Hardware schützt Computertechnik vor Fehlern durch "Beschuss" aus dem All

Mit FernUni-Entwicklung bringen Neutronen schnelle Rechner nicht mehr aus der Ruhe

(10.11.08) - Bei jedem neuen Computer werden die Leiterbahnen und die Transistoren auf den Chips schmaler, oft sind sie nur noch einige Atome dick. Dadurch steigt das Risiko, dass elektrisch geladene Partikel - vor allem rasend schnelle Neutronen aus dem Weltall - gleich mehrere Bauteile mit einem "Treffer" beschädigen. Dr. Bernhard Fechner hat an der FernUniversität in Hagen Techniken entwickelt, mit denen dadurch verursachte Fehler erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Das Hagener Lehrgebiet Parallelität und VLSI (Prof. Dr. Jörg Keller) hat sich das Ziel gesetzt, mit Hardware-Komponenten eine hohe Verfügbarkeit zu erreichen, die von keiner Software zu gleichen Kosten erreicht werden kann.

Gefährdet ist grundsätzlich jeder Rechner. Je schneller er arbeitet, desto größer ist das Risiko. In Kiel wurden durchschnittlich 6.300 Neutroneneinschläge pro Stunde gezählt, der Spitzenwert weltweit liegt bei 14.400 Treffern - und das auf einem einzigen Quadratzentimeter. "Schlagen" diese in eine Leiterbahn ein, kann ein Bit umkippen. Breitet sich die Falsch-Ladung im gesamten Chip aus, kann dies das gesamte Systemdurcheinanderbringen: "Dann kann plötzlich in einem Auto der Motor ,stottern' oder das Antiblockiersystem versagen", erläutert Fechner, "oder es wird beim Online-Banking vielleicht ein anderer Betrag überwiesen."

Je schneller ein Rechner ist, desto größer sind die Gefahren des ständigen Partikelregens. Selbst Mauern passiert die Neutronenstrahlung problemlos. Strahlende Alpha-Teilchen - die ebenfalls Schäden verursachen können - finden sich sogar in der Verpackung von Computerchips. Schützen kann man sich also nicht, daher muss man Fehler erkennen und korrigieren können.

In einer deutschlandweit einzigartigen Studie hat sich Fechner im Rahmen seiner Dissertation mit den Fehlern befasst, die auf einem Münchner Supercomputer entstehen. Die Untersuchung zeigt die Entwicklung von Fehlerraten auf: "Steigt sie plötzlich stark an muss man die Fehlerüberdeckung ,hochschrauben'", erläutert Fechner: Es werden mehr Fehler erkannt - auf Kosten der Rechen-leistung.

Hierfür hat Fechner eine Automatik entwickelt. Bei steigender Fehlerrate schaltet sie Komponenten zu, die Fehler finden. U. U. schaltet sie sogar den Prozessor ab. Für die Fehlererkennung benutzt Fechner u. a. ein Echo des tatsächlichen Programms - eine bereits länger bekannte Methode. Der zeitliche Versatz zwischen dem Programm und seinem Echo soll im Durchschnitt etwa fünf Takte betragen, bei einer Taktfrequenz von 1 Gigahertz also 5 Nanosekunden. Verglichen werden Programm und Echo bei "Schleifen" (Abfolgen von Programmanweisungen, die mehrfach durchlaufen werden).

Weil die ständige Speicherung der Sprungziele innerhalb einer Schleife den Speicher schnell füllt, hat Fechner dafür gesorgt, dass gleiche Sprungziele nur einmal gespeichert werden. Sich ständig wiederholende Arbeitsabläufe werden durch einen "Prüf-Thread" viel effizienter gestaltet, indem sie im Prozessor gespeichert werden. Besonders geeignet ist diese Entwicklung für Systeme mit mehreren Prozessoren.

Von all' dem merken die Anwendenden nichts, versichert Dr. Fechner: "Wir haben die Hardware so wenig geändert, dass die Programme ganz normal weiterlaufen." (FernUniversität Hagen: ra)