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Techniken zur Selbstheilung

Laptop (Quelle: freeimages.com, Autor: elementa1)

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Vom Sci-Fi-Traum zur Wirklichkeit: Für Computer stehen Technologien parat, die Verschleißprozessen entgegenwirken und Schäden selbsttätig reparieren.

Nicht Action-Arnie ist die Hauptattraktion von Terminator 2, sondern der schier unzerstörbare Bösewicht des Sci-Fi-Kultfilms: der Cyborg T-1000, der sich im Schadensfall selbst heilen kann. So raffinierte Maschinen bauen wir zwar vorerst nicht, aber wir nähern uns einer Zukunft, in der sich Computer selbst reparieren. Noch fehlt ein Gesamtkonzept, doch wie es aussehen könnte, zeigen Entwicklungen in Forschung und Industrie. In aktuellen Geräten stecken schon einzelne Zutaten. Gewöhnt haben wir uns etwa ans Corning Glass vieler Smartphones und Tablets, das kratz- und bruchfest ist, allerdings nicht selbstheilend – im Gegensatz zum neuen G Flex von LG: Dessen Rückseite wurde mit einem speziellen Lack beschichtet, der Kratzer wie von Zauberhand ausbessert – je nach Tiefe funktioniert das sofort oder man muss ein paar Stunden warten. Aber das sind nur Fingerübungen, verglichen mit komplexeren Materialstrukturen in Kabeln und Akkus. Deren Selbstheilung ist Gegenstand der aktuellen Forschung.

Neue Materialien, Chips und Software

In Software bauen deren Entwickler schon länger Reparaturfunktionen ein; auch Windows hat eine Systemwiederherstellung oder lässt sich in seinen Auslieferungszustand zurücksetzen. Nur sind das spätere Behelfsmaßnahmen – in aktuellen Betriebssystemen fehlt eine eingebaute Selbstheilung. Rechner, die Fehler im System erkennen und beheben, werden gerade konzipiert. Am Anfang steht aber die Herausforderung, beschädigte Computerbauteile wie Chips, Leitungen und Transistoren zu reparieren. Hier finden sich vielversprechende Ansätze, die wir vorweg vorstellen.

 

Chips, die nicht mehr ausfallen

Computerchips bestehen aus einer Reihe von elektrischen Leitungen, an die Transistoren – winzige Schaltkreise – angeschlossen sind. Schon kleinste Schäden wie durchgeschmolzene Leiterbahnen machen einen Chip unbrauchbar. Dem kann man mit zwei Strategien entgegenwirken: den Fehler reparieren oder ausgefallene Komponenten notfalls umgehen. Letzteres haben Forscher des California Institute of Technology (Caltech) umgesetzt. Als Chiptyp für ihr Selbstheilungskonzept wählten sie einen Signalverstärker, bestehend aus rund 100.000 Transistoren, wie er in Bewegungssensoren oder zur Satelliten-Kommunikation verwendet wird. Das Gehirn des Chips ist ein "Self Healing"-Rechenkern, auf dem ein Algorithmus den Zustand des Chips und seiner Bauteile ständig überwacht. Seinen Input erhält er von mehreren On-Chip-Sensoren, die Signalstärke, Temperatur und Stromversorgung überprüfen. Um auch größere Schäden zu überstehen, ist der Einbau zusätzlicher Bauteile erforderlich. So befinden sich auf dem Chip zwei parallel geschaltete Verstärkerstufen (Power Amplifier). Läuft etwas schief und ein Bestandteil des Chips fällt aus, verteilt der Algorithmus die Aufgaben einfach auf die noch intakten Bauteile. Er arbeitet mit Taktraten von 50 und 200 MHz und "heilt" somit unterschiedlich schnell – der Prozess dauert entsprechend 0,8 und 0,2 Sekunden.

