neutrony

Foto: WikiImages/Pixabay

Země je vystavena krupobití subatomárních částic ze Slunce a mimo naši sluneční soustavu, což by mohlo být příčinou závad, které postihují naše telefony a počítače. A riziko roste s tím, jak se technologie mikročipů zmenšuje, napsal server BBC.

Zapnuto. Sval na hrudi jí zacukal. ….A znovu. Marie Moe to nejen cítila, ale dokonce to mohla i vidět. Podívala se dolů a sval, hned nalevo od její hrudní kosti, viditelně pulzoval. Křeč s rytmem energického srdečního tepu.

Výzkumnice v oblasti kybernetické bezpečnosti byla v době letu v letadle asi 20 minut od svého cíle, Amsterdamu. V tu chvíli ji zachvátil strach. Okamžitě věděla, že něco není v pořádku s jejím kardiostimulátorem, malým lékařským zařízením implantovaným do její hrudi, které pomocí elektrických impulsů stabilizovalo její srdeční tep.

Mohl se poškodit jeden z drátů, které spojovaly kardiostimulátor s jejím srdcem? Nebo se uvolnit? Moe zalarmovala letušku, která okamžitě zařídila, aby byla připravena sanitka a čekala na ni na letišti. Kdyby bylo letadlo dál od Amsterdamu, pilot by nouzově přistál na jiném letišti, řekla jí.

Když Moe dorazila do nedaleké nemocnice, lékaři nad ní hloubali. Technik kardiostimulátoru brzy zjistil problém. Byl to malý počítač gadgetu. Data uložená v počítači kardiostimulátoru, tak zásadní pro jeho fungování, se nějak poškodila.

A pro Moe byla hlavním podezřelým, který podle ní s největší pravděpodobností vyvolal tuto znepokojivou epizodu, kosmický paprsek z vesmíru. Řetězec subatomárních částic narážejících do sebe v zemské atmosféře, jako když se koule srážejí na kulečníkovém stole, přičemž jedna se nakonec rozběhne do vestavěného počítače jejího kardiostimulátoru uprostřed letu.

Teorie je taková, že při dopadu způsobila elektrickou nerovnováhu, která změnila paměť počítače a tím navždy změnila její chápání technologie zachraňující životy.

Když se pokazí počítače, máme tendenci předpokládat, že je to jen nějaká softwarová škytavka, trochu špatné programování. Příčinou však může být i ionizující záření, včetně paprsků protonů, které k nám vrhá slunce. Tyto incidenty, nazývané narušení jedné události. Jsou vzácné a může být nemožné si myslet, že se kosmické záření podílelo na konkrétní poruše, protože za sebou nezanechávají žádné stopy.

A přesto byli vybráni jako možní viníci mnoha mimořádných případů selhání počítače. Od stroje na počítání hlasů, který přidal tisíce neexistujících hlasů do seznamu kandidátů, až po komerční dopravní letadlo, které náhle kleslo o stovky stop uprostřed letu a zranilo desítky cestujících.

Sluneční erupce (viditelné prasknutí vlevo) a erupce materiálu ze Slunce známé jako výrony koronální hmoty jsou jedním ze zdrojů vysokoenergetických částic z vesmíru. (Kredit: NASA)

Vzhledem k tomu, že se lidská společnost stává stále více závislou na digitálních technologiích, stojí za to se ptát, jak velké riziko představuje kosmické záření pro náš způsob života, protože obří výrony ze Slunce mohou někdy vyslat k Zemi obrovské vlny částic, což se nazývá vesmírné počasí, rýsuje se znervózňující vyhlídka: „Mohli bychom v budoucnosti vidět mnohem větší narušení počítačů, než jsme zvyklí během současné masivní geomagnetické bouře?

Moeova, děsivá zkušenost s kardiostimulátorem se stala v roce 2016. Jakmile byla propuštěna z nemocnice, obdržela od výrobce svého kardiostimulátoru podrobnou zprávu o tom, co se stalo. „Tam jsem se dozvěděla o překlápění bitů,“ vzpomíná Moeová, která je nyní hlavním konzultantem společnosti Mandiant pro kybernetickou bezpečnost.

