

تُعدّ النيوترونات التي تفقد طاقتها الحركية حتى تصل إلى حالة التوازن الحراري مع محيطها سببًا مهمًا للأخطاء العابرة في بعض الدوائر. عند الطاقات المنخفضة، تزداد احتمالية حدوث العديد من تفاعلات التقاط النيوترونات ، مما يؤدي إلى انشطار بعض المواد، مُنتجةً ذرات ثانوية مشحونة كنواتج ثانوية للانشطار. بالنسبة لبعض الدوائر، يُعدّ التقاط نيوترون حراري بواسطة نواة نظير البورون 10B ^ذا أهمية خاصة. يُعدّ هذا التفاعل النووي مُنتِجًا فعالًا لجسيم ألفا ، ونواة الليثيوم ^7Li ، وأشعة غاما . قد يتسبب أي من الجسيمات المشحونة (ألفا أو الليثيوم ^7Li ) في حدوث خطأ عابر إذا تم إنتاجه على مقربة شديدة، حوالي 5 ميكرومتر ، من عقدة حرجة في الدائرة. يبلغ مقطع التقاط نظير البورون ^11B ستة مراتب من حيث الحجم ، ولا يُساهم في حدوث الأخطاء العابرة. ^{[ 8 ]} 

استُخدم البورون في مادة BPSG العازلة في طبقات التوصيل البيني للدوائر المتكاملة، وخاصةً في الطبقة السفلية. يُسهم وجود البورون في خفض درجة انصهار الزجاج، مما يُحسّن خصائص إعادة التدفق والتسوية. في هذا التطبيق، يُصنع الزجاج بنسبة بورون تتراوح بين 4% و5% وزناً. يتكون البورون الطبيعي من 20% من نظير ^10B ، والباقي من نظير ^11B . تُعزى الأخطاء العابرة إلى المستوى العالي من نظير ^10B في هذه الطبقة السفلية الحرجة في بعض عمليات تصنيع الدوائر المتكاملة القديمة. لا يُساهم البورون-11، المستخدم بتراكيز منخفضة كشوائب من النوع p، في حدوث الأخطاء العابرة. وقد تخلّى مصنّعو الدوائر المتكاملة عن استخدام المواد العازلة المحتوية على البورون عندما انخفض حجم مكونات الدائرة الفردية إلى 150  نانومتر، ويعود ذلك في الغالب إلى هذه المشكلة.

في التصاميم الحساسة، يُستخدم البورون المستنفد -الذي يتكون بالكامل تقريبًا من البورون-11 -لتجنب هذا التأثير وبالتالي تقليل معدل الخطأ العابر. البورون-11 هو منتج ثانوي للصناعة النووية .

قد تكون آلية الخطأ العابر هذه بالغة الأهمية في تطبيقات الأجهزة الإلكترونية الطبية. تُنتَج النيوترونات أثناء العلاج الإشعاعي عالي الطاقة للسرطان باستخدام حزم فوتونات ذات طاقات تزيد عن 10  ميغا إلكترون فولت. وتُخفَّف هذه النيوترونات عند تشتتها من المعدات وجدران غرفة العلاج، مما ينتج عنه تدفق نيوتروني حراري أعلى بنحو 40 مليون نيوترون من التدفق النيوتروني البيئي الطبيعي. ويؤدي هذا التدفق العالي للنيوترونات الحرارية عمومًا إلى معدل مرتفع جدًا من الأخطاء العابرة وما يترتب عليها من اضطراب في الدائرة الكهربائية. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

قد تحدث الأخطاء العابرة أيضاً بسبب الضوضاء العشوائية أو مشاكل سلامة الإشارة ، مثل التداخل الاستقرائي أو السعوي . ومع ذلك، بشكل عام، تمثل هذه المصادر مساهمة ضئيلة في معدل الأخطاء العابرة الإجمالي مقارنةً بتأثيرات الإشعاع.