Regeneration durch Kapseln und Stromstöße

Für defekte Transistoren fehlt ein Reparaturmechanismus, doch Forscher am Beckman Institute der Universität von Illinois haben mittels Mikrokapseln einen Selbstheilungsmechanismus für Chip-Leiterbahnen entwickelt. In den zehn Mikrometer kleinen Kapseln mit Polymerhülle steckt eine bei Zimmertemperatur (ab 16 Grad Celsius) flüssige metallische Legierung aus Gallium und Indium. Die Kapseln werden in einer Schicht aus Epoxidharz über der Leiterbahn aufgetragen. Entsteht ein Riss, öffnet sich eine darüber befindliche Mikrokapsel, die flüssige Legierung kriecht in den Riss und füllt ihn komplett aus. In 99 Prozent aller Fälle fließen schon nach 20 Mikrosekunden wieder Elektronen durch die beschädigte Leitung. Flashzellen in Consumer-SSDs oder Smartphones können rund 10.000 Mal neu beschrieben werden, dann sind sie erschöpft. Schwachpunkt einer Flashzelle ist das Floating Gate, die Schicht, in welcher sie die Elektronen speichert. Damit diese elektrische Ladung nicht einfach verschwindet, ist das Floating Gate von einer Oxidschicht umgeben. Jedes Mal, wenn durch eine angelegte Spannung Elektronen im Floating Gate hinein- oder hinausgespült werden, schwindet auch ein Teil der Oxidschicht. Ist diese irgendwann zu dünn, kann das Floating Gate nichts mehr speichern. Schon länger bekannt ist, dass Hitze die Oxidschicht wieder repariert. Dazu müsste man eine SSD über längere Zeit auf 250 Grad Celsius erhitzen – und dabei ihre Zerstörung in Kauf nehmen. Entwickler des Flash-Herstellers Macronix haben stattdessen einen Erhitzer direkt an jede Flashzelle angebaut; der erhitzt durch einen kurzen Stromstoß das darunterliegende Control Gate auf bis zu 800 Grad und regeneriert die Oxidschicht wieder. Damit lässt sich die Haltbarkeit von Flashzellen so weit verlängern, das sie wohl während der Lebenszeit des SSD-Käufers nicht mehr ausfallen. Selbst nach 100 Millionen Schreibvorgängen zeigen sie keine Anzeichen von Ermüdung.

Materialien, die sich heilen

Nach selbstheilenden Materialien wird heutzutage in vielen Bereichen geforscht, von der Medizin bis zur Luftfahrt. Während die Ergebnisse für Metalle und Keramik überschaubar bleiben, zeigen kohlenstoffbasierte Materialien in Form von Polymeren vielversprechende Resultate. Als Hülle oder Schicht aufgetragen, verschließen sie Brüche und Risse in anderen Materialien. Letztlich heilen sie sich selbst und verschließen dabei den Stoff, in den sie eingebettet sind. So transportieren sie in Form von Mikrokapseln Metalle an die entsprechenden Bruchstellen, brechen dort auf und entlassen das Metall aus ihrer Schale. Aber sie wirken auch als Schutzschild: Wenn sie durch eine äußere Störung in ihre einzelnen Moleküle auseinandergerissen werden, schließen sich die selbstheilenden Polymere danach wieder zusammen – entweder über Wasserstoffbrücken oder ionische Wechselwirkungen. Voraussetzung dabei ist, dass die Molekülketten an der Bruchstelle frei beweglich bleiben und die Lücke zwischen ihnen nicht zu groß ist. Zum Oberflächenschutz werden selbstheilende Polymere wie Polyrotaxan (siehe rechts) seit ein paar Jahren eingesetzt. Neustes Beispiel ist das Smartphone G Flex von LG. Das biegsame Gehäuse ist von einer Schutzschicht umgeben, die kleinere Kratzer, etwa durch einen Schlüsselbund, binnen Minuten wieder verschwinden lässt. Dieser Prozess wird durch Hitze angeregt – mit dem Finger darüberreiben hilft also. Wie dies chemisch genau funktioniert, darüber schweigt sich LG aus. Wahrscheinlich basiert das Material auf dem SeRM Super Polymer A1000 der japanischen Firma Advanced Softmaterials. Es steckt schon seit ein paar Jahren in dem kratzfesten Lack, mit dem Nissan seine Autos lackiert.

Unzerstörbares "Terminator"-Polymer

Neuere Polymere gehen einen Schritt weiter: Sie verbinden sich wieder, wenn man sie komplett durchtrennt – und zwar ohne einen Katalysator wie Hitze. Spanische Wissenschaftler am CIDETEC (Centre for Electrochemical Technologies) haben dieses "Terminator"- Polymer gebaut, dessen Molekülstruktur durch Disulfidbrücken zusammengehalten wird. Bei einem Schnitt werden diese gekappt. Hält man beide Enden nun wieder zusammen, bilden sich die Brücken zwischen den Schwefelatomen neu. Dieses Polymer plus eine als elektrischer Leiter eingesetzte flüssige Indium-Gallium-Legierung ergeben ein selbstheilendes Stromkabel. Forscher an der Universität von North Carolina haben es entwickelt: Wird das Kabel durchtrennt, härtet das flüssige Metall an den Enden. Steckt man dieses Stromkabel wieder zusammen, so verbinden sich Kunststoff und Metall, als wäre nichts geschehen. Selbstheilung ist mehr als Selbstzweck: Effizientere Akkus halten ohne integrierte Reparatur-Technologie nicht lange. In Lithium-Ionen- Akkus würde sich Silizium exzellent als Trägermaterial eignen, um Lithium zu speichern; so ließe sich die Speicherkapazität verzehnfachen. Doch: Das Volumen der Anode verdreifacht sich durch die Lithium- Silizium-Verbindungen (Li15Si4 oder Li21Si5) beim Aufladen, und beim Entladen schrumpft es wieder auf Normalgröße. Dabei reißt die Grafitschicht, in der das Material gespeichert wird. Forscher der Universität Stanford versahen das Grafit mit einer selbstheilenden Polymer-Umhüllung, die die entstandenen Risse wieder heilt.