Uvnitř paměti počítače kardiostimulátoru jsou data uložena ve formě bitů, často označovaných jako „jedničky a nuly“. Zpráva však vysvětlila, že některé z těchto bitů se obrátily nebo překlopily, což změnilo data a způsobilo softwarovou chybu. Představte si to jako stisknutí špatného konce kolébky v dlouhé řadě světelných spínačů. Část místnosti zůstane ve tmě.

V tomto případě chyba přiměla kardiostimulátor, aby přešel do „režimu záložního programu“, říká Moeová, a začal stimulovat její srdce na výchozích 70 tepů za minutu se zvýšeným impulsem. „Právě to způsobilo velmi nepříjemné škubání,“ vysvětluje.

Aby to napravili, technik kardiostimulátoru musel resetovat zařízení do továrního nastavení v nemocnici a ty byly později vhodně překonfigurovány tak, aby vyhovovaly Moeově srdci. Zpráva však nenabízela žádné definitivní závěry o tom, proč se tyto stěžejní části vůbec obrátily. Jednou zmíněnou možností však bylo kosmické záření. „Je těžké být si 100% jistý,“ říká Moeová. „Nemám žádné jiné vysvětlení, které bych vám mohl nabídnout.“

Při jednom velmi diskutovaném incidentu letu Qantas Airways v roce 2008 nad Západní Austrálií spadlo letadlo během 10 minut dvakrát o 30 metrů, kdy se zranili desítky cestujících na palubě.

To, že se něco takového může stát, se chápalo přinejmenším od 70. let 20. století, kdy výzkumníci ukázali, že záření z vesmíru může ovlivnit počítače na satelitech. Toto záření může mít různé formy a pocházet z řady různých zdrojů, jak uvnitř, tak mimo naši sluneční soustavu. Jeden scénář by ale mohl vypadat takto: protony vyvržené Sluncem směrem k Zemi se rozbijí na atomy v naší atmosféře a uvolní neutrony z jader těchto atomů. Tyto vysokoenergetické neutrony nemají náboj, ale mohou se rozbít na další částice a spustit sekundární záření, které má náboj. Protože bity v počítačových paměťových zařízeních jsou někdy uloženy jako malý elektrický náboj, toto sekundární záření, které nyní poletuje, může bity převrátit a přehodit je z jednoho stavu do druhého, což změní data.

Kosmické záření se zvyšuje s nadmořskou výškou, hlavně proto, že naše atmosféra nás pomáhá chránit před jeho většinou. Cestující v letadle jsou například tomuto záření vystaveni více  než lidé na zemi, a proto mají letecké posádky omezenou dobu, kterou mohou každý měsíc strávit létáním. Zdůrazňuje však, že pokud tento subatomární hurly-burly stál za závadou kardiostimulátoru Moeovové, musí to být mimořádně vzácný jev.

„Výhoda kardiostimulátoru výrazně převažuje nad tímto rizikem,“ dodává. „Vlastně se cítím jistější, když důvěřuji svému zařízení, protože vím, že má tuto zálohu pro případ, že by se s kódem něco pokazilo.“

Ale dopad kosmického záření na jiné počítače by teoreticky mohl být katastrofální. Při jednom velmi diskutovaném incidentu let Qantas Airways v roce 2008 nad Západní Austrálií spadl během 10 minut dvakrát o 30 metrů a zranil desítky cestujících na palubě – mnozí z nich v té době neseděli na sedadlech nebo nebyli připoutáni. Několik cestujících utrpělo pohmožděniny na končetinách, zatímco jiní se například bili hlavou o interiér kabiny. Jedno dítě, které mělo připoutané bezpečnostní pásy, bylo tak otřeseno, že utrpělo poranění břicha.

Vyšetřování australského úřadu pro bezpečnost dopravy zjistilo, že před nevyzpytatelným chováním letadla chybná počítačová data v palubních systémech zkreslila úhel, pod kterým letadlo letělo. To podnítilo dva automatické ponory hluboko do vesmíru. Pokud jde o to, co ve skutečnosti spustilo tento řetězec událostí, zpráva poznamenala: „nebyly k dispozici dostatečné důkazy k určení, zda [ionizující částice měnící počítačová data] mohla spustit režim selhání“ – což znamená, že možností zůstává. Naproti tomu všechny ostatní možné spouštěče zvažované vyšetřovateli byly posouzeny jako „velmi nepravděpodobné“ a jeden další jako „nepravděpodobný“.

