Elektrotechnische und physikalische Ursachen für transiente Hardwarefehler. Marc Spohr

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1 Elektrotechnische und physikalische Ursachen für transiente Hardwarefehler Marc Spohr

2 Inhaltsverzeichnis Elektrotechnische und physikalische Ursachen für transiente Hardwarefehler i Marc Spohr 1 Einleitung Fehlertypen Ursachen für transiente Hardwarefehler Elektromagnetische Wechselwirkung Strahlungseinflüsse Fehleranfälligkeit von Hardwarekomponenten DRAM SRAM Flash Zusammenfassung Ausblick

3 1 Einleitung In den letzten Jahrzehnten hat die Verbreitung ebenso wie die Leistungsfähigkeit von Computersystemen aller Art rasant zugenommen. Insbesondere beim Einsatz in kritischen Anwendungsgebieten ist die Zuverlässigkeit und Fehlerfreiheit dieser Systeme unverzichtbar. Fehler können in einem System unterschiedliche Auswirkungen haben, die von lediglichem Komfortverlust bei der Benutzung bis hin zu vollständigen Systemversagen reichen können. So werden gelegentlich auftretende Fehler in einem Heim-Anwender-PC oder einem Mobiltelefon möglicherweise noch akzeptiert, in großen Serversystemen oder medizinischen Geräten können sich diese dagegen gravierend auswirken oder sogar lebensgefährliche Folgen haben. Während Neuentwicklungen und Verbesserungen im Bereich der Halbleiter- und Mikroprozessortechnik auch für eine höhere Zuverlässigkeit einzelner Bauelemente sorgen, stehen dem die ständig steigenden Erfordernisse nach mehr Leistungsfähigkeit, Funktionalität und Energie- Effizienz entgegen. Um effektive Strategien zur Fehlerreduzierung, -erkennung und -korrektur zu entwickeln, ist eine Analyse der Ursachen und der Auswirkungen von Hardwarefehlern unerlässlich. In den folgenden Kapiteln sollen die Ursachen insbesondere für transiente Hardwarefehler ebenso wie die Technologie- Entwicklungen, die das Auftreten solcher Fehler begünstigen oder reduzieren, genauer beschrieben werden. 2 Fehlertypen Ausfallraten elektronischer Schaltungen ebenso wie die Soft Error Rate (SER) eines Computer-Chips werden in der standardisierten Einheit FIT gemessen. Ein FIT entspricht dabei einem Ausfall des Bauteiles in einer Milliarde Betriebsstunden. Hierbei handelt es sich allerdings um statistische Werte, so dass ein Ausfall auch deutlich früher auftreten kann. Die Ausfall-Wahrscheinlichkeit eines komplexen Systems steigt dementsprechend abhängig von der Art und Anzahl der einzelnen Komponenten und deren jeweiligen Ausfallraten. Es lassen sich mehrere Typen von Hardwarefehlern unterscheiden: Permanente Fehler beruhen auf schadhafter Hardware, wie zum Beispiel einem funktionsunfähigen Transistor oder einem ganzen Schaltkreis. Diese Fehler treten wie die Bezeichnung verrät immer und reproduzierbar auf und lassen sich nur durch den Austausch der beschädigten Komponenten beseitigen. Hervorgerufen werden diese Fehler etwa durch Fehler in der Produktion oder aber häufiger durch nachträgliche Zerstörung der Komponenten zum Beispiel durch elektrostatische Entladungen oder physische Einflüsse wie Stoßwirkung oder Vibration. Unregelmäßige Fehler, so genannte intermittent faults treten dagegen unregelmäßig, aber immer wieder an derselben Stelle bzw. in denselben Komponenten auf. Üblicherweise handelt es sich hierbei um fehleranfällige Komponenten, die im Idealfall korrekt funktionieren, aber aufgrund von Fehlern oder Ungenauigkeiten im Produktionsprozess dazu neigen deutlich leichter durch Umgebungsbedingungen in ihrer Funktion beeinflusst zu werden. Hervorgerufen werden diese Fehler durch ein Zusammenspiel mehrerer gleichzeitig auftretender