Systeme, die nie abstürzen

Moderne Betriebssysteme basieren auf mehr als 40 Jahre alten Prinzipien. Ihre Programme bestehen – vereinfacht ausgedrückt – aus einer Reihe von Befehlen, die aufeinander aufbauen und nacheinander ausgeführt werden. Die Kapazitäten von Multi-Core-CPUs kann ein solches Listenmodell kaum ausnutzen. Ähnlich ineffizient geht es mit Malware um: Aktuelle Betriebssysteme haben zwar Sicherheitsmechanismen wie Virenscanner – die wirken aber oft erst, wenn das System schon beschädigt ist. Programme mit einer eingebauten Selbstkorrektur benötigen ein grundlegend anderes Konzept. Forscher wie Peter Bentley vom University College London orientieren sich an der Natur. "Natürliche Prozesse laufen dezentralisiert und fehlertolerant ab, mit der Möglichkeit, sich selbst zu heilen", so Bentley. "Ein Computer sollte das auch können."

Programme, die Fehler ausschließen

Das Prinzip des Systemic Computing (SC) verwirft das Listenmodell. Stattdessen besteht ein SC-Programm aus beliebig vielen Systemen, die man untereinander kombiniert. Jedes System enthält drei Bausteine: zwei Dateninputs und einen Kernel, der rechnet und als Datenoutput fungiert. Jedes System kann man daher wiederum als Dateninput für ein weiteres System nutzen. Insofern ähnelt ein SCProgramm der bekannten russischen Matroschka-Puppe, die mehrere kleinere Ausgaben ihrer selbst enthält. Die Systeme werden möglichst parallel ausgeführt, sodass ein Komplettabsturz praktisch nicht vorkommt. Zudem gibt es mehrere Mechanismen, wenn sich Systeme verrechnen: identische Kopien, die ein Korrektursystem überprüfen sowie verwerfen kann; auch lassen sich Geltungsbereiche für Systeme definieren. Systemic Computing hat zunächst in Nischen eine Chance – vorstellbar sind Anwendungen in Verkehrssystemen oder in der Raumfahrt, wo Fehler tödliche Konsequenzen haben können. Dass sie solche Fehler nicht machen, trauen wir aktuellen Systemen zu Recht nicht zu. Für unsere Rechner machen allerdings auch kleine, simple Fortschritte schon Sinn. HP SureStart, eine Reparaturfunktion für das BIOS, ist so ein Baustein, der eine große Lücke in der aktuellen Sicherheitsarchitektur schließt. HP stattet neuerdings seine Business-Reihen wie die EliteBooks oder die ZBooks mit dieser Technologie aus. Die HP-Notebooks speichern eine Kopie des ursprünglichen BIOS und zusätzlich den Master Boot Record in einem eigenen Speicher. Werden beide zentralen Systemkomponenten zum Beispiel durch Malware korrumpiert, lassen sie sich darüber wiederherstellen. Ein weiteres Problem geht Brendan Eich an, der Technikchef von Mozilla: Er will für den Open-Source-Browser Firefox einen Quellcheck implementieren. Der soll eine Manipulation des Source Codes etwa durch Nachrichtendienste wie die NSA ausschließen. Auch die US-Regierung fördert die Entwicklung zu selbstheilender Software. Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) rief Ende 2013 zu einer Cyber Grand Challenge auf, einem nationalen Wettbewerb zur Entwicklung selbstheilender Systeme, die auch Malware-Attacken überstehen müssen. Den Teilnehmern wird die DARPA in der ersten Runde eine Reihe von unsicheren ausführbaren Dateien geben, in denen die Software der Teilnehmer die Fehler finden und beseitigen soll. Spätestens in der Finalrunde 2016 soll die Selbstheilung dann integriert ablaufen.

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