Effetti da singolo evento

Provate ad immaginare la scena seguente

Sera di mezza estate, autostrada del sole nel bel mezzo della pianura Padana. Un camion a rimorchio viaggia tranquillo e il suo autista è sicuro al volante. Tutto sembra procedere per il meglio, quando un moscerino, uno dei tanti che in quella stagione e in quella regione rischiano la vita attraversando l'autostrada, si suicida contro il parabrezza del bisonte su ruote. L'impercettibile urto lascia solo un minuscolo residuo sull'enorme parabrezza, ma il motore si spegne e il camion si ferma.

Impossibile direte voi, come può un semplice moscerino che urta un autotreno causarne un danno tale da arrestarne il motore, sarebbe come dire che un elefante schiacciando una formica si spezza una gamba. Ovviamente impossibile dal punto di vista meccanico, ma non dal punto di vista elettronico.
In gergo tecnico si chiamano Single Event Effects (SEE) ovvero come recita il titolo di questo post effetti da singolo evento e si riferiscono a tutti quei comportamenti bizzarri indotti in circuiti elettronici a causa dell'interazione con singole particelle subatomiche. Anche se considerato una forma di danneggiamento da radiazione, gli effetti da singolo evento non sono caratterizzati dal sommarsi di migliaia o milioni di interazioni con radiazioni, ma paradossalmente basta un singolo moscerino per mandare tutto con le gambe per aria.

L'origine di questo problema sta nel fatto che l'elettronica integrata moderna è fatta da migliaia di transistori su una superficie di silicio molto limitata. Quando una particella subatomica si scontra contro il silicio produce una certa quantità di carica elettrica molto concentrata nelle vicinanze del punto di interazione. Negli ultimi anni l'avanzamento della tecnologia elettronica ha portato ad una riduzione sostanziale delle dimensioni dei transistori e delle quantità di carica necessarie per farne cambiare lo stato. Può così capitare che se l'interazione della particella subatomica avviene nel punto "sbagliato" allora, la carica rilasciata può essere in grado di commutare lo stato di un bit oppure di mettere un'intera macchina a stati in una configurazione non prevista rendendo necessario un reset per ripartire.

Ecco perché il mio PC si impalla sempre...

Se il vostro PC si impalla, non accusate le radiazioni, i raggi cosmici e le particelle sub-atomiche. Molto probabilmente è colpa di Windows o dell'utente che è seduto di fronte al monitor. Sulla terra il flusso di raggi cosmici è fortemente attenuato dalla presenza dell'atmosfera e quindi la probabilità di un SEE nel vostro computer o telefonino è molto limitata, ma così non è nello spazio o nei cosiddetti ambienti ostili in cui c'è un forte background di radiazione artificiale.

Al fine di evitare questa tipologia di danni si possono progettare i transistori e i circuiti i mondo da minimizzare le aree sensibili e soprattutto aggiungere ridondanze e meccanismi di giudizio su maggioranza. Mi spiego meglio: anziché avere un solo circuito che deve verificare se una certa cosa è successa o meno, se ne mettono tre e un ulteriore sistema giudicherà l'avvenimento o meno dell'evento se almeno due dei circuiti ha dato risposta positiva.

Qualche tempo fa, partecipando ad una conferenza sui danni da radiazione all'elettronica, ricordo che un esperto ci aveva detto che il nostro portatile non sarebbe nemmeno stato in grado di portare a termine l'operazione di accensione durante un volo sullo shuttle. La scorsa settimana però ho visto i SEE in azione stando con i piedi per incollati a terra. Al lavoro abbiamo preparato un campione fortemente irraggiato per i nostri colleghi di Namur, questa era veramente una bomba e quando siamo giunti con il campione già imballato nei pressi della porta, il sistema elettronico per l'accensione remota dei dosimetri ha cominciato ad andare in palla spegnendosi e riaccendendosi continuamente. Mi auguro che l'aereo che ha trasportato il pacco fino in Belgio fosse dotato di sistemi di ridondanza!