4 Faktoren, die teilweise auch zufällig auftreten. Dies macht diese Art von Fehler sehr schwer zu erkennen und zu beheben. Es erfordert viel Zeit und Analyseaufwand Fehler zu identifizieren und zu lokalisieren, da dies nur dann möglich ist, wenn der Fehler gerade auftritt. Das oft nur schwer nachvollziehbare Auftreten dieser Fehler macht es auch schwer sie von den im Folgenden genauer zu betrachtenden transienten Hardwarefehlern zu unterscheiden. Ein Indiz für die Existenz von intermittent faults und damit von fehleranfälligen Hardwarekomponenten ist das im Vergleich zu transienten Fehlern deutlich häufigere Auftreten. Dauerhaft beseitigen lassen sich diese Fehler im Regelfall auch nur durch den Austausch der fehleranfälligen Hardwarekomponenten. Transiente Hardwarefehler oder auch Soft Errors treten in normalerweise völlig intakten und korrekt funktionierenden Komponenten auf. Es handelt sich hier also nicht um einen Hardwareschaden oder fehlerhaft produzierte Bauteile, sondern um Fehler die durch äußere Faktoren ausgelöst werden. Sobald die auslösenden Faktoren beseitigt sind, tritt der Fehler also auch nicht mehr auf. Aus diesem Grund lassen sich diese Fehler nicht durch Reparatur oder Austausch von Hardwarekomponenten beseitigen, so dass hier entweder strukturelle Änderungen vorgenommen werden müssen, oder aber die Hardware falls möglich von Fehler-verursachenden Störquellen abgeschirmt werden muss. In beiden Fällen ist es notwendig zunächst zu bestimmen, wie es überhaupt zu dieser Art Fehler kommt. Einige Ursachen für transiente Hardwarefehler sollen im Folgenden genauer betrachtet werden. 3 Ursachen für transiente Hardwarefehler Wie bereits durch Moore s Law formuliert, hat sich die Dichte integrierter Schaltungen in den letzten Jahrzehnten alle zwei Jahre in etwa verdoppelt. Dies wurde ermöglicht durch die immer weiter fortschreitende Miniaturisierung von elementaren Bauelementen wie Transistoren und Kondensatoren. Gleichzeitig erfordern aktuelle Anwendungsgebiete eine gesteigerte Leistungsfähigkeit, die lange am einfachsten durch die Erhöhung der Taktraten erreicht wurde. Mobile Geräte sind inzwischen ebenfalls zum Standard geworden. Da diese mit dem sehr begrenzten Energievorrat eines Akkus möglichst lange funktionsfähig sein sollen, ist zusätzlich zur Leistungsfähigkeit die Energie-Effizienz ein wichtiger Faktor. Neben diversen anderen Möglichkeiten Energie zu sparen wirken sich auch niedrigere Versorgungsspannungen positiv auf den Energieverbrauch aus. 3.1 Elektromagnetische Wechselwirkung Die bereits erwähnten Maßnahmen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und zur Energieeinsparung stehen dabei im Gegensatz zueinander. Aus elektrotechnischer Sicht lassen sich Steuer-Leitungen der Transistoren in den üblichen CMOS- Schaltungen als kapazitive Widerstände interpretieren. So wird einfach eine Mindestzeit benötigt, bis am Gate-Anschluss des Transistors eine Spannung anliegt, die einen Schaltvorgang erlaubt. Die hierfür benötigte Zeit steht in anti-

