宇宙中的“杀手”

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假如你在高空飞机上使用手提电脑，那么每隔5个小时就有可能发生一次死机。未来10年，这种死机的频率可能继续上升为每20分钟一次。而在空旷的野外，手提电脑的死机情况也一样不容乐观。如果有人告诉你，是一种来自宇宙深处的射线击中了你的手提电脑，从而导致死机。你一定会认为这有点像天方夜谭。但事实的确如此，一颗宇宙微粒在经过你身边时，恰好击中了你的电脑。

它们能穿墙透壁

当特别剧烈的宇宙事件（例如超新星爆炸）发生时，所产生的高能粒子，会和在离地面几十千米的氧和氮发生强烈反应。这些粒子中包括质子、电子、介子和中子。在它们疯狂存在的10多分钟里，中子将以1/10～3/4的光速向各个方向扩散，其强度随着海拔的下降而减弱：从10千米高处的每小时每平方厘米1万个下降到海平面处的每小时每平方厘米10个。这些具有100万～1亿电子伏特能量的中子，能够穿透建筑物和交通工具，到达所有的电子设备。在由自然辐射产生的诸多微粒中，中子是造成地球上90%的电子问题的罪魁祸首。

早在20世纪70年代的航空领域，科学家已经发现并证实，自然辐射对人造卫星的电子元件有破坏作用，而宇宙射线、重离子的破环性尤为严重。80年代后期，航空电子学专家开始关注自然辐射对飞行安全的威胁。他们发现，来自宇宙的中子确确实实能诱使飞机上的电子设备发生故障。而从2000年以来，由于晶体管的微型化，这种问题变得越来越突出，情况也越来越糟糕。或许，有人会产生疑问：仅仅一个中子就能干扰像微处理器或电脑内存这样复杂的电子部件？我们知道“比特”是最基本的信息记录单位，从2000年开始，每1个到达晶体管的中子都有可能使1比特的信息发生改变。

各行各业受到威胁

今天，在我们的生活中，使用微电子产品的机会越来越多了：汽车、火车、电脑、手机、医疗设备、信息服务器、股票交易……

由于中子的流量在高空中要更大，所以第一个受到巨大威胁是航天业。中子可以以接近光速的速度飞行，这种高能粒子束携带的能量，可能比拍个X光片的辐射剂量大1 000倍，因此杀伤力巨大。美国宇航局的专家研究后认为，中子不仅可以对作业宇航员造成过量辐射，还会损害宇航员赖以生存的宇宙飞船的某些部件。它们穿过宇宙飞船外壁后会聚积并产生较强的电压差，进而损害一些敏感的半导体元件。中子流还会影响宇宙飞船太阳能电池的工作，造成飞船供能障碍。

现在，飞机也成为中子危害的主要对象。在飞机航行的高度，中子流的强度是海平面的1 000倍。国际电子技术委员会为此颁布了许多安全标准，规定每个元件每小时的故障率必须小于10-7，飞机制造商必须安装1～2套备用机载电子系统。由于无法观察到中子的蛛丝马迹，因此也无法找到故障的真正原因，于是航空人员不得不在仓库里存放大量备用部件和设备，而这些部件和设备常常要积压大量的资金。

另一个受到巨大威胁的领域是铁路。现在的铁路机车使用了大量电子设备来提高行驶速度，其中一些元器件对中子很敏感，这是因为它们的体积大，要承受的电压更高、电流更大。最近10多年中，由于这类元件被中子击中而导致高速列车的机车被拖回工厂修理的情况已屡见不鲜。

现在，汽车使用的车载电子系统越来越多，出现问题的地方也越来越多。如安全气囊意外打开、制动系统不灵等。此外，手机生产商、互联网服务商和其他一些大的信息网络也都面临同样的问题。在某些情况下，由中子引发的故障和事故明显地让人感到担忧。比如在国外，就发生过心脏起搏器和心颤消除器被中子损坏的事件。中子使这些医疗精密设备变得异常脆弱。总之，全世界所有的电子系统都面临着这一巨大威胁。

元件微型化是主因

宇宙大气里的中子会严重干扰电子产品的电路，无论是电脑、电话还是车载电子设备，没有什么能够逃过这些看不见摸不着的微粒的侵害。而电子元件日益微型化的趋势，则使它们在这一威胁面前显得越加脆弱。随着电子元件的微型化，晶体管变得越来越小，能耗变得越来越低，而电荷的转移也越来越快。随之而来的后果就是：晶体管中用于基础信息转换的能量越来越少，甚至有的只需几十飞库（1飞库=10-15库仑），是10年前的1/10。这样一来，仅仅一个中子所带的能量就足够造成硅芯片的紊乱。更严重的，还能造成暂时短路并且使元件完全熔化。上述原因直接导致电路故障的次数不断上升，逻辑错误的频率越来越高，甚至到了令人难以接受的地步。

这种危害对存储器显得尤为突出。存储器由大量晶体管组成。现在的存储器容量越来越大，这就意味着在同等面积上会有越来越多的晶体管，那么它们和中子相撞的可能性也就越来越大，如此一来，电路出错的概率就会大大增加。从统计角度来看，电子设备因此发生故障的频率将会变得越来越高。即使一个中子每小时只有亿分之一的机会撞击到一个晶体管，只有万分之一的机会使该晶体管遭到破坏，则发生故障的机率就是万亿分之一。但我们知道，每个存储器由将近10亿个晶体管组成，那么，整台计算机的出错概率就是每天1次了。如果将这个数字乘以全世界的人每天使用的电子设备的数量，这种情况就不容忽视了。

解决代价昂贵

值得高兴的是，与大气中子有关的问题现在已经弄清楚了，相关的预防措施也已经研究出来了。水和混凝土中富含氢原子，是最好的抗中子的物质和屏障，所以，最有效的办法就是在交通工具上覆盖一层混凝土或是将电子设备浸入水中。不过，这样一来，这些工具和设备能否正常运转又是一个问题了。

当然，还有许多更实际一些的方法，大致可以分为两类：材料方面的方法和软件方面的方法。前一类方法是从物理角度降低电子元件对中子的敏感度，比如不同的外观设计、原子掺杂等，都是可行的办法，但是代价昂贵。后一类办法是指研究使用能够检测到一定数量的错误，并且能直接对它们进行修正的软件。不过，要检验这些方法的有效性还需时日。不管怎样，因大气中子而引起的故障问题已引起人们的注意。对于那些追求“零错误”的研究人员和工程师们来说，这是一个越来越棘手的问题。