Khi lỗi máy tính thuộc về những vì sao

Các hạt tích điện cực nhỏ được phóng ra từ những ngôi sao nằm ngoài Hệ Mặt trời tiếp cận Trái đất và va vào những thiết bị quanh ta từng ngày. Không hình không tiếng, nhưng chúng có đủ sức mạnh để gây ra hiện tượng cực hiếm mà cho đến nay giới khoa học vẫn chưa thể giải thích đầy đủ: bit flip.

Bit không chân cũng biết "đi lạc"

Máy tính, điện thoại cũng như mọi thiết bị điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý cốt lõi: trạng thái bật hay tắt của những đơn vị tính toán nhỏ nhất - bit. Mọi mệnh lệnh hoặc thao tác từ người dùng đều được phiên dịch thành dãy nhị phân các bit được biểu diễn bằng ký số "0" và "1" - thứ ngôn ngữ duy nhất máy tính hiểu và thực thi được.

Bit flip (tạm dịch: bit đi lạc) là thuật ngữ miêu tả hiện tượng xảy ra khi một bit bất kỳ trong chương trình máy tính đột ngột thay đổi trạng thái - từ "0" thành "1" hoặc ngược lại - do tác động môi trường nằm ngoài kiểm soát của phần mềm. Bức xạ vũ trụ và sự dao động về công suất hoặc nhiệt độ là những nguyên nhân tự nhiên phổ biến nhất gây nên hiện tượng bit flip, theo trang tin công nghệ Ars Technica.

"Bit flip đang trở nên phổ biến hơn vì các bộ vi xử lý ngày càng nhỏ và tiết kiệm năng lượng: chương trình cần càng ít năng lượng để thiết lập trạng thái một bit có chủ đích, thì cũng cần càng ít năng lượng để bức xạ vũ trụ có thể vô tình thay đổi bit ấy" - TS John Cook, chuyên gia về bảo mật dữ liệu và máy tính, viết trên blog cá nhân.

Tỉ lệ sai sót 1 trên hàng tỉ bit nghe có vẻ không to tát, nhưng đối với máy móc thì thay đổi nhỏ này có thể là sự khác biệt giữa vận hành trơn tru và thảm họa. Trật 1 bit có thể khiến các thiết bị điện tử không làm tốt việc chúng cần làm, hoặc tệ hơn nữa là làm những việc mà đáng lẽ ra chúng không được phép làm.

Lấy ví dụ về sự cố hi hữu trong một cuộc bầu cử ở Bỉ năm 2003. Tại một điểm bỏ phiếu ở thủ đô Brussels, một ứng viên đã nhận được 4.096 phiếu bầu từ trên trời rơi xuống do máy tính… tự cộng thêm vào kết quả. Sự vụ chỉ được phát hiện do tổng số phiếu người này nhận được còn nhiều hơn số cử tri tại đơn vị bầu cử ấy.

Sau khi loại trừ lỗi phần mềm và khả năng xảy ra gian lận phiếu bầu, nhà chức trách đi đến kết luận một sự kiện bit flip do bức xạ vũ trụ gây ra là lời giải thích hợp lý duy nhất cho số phiếu bầu khó hiểu kia. Dù không có bằng chứng vững chắc, suy đoán này là hoàn toàn có cơ sở: con số 4.096 đúng bằng 212, nghĩa là bit thứ 13 trong dãy nhị phân biểu diễn số phiếu bầu đã bằng cách nào đó bị "bật" từ 0 sang 1.

Lệch bit, chết người

Năm 2009, một sự cố do bit flip khác lại xảy ra. Năm đó, hãng xe Toyota đã phải triệu hồi hơn 9 triệu xe trên toàn thế giới vì lỗi tăng tốc đột ngột không theo ý muốn, trong khi người lái cũng không thể sử dụng phanh vì toàn bộ điều khiển đều đã được máy tính hóa. Lần này hậu quả không còn chỉ nằm trên những con số máy tính vô tri: nhiều vụ tai nạn đã xảy ra dẫn đến chết người.