5 proportionalem Verhältnis zur Versorgungsspannung der Bauteile. Im Gegensatz dazu verringert sich mit der Erhöhung von Takt-Frequenzen das für einen Schaltvorgang zur Verfügung stehende Zeitfenster. Hier ist also ein Kompromiss zwischen Energieverbrauch und Leistungsfähigkeit zwingend erforderlich. Die gerade beschriebenen Entwicklungen machen Hardwarekomponenten auch deutlich anfälliger gegenüber anderer elektrotechnischer Stör-Ereignisse. Bedingt durch niedrige Versorgungsspannungen ist eine Störung durch elektrische Feldeffekte deutlich wahrscheinlicher. Eine vergleichsweise kleine Feldstärke reicht hier möglicherweise aus, um einen Schaltvorgang zu behindern oder einen nicht gewollten Schaltvorgang auszulösen. Andererseits würden bei der weiter fortschreitenden Verringerung von Baugrößen und damit erhöhten Dichte der Schaltungen höhere Betriebsspannungen möglicherweise ungewollte induktive Kopplungen zwischen nahe gelegenen Elementen verursachen. Bei höheren Spannungen fließen auch höhere Ströme, die ein entsprechend stärkeres Magnetfeld erzeugen. Dieses kann wiederum in anderen Elementen Spannung induzieren, die zum entsprechenden Zeitpunkt gar nicht anliegen dürfte. Dieser Effekt macht sich zum Beispiel als Übersprechen zwischen benachbarten Bus-Leitungen bemerkbar. Als weiterer positiver Effekt neben der Energieeinsparung sei zu erwähnen, dass geringere Versorgungsspannungen und damit geringere Ströme auch weniger Abwärme implizieren. Probleme mit der Überhitzung und Kühlung von Computer-Chips werden damit einfacher handhabbar. Neben den genannten Chip-internen elektromagnetischen Störquellen, die sich bereits im Entwicklungsprozess eines Computersystems analysieren und berücksichtigen lassen, können auch äußere Störquellen das Auftreten transienter Fehler verursacht. Insbesondere sind hier unzureichend abgeschirmte Geräte, die wie zum Beispiel Trafos und Schaltnetzteile ein starkes Magnetfeld erzeugen, zu nennen. 3.2 Strahlungseinflüsse In der Vergangenheit haben auch unterschiedliche Strahlungsquellen für das Auftreten transienter Hardwarefehler gesorgt. Alpha-Partikel Strahlung, welche durch Uran- und Thorium-Verunreinigungen in der Verpackung der Komponenten emittiert wird stellt aufgrund der Verwendung entsprechend reiner Materialien üblicherweise kein Problem mehr dar. Bor-10-Isotope, die in früher als Isolator verwendetem Borphosphorsilicatglas enthalten sind, neigen dazu unter dem Einfluss von nieder-energetischer Neutronenstrahlung Ionisierungs-Effekte auszulösen und damit zu Fehlfunktionen der entsprechenden Bauteile zu sorgen. Daher wurde BPSG weitgehend durch andere Materialien, die frei von Bor-10 Isotopen sind, ersetzt. Bei einer weiteren Strahlungsquelle, die geeignet ist Hardwarefehler auszulösen und inzwischen als die Hauptursache für transiente Fehler angesehen wird, handelt es sich um hochenergetische Neutronenstrahlung mit Bewegungsenergien von mehreren M ev. Diese entsteht zumeist als Sekundärstrahlung beim Auftreffen von kosmischer Strahlung, welche größtenteils aus geladenen Teilchen wie