تُشير بعض الاختبارات إلى إمكانية تجاوز عزل خلايا ذاكرة DRAM من خلال آثار جانبية غير مقصودة ناتجة عن عمليات وصول مُصممة خصيصًا إلى الخلايا المجاورة. وبالتالي، يؤدي الوصول إلى البيانات المخزنة في DRAM إلى تسريب شحنات خلايا الذاكرة وتفاعلها كهربائيًا، نتيجةً لكثافة الخلايا العالية في الذاكرة الحديثة، مما يُغير محتوى صفوف الذاكرة المجاورة التي لم يتم الوصول إليها في عملية الوصول الأصلية. ^{[ 11 ]} يُعرف هذا التأثير باسم "مطرقة الصف" ، وقد استُخدم أيضًا في بعض ثغرات أمن الحاسوب التي تُتيح رفع مستوى الامتيازات . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

منذ أن أصبحت تقنية ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) ذات الأبعاد الأقل من 20 نانومتر مكلفة بشكل متزايد، مما أدى إلى إدخال تقنية تصحيح الأخطاء داخل ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM ECC) لخفض معدلات الفشل بشكل كبير، مما يشير إلى أنه منذ ظهور ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية المتزامنة من الجيل الخامس (DDR5-SDRAM)، قد ينشأ عدد متزايد من الأخطاء بسبب ظواهر مثل زمن الاحتفاظ المتغير (VRT) الناتج عن عيوب موجودة بالفعل في الشريحة بعد التصنيع. ^{[ 14 ]}

يمكن للمصمم محاولة تقليل معدل الأخطاء العابرة من خلال تصميم دقيق للجهاز، واختيار أشباه الموصلات المناسبة، ومواد التغليف والركيزة، والهندسة الصحيحة للجهاز. مع ذلك، غالبًا ما يكون هذا محدودًا بالحاجة إلى تقليل حجم الجهاز وجهده، وزيادة سرعة التشغيل، وتقليل استهلاك الطاقة. ويتم وصف مدى تأثر الأجهزة بالاضطرابات في هذا المجال باستخدام معيار JEDEC JESD-89 .

إحدى التقنيات المستخدمة لتقليل معدل الأخطاء العابرة في الدوائر الرقمية تُعرف باسم " التحصين الإشعاعي" . وتتضمن هذه التقنية زيادة السعة عند نقاط محددة في الدائرة لزيادة قيمة Q _الحرجة الفعالة . يُقلل هذا من نطاق طاقات الجسيمات التي قد تؤثر على القيمة المنطقية للنقطة. غالبًا ما يتم تحقيق التحصين الإشعاعي بزيادة حجم الترانزستورات التي تشترك في منطقة المصدر/المصب عند النقطة. ونظرًا لأن المساحة والطاقة الإضافية للتحصين الإشعاعي قد تُقيّد التصميم، تُطبّق هذه التقنية عادةً بشكل انتقائي على النقاط التي يُتوقع أن تكون أكثر عرضةً للتسبب في أخطاء عابرة عند تعرضها للإشعاع. وتُعدّ الأدوات والنماذج التي يمكنها التنبؤ بالنقاط الأكثر عرضةً لهذه التقنية موضوعًا لأبحاث سابقة وحالية في مجال الأخطاء العابرة.

تم بذل جهود لمعالجة الأخطاء العابرة في موارد المعالج والذاكرة باستخدام تقنيات برمجية ومادية. وقد تناولت العديد من الأبحاث هذه الأخطاء من خلال اقتراح اكتشافها واستعادتها عبر تعدد الخيوط المتكرر القائم على الأجهزة. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} استخدمت هذه الأساليب أجهزة خاصة لمحاكاة تنفيذ التطبيق بهدف تحديد الأخطاء في المخرجات، مما زاد من تعقيد تصميم الأجهزة وتكلفتها، بما في ذلك زيادة الحمل على الأداء. من ناحية أخرى، تتميز مخططات تحمل الأخطاء العابرة البرمجية بالمرونة، ويمكن تطبيقها على المعالجات الدقيقة التجارية الجاهزة. تقترح العديد من الدراسات محاكاة التعليمات على مستوى المُصرّف والتحقق من النتائج لاكتشاف الأخطاء العابرة. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

يمكن للمصممين قبول حدوث أخطاء عابرة، وتصميم أنظمة مزودة بآليات مناسبة لاكتشاف الأخطاء وتصحيحها لاستعادة النظام بسلاسة. عادةً، قد يستخدم تصميم ذاكرة أشباه الموصلات تصحيح الأخطاء الأمامي ، وذلك بإضافة بيانات زائدة إلى كل كلمة لإنشاء رمز تصحيح الأخطاء . بدلاً من ذلك، يمكن استخدام تصحيح الأخطاء العكسي ، حيث يتم اكتشاف الخطأ العابر باستخدام رمز اكتشاف الأخطاء مثل رمز التكافؤ ، ثم إعادة كتابة البيانات الصحيحة من مصدر آخر. تُستخدم هذه التقنية غالبًا في ذاكرة التخزين المؤقت للكتابة المباشرة .