Một người đi tù sau khi điều khiển chiếc Toyota lao vào người đi đường nhưng sau đó được xóa án vì chứng minh được tai nạn nằm ngoài tầm kiểm soát, theo một podcast của Radiolab. Khi các chuyên gia điều tra vào cuộc, họ nhận thấy nhiều vấn đề trong số các lỗi được báo cáo của xe đều xuất phát từ một sự kiện bit flip, theo trang Business Insider.

TS Marie Moe ở Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy (NTNU) từng có trải nghiệm "hú hồn" với bit flip năm 2016, khi nó khiến máy điều hòa nhịp tim mà cô mang theo trên người đập mạnh bất thường - cảm tưởng có thể nhìn thấy từng cơn co thắt của tim từ bên ngoài lồng ngực - trong lúc cô đang ngồi trên máy bay cách mặt đất hàng chục km.

Khi chuyến bay hạ cánh tại sân bay Amsterdam 20 phút sau đó, xe cứu thương đã đợi sẵn để chuyển Moe đến bệnh viện gần nhất nơi cô được can thiệp y tế. Một kỹ thuật viên chuyên về máy tạo nhịp tim sớm tìm ra vấn đề: dữ liệu lưu trữ bên trong chiếc máy tính tí hon của thiết bị này bằng cách nào đó đã bị hỏng, dù người này không thể đưa ra lời giải thích hợp lý vì sao nó lại hỏng.

Nhưng với Moe, một nhà nghiên cứu về an ninh mạng, kẻ tình nghi hàng đầu đến từ bên ngoài không gian: các hạt kích thước nhỏ hơn nguyên tử va vào nhau trong bầu khí quyển Trái đất cho đến khi một trong số chúng va phải máy tạo nhịp tim của cô ngay giữa chuyến bay. Vụ va chạm gây mất cân bằng điện và làm thay đổi bộ nhớ của thiết bị.

Bức xạ vũ trụ tăng dần theo độ cao, do bầu khí quyển đã giúp che chắn chúng ta phần nào khỏi ảnh hưởng của nó. Năm 2008, một máy bay của hãng Qantas Airways khi bay ngang qua khu vực Tây Úc đã đột ngột giảm độ cao hai lần trong vòng 10 phút khiến hàng chục hành khách bị thương.

Một cuộc điều tra của Cục An toàn giao thông vận tải Úc cho thấy trước khi máy bay có hành vi bất thường, hệ thống lái tự động đã tính toán sai góc và kích hoạt việc chúc mũi máy bay xuống để cân bằng.

Dù báo cáo nhận xét "không có đủ bằng chứng để khẳng định liệu một hạt ion hóa làm thay đổi dữ liệu máy tính có thể đã kích hoạt chế độ này hay không", đây là lý giải khả dĩ nhất sau khi các nguyên nhân khác được đánh giá từ "ít khả năng" cho đến "rất ít khả năng" xảy ra. "Không cách gì khẳng định một cách chắc chắn rằng các tia vũ trụ là thủ phạm của một sự cố cụ thể, bởi chúng không để lại dấu vết gì" - BBC giải thích.

Đáng sợ, nhưng không quá lo

"Trong một thế giới mà các phương tiện tự hành hoàn toàn ngày càng phổ biến, làm thế nào để chứng minh tai nạn giao thông xảy ra là do bức xạ vũ trụ?" - TS Paolo Rech của ĐH Trento (Ý) đặt vấn đề.

Rech và các cộng sự đang tiến hành thí nghiệm bắn các hạt nơtron với cường độ gấp 100 triệu lần tần suất tự nhiên vào thiết bị điện tử và theo dõi hiện tượng bit flip xảy ra. "Thay vì chờ đợi nhiều tháng hoặc hàng năm trời, bạn có thể tạo ra lỗi bit flip trong vài giây hoặc vài phút" - ông giải thích.

Thí nghiệm của nhóm ông còn chỉ ra một mối nguy tiềm tàng khác: Trên lý thuyết, các hệ thống máy tính trọng yếu như ngân hàng hay quân sự có thể bị tấn công bit flip bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt bắn thẳng vào chúng, dù điều này cực kỳ tốn kém và không dễ tiến hành thành công trong thực tế.