6 Protonen, Elektronen oder ionisierten Atomen besteht, auf die Erdatmosphäre. Im Gegensatz zu anderen Strahlungsformen wie Alpha- oder Beta-Strahlung, die aus geladenen Teilchen bestehen, sind Neutronen ladungsfrei und reagieren daher kaum mit in der Atomhülle enthaltenen Elektronen. Daher dringt Neutronenstrahlung, obwohl es sich hier nicht wie bei Gamma-Strahlung um masselose Teilchen handelt, ähnlich tief in Materie ein und ist daher nur sehr schwer abschirmbar. Alpha- und Beta-Strahlung wirkt schon aufgrund der Zusammensetzung (Helium-Kerne bzw. Elektronen) direkt ionisierend, Neutronenstrahlung dagegen hat einen indirekten ionisierenden Effekt, dadurch dass Neutronen in Wechselwirkung mit Silizium-Atomkernen der Halbleiter Komponenten treten. Beim Zusammenstoß eines Neutrons mit einem Atomkern des Halbleitermaterials wird ein Teil der Bewegungsenergie abgegeben, was das Stoß-Atom in einen angeregten Zustand versetzt. Die absorbierte Energie wird dann in Form von Gamma Strahlung wieder emittiert. Die so entstandene Gamma-Strahlung sorgt beim Auftreffen auf andere Silizium-Atome für das Auftreten von Compton- bzw Photo-Effekten. Hierdurch werden Elektronen aus der Atomhülle ausgelöst, so dass das Halbleiter-Material ionisiert wird. Auch diese nun freien Elektronen sorgen für weitere Sekundär-Ionisationen. Eine weitere Möglichkeit ist auch das Einfangen des Neutrons. Notwendig hierfür ist neben einiger anderer Randbedingungen vor allem eine zum Beispiel durch eine Verkettung einiger Stoß-Effekte deutlich verringerte Bewegungsenergie im Bereich von unter 100meV. Ein Neutroneneinfang versetzt den Atomkern in einen instabilen Zustand, der schließlich in Form eines radioaktiven Zerfalls aufgelöst wird. Die durch diesen Zerfall entstehenden Spaltprodukte sorgen wiederum auch hier für Sekundär-Ionisierung im Halbleitermaterial. Durch die auf diese Art erzeugte Ionisierung des Halbleitermaterials werden wie in Abb. 3.1 skizziert bewegliche Ladungen freigesetzt. Frei bewegliche Elektronen werden in das Kanal-Gebiet gezogen und bewirken, dass dieses leitfähig wird. Die vom Material aufgenommene Ladung Q coll kann bis zu As betragen und ist direkt abhängig von der Art und der Energie des Ions, ebenso wie der Bewegungsrichtung. Abhängig von der Bauart, Baugröße und auch der Betriebsspannung eines Transistors lässt sich eine kritische Ladung Q crit definieren, die notwendig ist, um trotz nicht anliegender Gate- Abb Ionisation von Halbleitermaterial (Quelle: [1]) Spannung das Kanal-Gebiet leitfähig zu machen und so einen ungewollten Schaltvorgang auszulösen.

7 4 Fehleranfälligkeit von Hardwarekomponenten Obwohl Transistoren das primäre Bauteil für die in allen Komponenten verwendeten integrierten Schaltungen darstellen, ist die Fehleranfälligkeit der einzelnen Komponenten sehr unterschiedlich. Dies liegt neben bereits betrachteten Faktoren wie Betriebsspannung und Taktfrequenzen in der Struktur und im Aufbau der entsprechenden Komponenten begründet. Einige typische Hardwarekomponenten werden im folgenden genauer betrachtet. 