Biến đổi Bit: Hiện tượng đặc biệt bắt nguồn từ vũ trụ bên ngoài

Các tia vũ trụ từ không gian có thể khiến dữ liệu trong máy tính bị đảo lộn bit.

Mọi người đều quen thuộc với máy tính và ứng dụng hàng ngày của chúng. Chúng ta sử dụng chúng cho nhiều mục đích, từ giải trí và chơi game đến tài chính, kế toán và thậm chí làm việc với các phương trình toán học phức tạp để hiểu cách các thiên hà hình thành và mô hình hóa các hệ thống sinh học khác nhau.

Liệu máy tính có hoàn hảo 100% không?

Máy tính có thể gặp sự cố, bị nhiễm vi-rút hoặc tấn công theo nhiều cách khác nhau, bao gồm cả việc bị tải phần mềm không mong muốn hoặc bị mã hóa và yêu cầu tiền chuộc. Ngay cả thế giới tự nhiên cũng có thể tạo ra sự cố cho máy tính.

Giới thiệu về Biến đổi Bit

Biến đổi Bit là một loại thay đổi dữ liệu trong bộ nhớ mà không được mong muốn. Máy tính lưu trữ dữ liệu dưới dạng các bit có giá trị 0 và 1. Khi một phần của dữ liệu trải qua 'Bit Flip', giá trị của phần bộ nhớ đó sẽ thay đổi hoặc bị đảo ngược: 0 sẽ trở thành 1 và 1 sẽ trở thành 0.

Phản ứng 'Bit Flip' này xảy ra khi một hạt năng lượng cao tấn công vào phần cứng của bộ nhớ. Những hạt này có thể là các hạt alpha hoặc tia vũ trụ có nguồn gốc từ không gian. Khi những hạt như vậy tấn công vào phần cứng bộ nhớ, chúng sẽ thay đổi các đặc tính của electron được sử dụng để lưu trữ dữ liệu, dẫn đến việc đảo ngược bit.

Hiện tượng 'Bit Flip' thuộc loại 'lỗi mềm'. Khi xảy ra lỗi phần mềm, chúng ta có thể thực hiện sửa đổi cần thiết bằng cách sử dụng mã để ghi lại giá trị bit tại vị trí xảy ra lỗi và khôi phục giá trị chính xác. Điều này khác biệt với lỗi cứng, thường là do phần cứng bị lỗi hoặc hỏng. Khi xảy ra lỗi cứng, phần cứng cần phải được thay thế.

Như đã đề cập, tia vũ trụ là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng 'Bit Flip' trong các thiết bị bộ nhớ.

Tia vũ trụ gây ra hiện tượng 'Bit Flip' như thế nào?

Tia vũ trụ là các hạt năng lượng cao có nguồn gốc từ không gian bên ngoài. Chúng chủ yếu bao gồm các proton, cùng với một lượng nhỏ của hạt nhân Helium và một số lượng nhỏ các hạt nhân nặng hơn cùng các hạt lượng tử khác.

Khi những tia vũ trụ này chạm vào tầng cao của bầu khí quyển Trái Đất, chúng va chạm với hạt nhân của khí quyển. Sau đó, tia vũ trụ chủ yếu chuyển hóa thành pion, rồi phân rã thành muon. Muon không tương tác nhiều với vật chất và dễ dàng chạm tới bề mặt Trái Đất.

RAM và bộ nhớ flash lưu trữ dữ liệu bằng cách sử dụng bán dẫn, là một phần quan trọng của chúng. Các thiết bị bộ nhớ hiện đại này sử dụng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại MOSFET. Việc lưu trữ dữ liệu, dưới dạng bit, được thực hiện bằng cách áp dụng các giá trị điện áp lên cực của bán dẫn.

Bit Flip xảy ra khi một hạt năng lượng cao từ bên ngoài, giống như tia vũ trụ, tác động vào MOSFET và thay đổi tính chất của electron đi qua nó, và nói rộng ra là giá trị điện áp trên cực của bán dẫn.