Polární záře se vyskytuje nad zemskými póly, když vysokoenergetické částice ze slunečních erupcí interagují s atmosférou. (Kredit: Alexander Gerst/ESA)

Existuje také případ volebního stroje v Belgii, který v roce 2003, dal politickému kandidátovi ve volbách 4 096 dodatečných hlasů. Někteří se domnívají, že i toto byl výsledek ionizujícího záření, které si pohrálo s počítačem.

A co speedrunner – někdo, kdo se snaží dokončit videohry v rekordním čase, který zažil podivnou závadu v Super Mario 64 v roce 2013? K hráčovu překvapení se Mario ve hře náhle teleportoval nahoru, což bylo později vysledováno zpět k převrácenému bitu v kódu chování, který v 3D určuje pozici postavy s knírem v daném okamžiku. Analýza odhalila jen málo vysvětlení tohoto chování, přezdívaného upwarp, a tak se v diskusích o incidentu objevila možnost, že kosmické částice zasahují i do herní kazety.

Nedávno v dubnu 2022 zveřejnil Travis Long, softwarový inženýr z Mozilly, blog, ve kterém vysvětlil, že obrovské svazky telemetrických dat, které společnost běžně shromažďuje od uživatelů svého webového prohlížeče Firefox, někdy obsahují nevysvětlitelné chyby v řádu, jednotlivě překlápěné bity. Long poznamenal, že nedávná chyba spojená s těmito drobnými chybami se shodovala s geomagnetickou bouří.

„Začal jsem skutečně uvažovat, zda bychom mohli detekovat vesmírnou událost prostřednictvím těchto narušení o jedné události v našich telemetrických datech,“ napsal.

Ať už je za nimi ionizující záření nebo ne, při brouzdání po internetu se můžeme setkat s převrácenými bity. V roce 2010 si to uvědomil výzkumník v oblasti kybernetické bezpečnosti Artem Dinaburg, který nyní pracuje pro příhodně pojmenovanou firmu Trail of Bits. Zaregistroval několik názvů domén, které byly podobné oblíbeným doménám, ale s jedním nesprávným znakem v adrese URL.

Vezměte si napříkld „bbc.com“. Pokud byste jej napsali špatně, mohli byste omylem zadat „bbx.com“, protože na anglických počítačových klávesnicích je „x“ vedle „c“. Tato chyba je jiná. Znamená to, že alespoň jeden bit v binárním kódu, který představuje každý ze znaků v „bbc.com“, je chybný. V binární podobě je písmeno „b“ „01100010“, zatímco „c“ je „01100011“. Pokud otočíte jen jeden bit, řekněme poslední bit kódu pro „c“, otočíte jej z 1 na 0, stane se z něj „b“ a místo toho skončíte na „bbb.com“.

Na mnoha světových počítačích se vyskytují jednotlivé bitové chyby nebo někdy i vícebitové chyby, které mohou ovlivnit, jakou doménu váš software vyhledává – Artem Dinaburg

JAK KOSMICKÉ ZÁŘENÍ PŘEVRACÍ BITY

K poruchám jedné události (SEU) dochází v počítačových obvodech, když vysokoenergetické částice, jako jsou neutrony nebo miony z kosmického záření nebo záření gama, narazí na křemík používaný v mikročipech. To generuje elektrický náboj, který může změnit vnitřní napětí blízkých tranzistorů a poškodit tam uložená data. V některých případech mohou tyto události zcela zničit mikroelektroniku, čímž se počítač stane nepoužitelným, ale mohou také vést k dočasným změnám, které ovlivňují chování stroje.

Trochu převrácení není něco, co je samo o sobě viditelné pro samotného uživatele počítače, i když si mohou všimnout důsledků. K malému překlopení dochází v paměti počítače a při zpracování adresy URL k němu může dojít v různých fázích, například když váš počítač požaduje webovou stránku na internetu nebo když webový server, ke kterému se připojujete, odpoví na tento požadavek.