4.1 DRAM DRAM oder auch Dynamic Random Access Memory ist ein Speichertyp für flüchtige Daten, der Speicherinhalt geht also bei fehlender Betriebsspannung verloren. Die besondere Eigenschaft dieses Speichers ist die extrem geringe Baugröße, was eine sehr hohe Speicherdichte ermöglicht. Diese geringe Baugröße wird möglich, da eine DRAM-Zelle lediglich aus einem Kondensator und einem Steuer-Transistor besteht. Der Zustand des Kondensators (geladen oder ungeladen) gibt hierbei den entsprechenden Speicherzustand an. Die im Kondensator gespeicherte Ladung geht allerdings mit der Zeit verloren, so dass DRAM-Zellen zwingend in regelmäßigen Abständen ausgelesen und neu geschrieben (aufgefrischt) werden müssen. Folglich verbraucht ein DRAM-Chip auch im Standby Zustand, in dem nur die aktuellen Daten gehalten werden sollen, Strom. Aufgrund der hohen Speicherdichte wird DRAM Technologie überall dort eingesetzt, wo große Datenmengen bei wenig verfügbarem Platz gespeichert werden müssen. Typische Anwendungsgebiete sind daher der Hauptspeicher oder Grafikspeicher von aktuellen PC-Systemen. Abb Entwicklungen im DRAM Design (Quelle: [9]) Die Fehleranfälligkeit einzelner DRAM- Zellen wurde durch die Entwicklungen in den letzten Jahren deutlich verringert. Als transiente Hardwarefehler in DRAM- Komponenten zu einem Problem wurden, war eine planare Bauweise der Speicherzellen üblich. Hierbei wird der zur Datenspeicherung verwendete Kondensator, gebildet durch eine durch ein Dielektrikum vom Drain-Anschluss des Transistors getrennte Kondensatorplatte, einfach hinter dem Transistor platziert. Durch diese Bauweise benötigt die DRAM Zelle eine realtiv große Fläche, so dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Strahlungsereignissen ebenfalls hoch ist. Die ersten Optimierungen der DRAM Speichertechnologie bestanden hauptsächlich aus der Verringerung der Baugrößen. Um eine gleichzeitige Verringerung der Kondensator-Kapazität zu vermeiden, wurde die Stärke des Dielektrikums um ca. den Faktor 10 reduziert.

8 Um die realisierbare Speicherdichte weiter zu vergrößern wurde der Aufbau der DRAM-Zellen überarbeitet. Die geschilderte planare 2D-Bauweise wurde zugunsten von 3D-Design aufgegeben. Hierbei wird der zur Datenspeicherung verwendete Kondensator mit dem Schalttransistor in einer Stapel-Anordnung (Stack-Technologie) verbaut. Ein anderer Ansatz ist die Trench-Technik, bei der Drain-Anschluss ebenso wie der Kondensator in einem in das Halbleitermaterial des Transistors eingeätzten Graben eingelassen wird. In Abb. 4.1 sind diese und weitere Entwicklungen der DRAM-Zelle skizziert. Der Sprung von einem 2-dimensionalen auf ein 3-dimensionales Design hatte nicht nur zur Folge, dass Speicherzellen nun noch einmal deutlich weniger Chip- Fläche beanspruchen und damit eine noch dichtere Speicherstruktur möglich wurde, zudem wurde auch die Anfälligkeit gegenüber strahlungsbedingten Hardwarefehlern um ca. Faktor 100 verbessert. Begründen lässt sich diese Verbesserung in der Tatsache, dass die bis dahin verwendeten planaren Aufbauten der DRAM-Zelle bei Auftreten eines Strahlungsereignisses viel leichter Ladungen einsammeln konnten. Zudem hat sich durch die Strukturänderung nicht nur Q coll verringert, sondern auch die kritische Ladung die nötig ist, um einen Fehler zu verurachen, vergrößert. Trotz der extremen Verbesserungen von insgesamt ca. Faktor 10 3 bei der Soft Error Rate der einzelnen DRAM-Zelle ist die System-weite Soft Error Rate nahezu gleich geblieben. Durch das exponentielle Wachstum der in einem System verbauten Speicher-Größen und damit der Anzahl der einzelnen Zellen wird die verbesserte Soft Error Rate der einzelnen Zelle wieder aufgehoben. 