Các máy tính trên bề mặt Trái Đất thường an toàn trước tia vũ trụ, vì hầu hết chúng chuyển thành muon khi va chạm với bề mặt Trái Đất. Vì vậy, máy tính trên mặt đất thường không bị đảo bit, nhưng trường hợp này không áp dụng cho tàu vũ trụ đi ra ngoài vũ trụ. Chúng bị tia vũ trụ tác động mà không bị ảnh hưởng bởi khí quyển Trái Đất, dẫn đến nguy cơ Bit Flip.

Sửa Bit Flip

Mặc dù việc tránh tia vũ trụ có thể không thực hiện được đối với tàu vũ trụ sau khi rời khỏi bầu khí quyển Trái Đất, nhưng có những biện pháp khác mà chúng ta có thể thực hiện để khắc phục hiện tượng đảo bit sau khi nó đã xảy ra. Đôi khi, việc khởi động lại có thể gián tiếp xóa dữ liệu bị đảo bit, đưa nó trở lại giá trị ban đầu thông qua làm mới bộ nhớ và khởi tạo lại. Tuy nhiên, kỹ thuật này không luôn mang lại hiệu quả và có thể cần đến các phương pháp mạnh mẽ hơn.

Thỉnh thoảng, chúng ta áp dụng mã sửa lỗi (ECC) để khắc phục những lỗi do thao tác Bit Flip gây ra. Các mã này có khả năng phát hiện khi có thao tác Bit Flip, thường được thực hiện bằng cách so sánh số 0 hoặc 1 trong dữ liệu (do người dùng cung cấp). Nếu phần mềm phát hiện sự không khớp giữa những gì nó nhận và những gì người dùng cung cấp, thì nó sẽ báo lỗi.

Các mã ECC phức tạp hơn, như mã Hamming, cũng được sử dụng để khắc phục những lỗi do Bit Flip gây ra.

Một phương pháp khác để xử lý và khắc phục Bit Flip là sử dụng kỹ thuật gọi là dự phòng mô-đun. Ở đây, việc sửa đổi được thực hiện bằng cách lặp lại quy trình từ nơi chúng ta nhận dữ liệu và sau đó tiến hành biểu quyết theo đa số.

Ví dụ: nếu dữ liệu nhận được là '1', bằng cách lặp lại dữ liệu đó ba lần, chúng ta sẽ nhận được '111'. Tuy nhiên, giả sử có hiện tượng đảo bit và dữ liệu nhận được thay bằng '110'. Vì '1' vẫn chiếm đa số, dự phòng mô-đun sẽ cho chúng ta biết rằng '1' là dữ liệu chính xác cho bit.

Dự phòng mô-đun sử dụng ba lần lặp lại được gọi là dự phòng mô-đun 3 chiều hoặc dự phòng ba mô-đun.

Các máy tính được sử dụng trong chương trình Shuttle sử dụng năm lần lặp lại và được gọi là dự phòng mô-đun 5 chiều. Mặc dù hiệu quả nhưng dự phòng mô-đun đòi hỏi khối lượng và sức mạnh đáng kể, khiến việc triển khai trở nên khó khăn.

Giống như bầu khí quyển bảo vệ thực vật và động vật trên Trái Đất khỏi tác động của những tia nguy hiểm từ ngoài vũ trụ, nó cũng bảo vệ máy tính và các thiết bị điện tử khác. Tuy nhiên, với số lượng sứ mệnh không gian ngày càng tăng và với những sứ mệnh quan trọng như sứ mệnh Sao Hỏa, việc Bit Flip tia vũ trụ là một vấn đề cần được xem xét một cách cẩn trọng. Không gian bên ngoài không phải là nơi bạn muốn máy tính gặp lỗi và sự cố vào những thời điểm không mong muốn.

Tham khảo: Scienceabc