Vậy bit flip có phải là hiểm họa lơ lửng trên đầu nhân loại chỉ chực chờ giáng xuống đầu ta lúc nào không biết? Theo các chuyên gia thì không có quá nhiều lý do để bi quan, nhất là khi giới công nghệ và khoa học đã biết về bức xạ vũ trụ từ những năm 1960.

Các sự cố được nêu ở trên xảy ra trong thời kỳ chuyển giao giữa công nghệ analog và kỹ thuật số, khi các ảnh hưởng của tia vũ trụ lên đồ điện tử còn chưa được nghiên cứu cặn kẽ. Ngày nay, bit flip có thể vẫn là rủi ro tiềm ẩn nhưng nhân loại đã có sự chuẩn bị tốt hơn. Có khoảng 50 trạm giám sát nơtron đang hoạt động trên thế giới để cảnh báo sớm nếu phát hiện bất thường.

Các công ty trong lĩnh vực vũ trụ, quốc phòng, hàng không và điện tử tiêu dùng cũng như các nhà sản xuất chip, công nghiệp ôtô, công nghiệp truyền thông, cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin... đều đã nhận thức được tác động của tia vũ trụ và đã làm việc với các nhà nghiên cứu để thực hiện các biện pháp an toàn và giảm thiểu rủi ro, theo TS Bhuva.

Ngày nay, rủi ro từ bức xạ vũ trụ được quản lý tốt đến mức người dùng gần như không còn ý thức được sự tồn tại của chúng. Nếu không có sự kiểm soát này, "các thiết bị điện tử mà chúng ta dùng hằng ngày đã đối mặt với đủ loại vấn đề" - ông giải thích.

Nhà phân tích công nghệ Avi Greengart nói với Business Insider rằng ông đã tư vấn cho nhiều công ty và tia vũ trụ chưa bao giờ xuất hiện trong nội dung thảo luận. Bit flip là một dạng rủi ro phải "đúng nơi, đúng thời điểm" mới có thể gây họa, mà cơ hội để các tia vũ trụ thay đổi trạng thái các bit trong thiết bị điện tử của chúng ta là rất thưa thớt và ngẫu nhiên.

Cho đến nay, rất ít thảm họa lớn đã được ghi nhận là do tia vũ trụ gây ra, ít nhất là theo khả năng hiểu biết hiện tại của nhân loại. Ngay cả trong những trường hợp đang bị nghi vấn, không ai dám nói chắc rằng bức xạ vũ trụ thật sự là nguyên nhân của bất kỳ sự cố nào mà chỉ dừng lại là một lời giải thích hợp lý cho sự cố đó.

GS Bhuva cũng cho rằng bit flip không phải là rắc rối mà hầu hết chúng ta trải nghiệm một cách thường xuyên, nếu có trải qua thì chưa chắc đã nhận ra. Một thiết bị điện tử có thể giở chứng trong giây lát do bit flip, nhưng hẳn ai cũng sẽ xem đó như một trục trặc ngẫu nhiên không dính dáng tới vũ trụ. Dù gì thì đồ điện tử mà không hư hỏng lặt vặt thì mới là lạ, không phải sao?■

Máy tính chỉ hiểu các chỉ dẫn logic mà chúng nhận được - "1" và "0" - để biểu thị "có" hoặc "không". Việc "có" có thể được chuyển thành "không" một cách âm thầm và ngẫu nhiên vào bất kỳ thời điểm nào là một viễn cảnh đáng sợ khi con người ngày càng phụ thuộc và giao nhiều nhiệm vụ cho máy tính. "Đây là một mối lo ngại lớn. Bạn không thể ngăn chặn nơtron trừ khi dựng lên bức tường bê tông dày 3 mét ngay trước điện thoại di động hoặc máy tính xách tay của mình" - TS Bharat Bhuva của Đại học Vanderbilt (Mỹ) nói với Business Insider. Điều này đồng nghĩa chúng ta không cách nào chạy thoát khỏi bức xạ vũ trụ.