4.2 SRAM SRAM steht als Abkürzung für Static Random Access Memory, es handelt sich hier also um einen statischen RAM, dessen Inhalt wie auch beim DRAM flüchtig ist. Im Gegensatz zum DRAM benötigt dieser Speichertyp keine regelmäßige Auffrischung der gespeicherten Daten. Eine SRAM Zelle besteht wie in Abb. 4.2 zu sehen aus einer bistabilen Kippstufe (Flipflop), welche in einer CMOS-Schaltung durch zwei Invertierer in Kombination mit zwei Steuer-Transistoren realisiert ist. Insgesamt besteht eine einzige SRAM-Zelle also aus sechs Transistoren. Dieser Aufbau macht die Schaltung im Vergleich zu DRAM-Zellen sehr groß und daher ist die erreichbare Speicherdichte hier deutlich geringer. Anders als DRAM-Zellen benötigt eine SRAM Zelle allerdings keine Abb Aufbau einer SRAM Speicherzelle (Quelle: [7])

9 regelmäßige Auffrischung der gespeicherten Daten. So lange die Betriebsspannung anliegt ist der aktuelle Zustand der Zelle stabil und ändert sich nur durch Einflüsse von außen über die Steuer-Transistoren. Dadurch, dass üblicherweise spannungsgesteuerte Transistoren verwendet werden, liegt der Stromverbrauch in diesem Betriebsmodus bei nahezu null. Durch die ebenfalls schnellen Zugriffszeiten eignet sich SRAM Speicher zum Beispiel für On-Chip Speicher und Caches. Des Weiteren bietet der extrem geringe zur Datenhaltung benötigte Stromverbrauch die Möglichkeit in Kombination mit einer langlebigen Spannungsquelle wie einer Batterie SRAM als eine Art nicht-flüchtigen Speicher einzusetzen. Das wohl bekannteste Beispiel für diese Anwendung ist die Speicherung von BIOS- Einstellungen bei handelsüblichen PCs. Im Vergleich zu DRAM-Zellen ist bei SRAM die Anfälligkeit der einzelnen Zelle für Soft Errors nahezu gleich geblieben. Abgesehen von dem bereits erwähnten weitgehenden Verschwinden von BPSG aus den Isolator-Materialien von ICs hat es hier keine Entwicklung gegeben, die eine deutliche Verbesserung der Soft Error Rate zur Folge hatte. durch die auch beim SRAM zu beobachtenden Skalierungseffekte ist hier die systemweite Soft Error Rate jedoch stark angestiegen. Wie in Abb. 4.3 dargestellt, ist hier auch nur ein kleiner Einbruch in der Entwicklung durch das Verschwinden von BPSG in der Halbleiter-Fertigung zu bemerken. Abb Entwicklung der Soft Error Rate bei SRAM-Speicher (Quelle: [1] Abb.4) 4.3 Flash Bei Flash Speichern handelt es sich um nichtflüchtigen Speicher, der im Gegensatz zu typischen Festplatten oder anderen Speichermedien ohne bewegliche Bauteile auskommt. Diese Besonderheit macht Flash Speicher besonders resistent gegenüber äußeren physischen Einflüssen, insbesondere Erschütterung und Stoßwirkung. Durch die in den letzten Jahren immer weiter verbesserten Kennzahlen wie Zugriffszeiten und Speichergrößen wird der Einsatz von Flash speichern als Ersatz oder Ergänzung von Festplatten in Computersystemen zunehmend Abb Aufbau einer Flash- Speicher-Zellen (Quelle: [8]) interessant. In Form von portablem Speicher wie USB-Sticks hat sich Flash-Speicher bereits etabliert. Anders als herkömmliche Speichermedien sind Flash-Speicher keine Magnetspeicher, sondern nutzen elektrische Ladungen.