Jakmile měl Dinaburg zaregistrovány nějaké trochu pozměněné adresy URL, jen se opřel a čekal. „K mému velkému překvapení jsem začal věci spojovat,“ vzpomíná. „V mnoha počítačích světa se vyskytují jednotlivé bitové chyby nebo někdy vícebitové chyby, které se stávají, a pokud k nim dojde na správném místě ve správný čas, mohou ovlivnit, jakou doménu váš software vyhledává.“

Problémem všech výše uvedených příkladů je, že neexistuje způsob, jak dokázat, že za některými z nich byla kosmická částice. A i když se někteří mohou přiklánět k tomuto vysvětlení, může být snadno zpochybněno světskými teoriemi. Dinaburg říká, že za mnoha spojeními, které zaznamenal ve svém experimentu, mohou být například chyby počítačové paměti.

A minulý rok speedrunner, který zažil podivnou závadu Super Maria, zveřejnil na YouTube video se svou hrou zmrazenou uprostřed hraní.

Název videa: „Byla to opravdu ionizující částice?“ zdálo se, že vtipně naznačuje, že incident se speedrunningem mohl být jen náhodná herní závada. Kolega speedrunner, který používá pseudonym pannenkoek2012 a který nabídl 1 000 dolarů (900 liber) každému, kdo by mohl vysvětlit, proč se Mario náhle teleportoval při incidentu v roce 2013, řekl BBC: „Přikláním se k poruše hardwaru“ – spíše než ke kosmickému záření jako viníkovi.

V určitých scénářích existuje dostatek údajů, které naznačují, že za vícenásobnými překlopeními bitů bylo záření. Abychom se vrátili k satelitům, jedna skupina výzkumníků nedávno zkoumala více než 2 000 bitových chyb zaznamenaných satelitem během zhruba dvou let na oběžné dráze. Tým zveřejnil výsledky této práce v roce 2020. Chyby dat byly automaticky opraveny během letu satelitu, ale pokud by zůstaly na místě, zkreslily by polohu vozidla.

Analýzou paměťových záznamů družice byli vědci schopni vykreslit, kdy a kde se během oběhu vyskytly chyby. Obrovské množství chyb se shromáždilo v oblasti zvané anomálie jižního Atlantiku (SAA), kde je nad zemským povrchem zvýšené kosmické záření. Je dobře známo, že to způsobuje zmatek s počítačovými systémy na satelitech a kosmických lodích. Podle NASA si astronauti na raketoplánu všímali, že jejich notebooky občas zkolabovaly, když raketoplán, který nyní již není v provozu, prošel SAA.

Při nejméně jednom incidentu ve vzduchu při komerčním letu, kdy vysokoenergetická částice mohla změnit data palubního počítače, bylo podezření na narušení jedné události. (Kredit: Alamy)

Ale u jednotlivých chyb, které se vyskytují víceméně náhodně na zemi nebo blíže, není prokázání účasti kosmického záření snadné. Kluzkost subatomárních částic přibližujících se všude kolem nás není pro Paola Recha z Trento University v Itálii novinkou. „Je nemožné být přesvědčivý. To je ta zábavná část,“ říká s odkazem na incidenty, jako je super Mario upwarp. A přesto možnost, že takové částice mohou způsobit drobné, ale působivé datové chyby v počítačových systémech, není sporná, jak vysvětluje Rech.

V laboratorních experimentech má nějaké zařízení, které může uměle urychlovat neutrony, aby je nasměrovalo na elektroniku a sledovalo bitové chyby, které tok částic vyvolává. Je navržen tak, aby napodoboval tok neutronů na úrovni země na Zemi – ale znásobený 100 milionkrát.

„Namísto čekání měsíců nebo let na odhalení chyby můžete mít chyby v sekundách nebo minutách,“ říká s odkazem na práci, kterou on a jeho kolegové z ISIS Neutron and Muon Source ve Velké Británii a Los Alamos National Labs v USA USA provedly.