تُكتشف الأخطاء العابرة في الدوائر المنطقية وتُصحح أحيانًا باستخدام تقنيات التصميم المقاوم للأعطال . غالبًا ما تتضمن هذه التقنيات استخدام دوائر أو عمليات حسابية زائدة، وعادةً ما يكون ذلك على حساب مساحة الدائرة، وانخفاض الأداء، و/أو زيادة استهلاك الطاقة. يمكن استخدام مفهوم التكرار الثلاثي المعياري (TMR) لضمان موثوقية عالية جدًا للأخطاء العابرة في الدوائر المنطقية. في هذه التقنية، تُجري ثلاث نسخ متطابقة من الدائرة عمليات حسابية على نفس البيانات بالتوازي، وتُغذى المخرجات إلى منطق التصويت بالأغلبية ، الذي يُعيد القيمة التي حدثت في حالتين على الأقل من أصل ثلاث حالات. بهذه الطريقة، يُستبعد فشل إحدى الدوائر بسبب خطأ عابر بافتراض أن الدائرتين الأخريين عملتا بشكل صحيح. مع ذلك، عمليًا، لا يستطيع سوى عدد قليل من المصممين تحمل زيادة مساحة الدائرة واستهلاك الطاقة بنسبة تزيد عن 200%، لذا عادةً ما يُطبق هذا المفهوم بشكل انتقائي فقط. هناك مفهوم شائع آخر لتصحيح الأخطاء العابرة في الدوائر المنطقية وهو التكرار الزمني، حيث تُجري دائرة واحدة عمليات حسابية على نفس البيانات عدة مرات، وتقارن التقييمات اللاحقة للتأكد من اتساقها. ومع ذلك، فإن هذا النهج غالباً ما يتسبب في زيادة في الأداء، وزيادة في المساحة (إذا تم استخدام نسخ من المزالج لتخزين البيانات)، وزيادة في استهلاك الطاقة، على الرغم من أنه أكثر كفاءة من حيث المساحة من التكرار المعياري.

لطالما حظيت ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) باهتمام كبير في مساعي الحد من الأخطاء العابرة أو التغلب عليها، نظرًا لأنها تشكل الجزء الأكبر من مساحة سطح الأجهزة المعرضة للأخطاء في أنظمة الحواسيب المكتبية والخوادم (انظر إلى انتشار ذاكرة ECC RAM في الخوادم). يصعب الحصول على بيانات دقيقة حول مدى حساسية ذاكرة DRAM للأخطاء، وتختلف هذه البيانات اختلافًا كبيرًا باختلاف التصاميم وعمليات التصنيع والشركات المصنعة. في ثمانينيات القرن الماضي، كانت ذاكرة DRAM بسعة 256 كيلوبت قادرة على نقل مجموعات من خمس أو ست بتات نتيجة جسيم ألفا واحد . أما ذاكرة DRAM الحديثة، فتتميز بأحجام أصغر بكثير، لذا فإن ترسب كمية مماثلة من الشحنة قد يؤدي بسهولة إلى نقل عدد أكبر بكثير من البتات.

يُسهّل تصميم دوائر كشف الأخطاء وتصحيحها حقيقة أن الأخطاء العابرة عادةً ما تكون محصورة في منطقة صغيرة جدًا من الشريحة. في العادة، تتأثر خلية واحدة فقط من الذاكرة، على الرغم من أن الأحداث عالية الطاقة قد تُسبب اضطرابًا في عدة خلايا. عادةً ما يضع تخطيط الذاكرة التقليدي بتًا واحدًا من عدة كلمات تصحيح مختلفة متجاورة على الشريحة. لذا، حتى الاضطراب في عدة خلايا لا يؤدي إلا إلى عدد من الاضطرابات المنفصلة أحادية البت في كلمات تصحيح متعددة، بدلًا من اضطراب متعدد البتات في كلمة تصحيح واحدة. لذلك، لا يحتاج رمز تصحيح الأخطاء إلا إلى التعامل مع بت واحد خاطئ في كل كلمة تصحيح للتعامل مع جميع الأخطاء العابرة المحتملة. يُستخدم مصطلح "متعدد الخلايا" للاضطرابات التي تؤثر على خلايا متعددة من الذاكرة، بغض النظر عن كلمات التصحيح التي تقع فيها تلك الخلايا. ويُستخدم مصطلح "متعدد البتات" عندما تكون عدة بتات في كلمة تصحيح واحدة خاطئة.