10 Flash-Speicherbausteine bestehen aus Transistoren, bei denen auf der Seite des Drain-Anschlusses noch ein elektischer Leiter (das so genannte Floating-Gate in die Isolierschicht zwischen dem Gate-Anschluss und dem Kanal-Gebiet eingelassen ist. Ist das Floating-Gate ungeladen, so lässt sich der Transistor wie gewohnt ansteuern, eine Spannung zwischen Gate und Source sorgt also für Leitfähigkeit des Kanalgebietes so dass ein Stromfluss zwischen Source und Drain möglich wird. Beim Speichern von Daten werden hohe Spannungen im Bereich von 12V und mehr an den Gate-Anschluss gelegt. Das resultierende Elektische Feld ist so stark, dass Ladungsträger (hier Elektronen) durch die isolierende Oxidschicht dringen und sich auf dem Floating-Gate sammeln, es also elektrisch aufladen. Da die negative elektrische Ladung auf dem geladenen Floating-Gate auch bei im Lesebetrieb angelegter Gate-Spannung verhindert, dass sich Ladungsträger im Kanalbereich ansammeln, schaltet der Transistor nun gar nicht mehr. Dieser Zustand kann durch anlegen einer hohen Spannung an den Drain Anschluss wieder rückgängig gemacht werden. Das Tunneln von Elektronen durch die Isolierschicht beim Schreiben oder Löschen des Speichers hat eine langsame Zerstörung der Isolierung zur Folge. Häufige Schreibvorgänge auf Flash- Speichern bewirken also ein schnelleres Altern des Speichers, bis schließlich die Isolierung des Floating-Gate so durchlässig geworden ist, dass Elektronen nicht darauf verbleiben und Daten daher nicht mehr dauerhaft gespeichert werden können. Da es sich bei Flash-Speicher im Gegensatz zu SRAM und DRAM um einen permanenten Datenspeicher handelt, ist hier insbesondere der Einfluss von Strahlungseinfall im Lese- bzw. Schreibbetrieb interessant. Wie bei den anderen untersuchten Speicherformen auch, ist hochenergetische Neutronenstrahlung die Haupturache für Soft Errors. Eventuell auftretende Alpha-Strahlung wird größtenteils bereits von einigen Mikrometern Chip-Verpackung abgeschirmt. Um den Einfluss von Strahlung auf die Funktionsfähigkeit zu testen, wurden in einer Versuchsanordnung unterschiedliche Flash-Speicherchips im Verlauf von zyklisch ausgeführten Lösch- und Schreibvorgängen bzw. zyklischen Lesevorgängen Strahlungsquellen ausgesetzt worden [4]. Untersucht wurden neben der Wirkung von Neutronenstrahlung die Auswirkungen von Protonen-Strahlung unterschiedlicher Energie, die ähnlich wie Alpha-Strahlung auch ionisierend wirkt. Messungen (siehe [4], Tabelle IV) lassen den Schluss zu, dass Flash Speicher im Vergleich zu SRAM-Speicherelementen in etwa 300 mal bis 600 mal so robust gegenüber ionisierender Neutronenstrahlung sind. Dies lässt sich mit der Struktur von Flash-Speicherelementen erklären: Lange Adressleitungen neigen dazu aufgrund großer Oberfläche im Falle eines Strahlungsereignisses viel Ladung aufzunehmen. Obwohl diese Leitungen beim Flash-Speicher ebenfalls existieren, haben diese Adressleitungen dagegen aber keine Verbindung zum eigentlichen Datenspeicher, dem Floating-Gate, welches in ein isolierendes Dielektrikum eingebettet ist.