Je to způsob, jak studovat účinky, které mohou mít rušení s jedinou událostí ve volné přírodě, jen zrychlený KVŮLI pohodlí. Rech a jeho kolegové však mají na mysli konkrétní cíl. S rozmachem technologií samořídících automobilů je možné, že počítačové systémy v těchto vozidlech mohou selhat kvůli kosmickému záření. Co když se během automatizované cesty poškodí snímky z kamery namontované v přední části vozu a palubní počítač nezaznamená osobu vycházející před vozidlem?

Pokud by k takové události v budoucnu došlo, teoreticky by mohla poškodit elektrické vedení a internetové kabely v mnoha regionech.

Generováním snímků s deformacemi, které by mohly být způsobeny kosmickým zářením a jejich použitím k trénování umělých neuronových sítí Rech říká, že on a kolegové snížili pravděpodobnost takové chyby 10krát. Výzkum však ještě nebyl zveřejněn a on tvrdí, že není dovoleno prozradit, jaká byla počáteční úroveň přesnosti během experimentů.

Takové zásahy by mohly učinit samořídící auta budoucnosti bezpečnější, ale nevyloučily by možnost, že kosmické záření způsobí další problémy. A to vyvolává pro pojišťovny zajímavý rébus.

„Jak můžete ve světě plně autonomních vozidel dokázat, že k nehodě došlo kvůli kosmickému záření?“ říká Rech. „To je velmi náročné. Chci říct, z definice je to nemožné.“ V nejednoznačných případech může být obtížné vyřešit spory o to, zda je na vině výrobce lidí, technologií – nebo vesmírné počasí.

Ještě jeden bod. Rech říká, že by v zásadě bylo možné, aby se někdo pokusil úmyslně (a možná i se zlým úmyslem) vyvolat bitové chyby v počítačovém systému tím, že sestrojí urychlovač částic a zaměří jej na paměťové moduly počítače. Bylo by však velmi obtížné to skutečně provést efektivně, dodává.

Nejdůležitější zůstávají přírodní zdroje záření. A pokud jde o kosmické záření nebo vesmírné počasí, je důležité si ujasnit, že je stejné jako počasí na Zemi – mění se. Občas se objeví velké bouřky.

Začátkem září 1859 zuřila v atmosféře planety nejintenzivnější geomagnetická bouře, jaká kdy byla zaznamenána. Carringtonská událost, pojmenovaná po britském astronomovi Richardu Carringtonovi, byla způsobena slunečními erupcemi, které vrhaly na Zemi obrovské množství subatomárních částic. Geomagnetická aktivita způsobila neuvěřitelné projevy polární záře a indukovala náboje v elektrických drátech. Někteří telegrafisté hlásili, že viděli, jak z jejich zařízení vyletěly jiskry.

Pokud by k takové události v budoucnu došlo, mohlo by to teoreticky poškodit elektrické vedení a internetové kabely v mnoha regionech, říká Sangeetha Abdu Jyothi z Kalifornské univerzity v Irvinu. „Existuje také riziko, že nabité částice způsobí poškození dat,“ dodává. „Právě teď, skutečný rozsah škod, je velmi obtížné předvídat.“

Detektory kosmického záření se používají ve snaze pomoci předpovědět, kdy může vesmírné počasí představovat konkrétní hrozbu. (Kredit: Don Despain/Alamy)

Daniel Whiteson, rovněž na Kalifornské univerzitě v Irvinu, souhlasí a dodává, že takový incident by mohl být potenciálně „katastrofický“ a že naše chápání fyziky uvnitř Slunce není dostatečně rozvinuté, abychom byli schopni předpovídat velké sluneční erupce v dostatečném předstihu.

On a kolegové navrhli metodu pro shromažďování dat z milionů kamer smartphonů, které jsou citlivé na některé subatomární částice, aby bylo možné detekovat případy elektromagnetického rušení. To by nám mohlo pomoci lépe porozumět výskytu a povaze kosmického záření, které se k nám dostává zde na Zemi.

Samostatně Michael Aspinall z Lancaster University ve Velké Británii a jeho kolegové nedávno zdůraznili plány na letní výstavě Royal Society na vybudování zařízení pro monitorování neutronů ve Velké Británii. Pomohlo by to zaplnit mezeru v naší schopnosti sledovat neutrony svištící kolem nás, tvrdí: „Je zde méně než 50 těchto pozemních neutronových monitorů stále funkčních, žádný z nich není ve Spojeném království.“

Monitor by byl postaven buď ve Skotsku, nebo v Cornwallu, a pokud v budoucnu zjistí nebezpečný nárůst neutronové aktivity, tyto informace by mohly být předány britskému Met Office, který by pak mohl leteckým úřadům doporučit pozemní dopravu nebo přijmout jiná preventivní opatření.

Je důležité dát to všechno do kontextu. Zásadní je, že je vysoce nepravděpodobné, že by kosmické záření pravidelně způsobovalo významné chyby v počítačových systémech. Manažer datového centra Tony Grayson z Compass Datacenters v USA říká, že nikdy necítil potřebu diskutovat o hrozbě, kterou představuje radiace, s kolegy z oboru. Je to z velké části proto, že malé bitové chyby v datech jsou často bezvýznamné nebo jsou opraveny automatizovaným softwarem pro kontrolu chyb.

Jak se tranzistory v počítačových čipech zmenšují, v novějších, pokročilejších polovodičích, stávají se náchylnějšími k elektromagnetickému rušení.

Vynaložit velké úsilí na ochranu datového centra před kosmickým zářením, řekněme jeho obložením olovem, by bylo nesmírně drahé. Je mnohem jednodušší a levnější pouze udržovat geograficky distribuované zálohy dat. Pokud dojde k nejhoršímu, zákazníci mohou být převedeni na záložní server, říká Grayson.

Ale pro některé aplikace jsou kosmické paprsky brány velmi vážně. Vezměme si tu hromadu elektroniky v moderním letadle, která propojuje ovládání pilota například s kormidlem. Tim Morin, technický pracovník polovodičové firmy Microchip, říká, že hlavní výrobci letectví a obrany používají komponenty, které jsou odolné vůči určitým účinkům kosmického záření. Jeho společnost patří mezi ty, které tyto komponenty dodávají.

„Je prostě imunní vůči jednorázovým poruchám způsobeným neutrony,“ říká. „To se nás netýká.“

Morin odmítá upřesnit přesný přístup jeho firmy k výrobě počítačových čipů, které nejsou rušeny neutronovou interferencí, kromě toho, že to souvisí s materiály a návrhem obvodů.

Je zřejmé, že ne každá aplikace vyžaduje tak vysokou úroveň ochrany. A také toho není možné dosáhnout se všemi druhy počítačové paměti, dodává Morin. Ale pro organizace, které nám staví letadla a satelity nad hlavu, je to samozřejmě důležitá úvaha.

Technologie, na které jsme nyní závislí prakticky všichni, s sebou nese různé úrovně rizika. Je však důležité poznamenat, že jak se tranzistory v počítačových čipech zmenšují v novějších, pokročilejších polovodičích, jsou také náchylnější k elektromagnetickému rušení.

„Poplatek potřebný k obrácení stavu je menší,“ vysvětluje Rech. Pokud je vyžadován pouze velmi malý náboj, šance, že subatomární částice indukuje takový náboj, v zásadě rostou. Navíc v zařízeních od telefonů po pračky roste počet počítačových čipů. „Celková oblast, která může být poškozena, se ve skutečnosti výrazně zvětšuje,“ říká Rech. Subatomární déšť padající na naše zařízení má stále více cílů, které může zasáhnout.

Důsledky toho by mohly být hrozivé, ale zatím je těžké vědět, do jaké míry by to mohlo poškodit nás nebo systémy, které pohánějí moderní svět. Podivné chování jejího kardiostimulátoru při letu do Amsterdamu před šesti lety pro Marii Moevou vedlo k lepším znalostem o zařízení, které je tak důležité pro zdravé fungování jejího srdce. Dokonce jí to pomohlo při výzkumu zranitelností kardiostimulátorů v oblasti kybernetické bezpečnosti.

Pokud za tím vším opravdu stál zbloudilý neutron, je to docela řetězová reakce. Takže z bitových flipů mohou mít alespoň pozitivní výsledky, stejně jako ty děsivé.

„Vlastně jsem opravdu šťastná,“ říká, „že se mi to stalo.“