11 5 Zusammenfassung Begünstigt durch die Erfordernisse immer leistungsfähigerer Computersysteme mit hohen Taktraten und viel zur Verfügung stehendem Speicher ebenso wie möglichst geringem Energieverbrauch und daraus resultierenden sinkenden Betriebsspannungen wird das Auftreten von transienten Hardwarefehlern vermehrt zu einem zu berücksichtigenden Problem. Während einige Fehlerquellen wie zum Beispiel von Verunreinigungen herrührende Alpha-Strahlung eliminiert werden konnten wurde auch durch Weiterentwicklungen im Hardwaredesign die Fehleranfälligkeit einzelner Komponenten reduziert. Elektrotechnische Ursachen für Fehler wie zum Beispiel elektromagnetische Wechselwirkungen sind oftmals bereits beim Design und in der Testphase neuer Hardware erkennbar und können berücksichtigt oder beseitigt werden. Andere Ursachen für Hardwarefehler wie insbesondere hochenergetische Neutronenstrahlung lassen sich nicht beseitigen und auch nur sehr schwer abschirmen. Da es sich bei Neutronen um subatomare und ungeladene Teilchen handelt, können sie nahezu ungehindert tief in Materie eindringen. Bedingt durch ihren Aufbau und dadurch dass die Basiskomponenten überall die gleichen sind, können derartige Fehler in allen Teilen der Hardware auftreten. 6 Ausblick Da sich absolute Zuverlässigkeit bei realen Systemen offensichtlich nicht realisieren lässt, müssen Wege gefunden werden, mit Fehlverhalten umzugehen. Ansätze dazu finden sich bereits in Algorithmen und Schaltungen zur Fehlererkennung und Fehlerkorrektur (ECC). Hardwarebausteine mit integrierten ECC Mechanismen werden beim Einsatz in besonders kritischen Anwendungsgebieten verwendet. Ebenso erscheint Redundanz ein möglicher Ansatz, um korrekte Funktion zu gewährleisten. So können kritische oder besonders fehleranfällige Hardwarekomponenten mehrfach auf einen Chip aufgebracht werden, die zeitgleich dieselben Operationen durchführen. Die Wahrscheinlichkeit für gleichzeitiges Auftreten von Fehlern in mehreren dieser parallelen Schaltkreise ist vernachlässigbar gering, so dass davon ausgegangen werden kann, dass zwei gleiche Ergebnisse auch ein korrektes Ergebnis darstellen. Eine ähnliche Methode lässt sich ohne zusätzliche Hardware anwenden, indem der kritische Code einfach mehrmals von der einzigen zur Verfügung stehenden Hardware ausgeführt wird. Auch hier können übereinstimmende Ergebnisse als korrekt angesehen werden. Alle genannten Ansätze haben den Nachteil dass sie deutlich mehr Chipfläche oder deutlich mehr Zeit in Anspruch nehmen (oder beides) um dieselbe Funktion zu erfüllen, wie herkömmliche Hardware. Damit lässt sich das oft nicht mit Echtzeit-Anforderungen bzw. kleinen Baugrößen vereinbaren. Zudem ist die Produktion derart spezialisierter hoch-zuverlässiger Hardware teuer. Eine Alternative könnte der softwarebasierte Umgang mit Hardwarefehlern sein.

12 Literatur 1. Robert Baumann: Soft Errors in Advanced Computer Systems, IEEE Design & Test of Computers, May-June 2005, pp Robert Baumann: Radiation-Induced Soft Errors in Advanced Semiconductor Technologies, IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, vol. 5, no. 3, September 2005 pp Cristian Constantinescu: Impact of Deep Submicron Technology on Dependability of VLSI Circuits, Proceedings of the International Conference on Dependable Systems and Networks, Adam David Folge, Don Darling, Richard C. Blish II, Eugene Daszko: Flash Memory Under Cosmic and Alpha Irradiation, IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, September 2004, pp Hanno Krieger: Wechselwirkung von Neutronenstrahlung mit Materie, In: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes, pp B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden Mitsumasa Koyanagi: The Stacked Capacitor DRAM Cell and Three-Dimensional Memory, IEEE SSCS NEWS, Winter 2008, pp Wolfram Schiffmann: Technische Informatik 2, pp , Kapitel 8.1: Halbleiter-Speicher, Springer Verlag, Berlin Heidelberg Wolfram Schiffmann, Helmut Bähring, Udo Höning: Technische Informatik 3, pp , Kapitel 3.3: Halbleiterfestplatten, Springer Verlag, Berlin Heidelberg Hideo Sunami: The Role of the Trench Capacitor in DRAM Innovation, IEEE SSCS NEWS, Winter 2008, pp Abbildungsverzeichnis 3.1 Ionisation von Halbleitermaterial (Quelle: [1]) Entwicklungen im DRAM Design (Quelle: [9]) Aufbau einer SRAM Speicherzelle (Quelle: [7]) Entwicklung der Soft Error Rate bei SRAM-Speicher (Quelle: [1] Abb.4) Aufbau einer Flash-Speicher-Zellen (Quelle: [8])