- 2015年2月、Peter Onionは新しい Raspberry Pi 2 を撮影しているとき、フラッシュが光るたびにボードが即座に電源断する現象を発見し、フォーラムでの集団実験によって原因が絞り込まれた
- 単なるカメラの問題ではなく、キセノンフラッシュやレーザーポインターのような強い光でのみ再現し、特定の部品を覆ったりボードを裏返したりすると問題は消えた
- 脆弱な箇所はUSBコネクタとHDMIポートの間にある U16電源レギュレータ で、WL-CSPパッケージングにより露出したシリコンが光電効果を起こし、電圧調整回路を揺さぶっていた
- 一時的な対策は、U16をBlu-Tack、絶縁テープ、パテのような 不透明な素材 で覆う方法で、2015年後半のPi 2ハードウェアリビジョン1.2で電源管理構造が変更され解決された
- この事例は、小型化とコスト削減に有利な チップスケールパッケージング が、従来の検証では見落とされやすい光学的干渉による故障モードを生み得ることを示した
フラッシュ一発で電源が落ちたRaspberry Pi 2
- Peter Onionは2015年2月、新しい Raspberry Pi 2 を撮影している最中、カメラのフラッシュが光るたびにPiが即座に電源断する現象を経験した
- 最初は偶然だと思ったが、3回連続で同じことが起きたため、Raspberry Piフォーラムに「Why is the PI2 camera-shy?」というタイトルで投稿した
- Peter OnionはRaspberry Piコミュニティの古くからのメンバーで、CambridgeやBletchleyのRaspberry Jamに頻繁に参加していたユーザーだったため、コミュニティはすばやく実験に乗り出した
LEDではなくキセノンフラッシュが手がかりに
- フォーラムのユーザーたちは、複数のカメラや光源を変えながら再現条件を絞り込んでいった
- ユーザー「jdb」は、Samsung Note2のLEDフラッシュ では問題がない一方、Samsung K Zoomのキセノンフラッシュ ではPi 2が安定して電源断するという違いを発見した
- この違いにより、原因はカメラを使うこと自体ではなく、特定の強度と性質を持つ光に絞り込まれた
問題の部品はU16電源レギュレータ
- 当初はメインプロセッサチップが疑われたが、Blu-Tackでプロセッサを覆っても問題は解決しなかった
- Piを裏返すとフラッシュの影響を受けなかったため、光がボード上の特定部品に直接当たる必要があることが確認された
- 体系的なテストの結果、USBコネクタとHDMIポートの間にある小さな U16電源供給レギュレータ が脆弱な箇所として特定された
- U16だけをBlu-Tackで覆うとクラッシュは完全に止まり、問題は電気的な接触ではなく 光学的な露出 に由来すると整理された
WL-CSPと光電効果が作ったシャットダウン条件
- U16チップは Wafer-Level Chip Scale Packaging（WL-CSP） を使用していた
- はんだボールがシリコンダイに直接取り付けられ、回路基板に実装される形態である
- 不透明なプラスチックで包む従来のパッケージングと異なり、WL-CSPは小型化を優先するため保護が少ない
- 露出したシリコンに高強度の光が当たると 光電効果 が発生する
- 高エネルギーの光子が半導体内に予期しない電子の流れを作り、電圧調整回路を乱して即座のシャットダウンにつながる
- 強度のしきい値が重要な条件だった
- 一般的なLEDカメラフラッシュは十分な光子を生み出せない
- キセノンフラッシュとレーザーポインターは、誤動作を引き起こすほど強い
- 赤外線と可視光も非常に高い強度では問題になり得るが、シリコンの特定のバンドギャップエネルギーが条件として作用する
すでに存在していた光学的干渉の事例
- Raspberry Pi 2の事件は大きな注目を集めたが、似た 光学的干渉 の問題は半導体業界にはすでに存在していた
- EDN Networkのあるエンジニアは、12年前に携帯電話プロトタイプ用の CSPアンプ で同じ問題を経験していた
- 携帯電話自身のカメラフラッシュの光がチップパッケージを通過すると、アンプ出力が跳ねる現象が発生した
- 1997年、Connecticutの Haddam Neck原子力発電所 でも類似の事件があった
- 訓練部門のメンバーが火災検知パネルをフラッシュ撮影した
- カメラフラッシュがEPROMチップを誤認させ、火災が起きたかのように見せ、数秒以内にHalon消火システムが作動した
- 運転員たちはガスが抜けるまで35分間、制御室を離れなければならなかった
- こうした事例は、半導体が小さくなり露出するほど、従来のテストでは考慮しない光学的干渉に脆弱になり得ることを示している
一時的な遮光とハードウェアリビジョン
- すぐに取れる解決策は、U16チップを光を通さない素材で覆うことだった
- Raspberry Pi Foundationは Blu-Tack、絶縁テープ、パテのような不透明な素材を推奨した
- 敏感な半導体に光が当たらないようにしつつ、通常の電気的動作は維持する方法である
- 根本的な解決は、2015年後半に発売された Pi 2ハードウェアリビジョン1.2 で行われた
- 単なる遮光ではなく、Pi 3にも使われたBCM2837システムオンチップを用いる別の電源管理構造が導入された
- より優れた回路設計により、光学的な感度が取り除かれた
- テストの結果、以前のRaspberry PiモデルであるA、B、A+、B+は「xenon death flash」に脆弱ではなく、この問題は Generation 2固有の問題 だった
現代の電子設計が見落としやすい故障モード
- より小さく、より安価な部品を求める設計上の圧力が、従来のテストでは考慮しない故障モードを作り出すことがある
- 標準的な電磁両立性テストは無線干渉を扱うが、写真撮影でコンピュータの電源が落ちるかまで確認する検証は一般的ではない
- WL-CSPのような チップスケールパッケージング は小型で強力なデバイスを可能にするが、実質的にはシリコンダイを最小限の保護だけで回路基板に載せる方式である
- コストとサイズの利点は、環境に対する堅牢性の低下を伴うことがある
- キセノンフラッシュカメラが露出した電源調整チップに向けられるという組み合わせは、一般的な検証シナリオの外にあった
「愛らしいバグ」が残した教育的価値
- Raspberry Pi Foundationはこの事件を透明性をもって扱い、「私たちが見た中で最も愛らしいバグ」と呼び、これを 光電効果 についての物理の授業へと転換した
- この脆弱性は、物理原理が実際の技術にどのように作用するかを示す電子工学の授業用事例になった
- 学生たちはコンピュータを撮影すると電源が落ちる場面を通じて、光電効果を直接見ることができた
- 半導体設計において 光学的干渉 をより意識させる事例として残った
- Raspberry Piフォーラムの対応は、奇妙なバグが現れたとき、複数ユーザーによる実験と協力が原因究明に効果的であり得ることを示した
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
WLCSP部品の光感受性は、コミュニティが「発見」したものではない
WLCSP部品のデータシートには通常、光感受性が明記されており、光が部品にどのような影響を与え得るかもデータとして示されている
これはWLCSPの初期から知られていたことで、責任あるエンジニアなら設計パラメータとして扱う
シリコンチップは事実上、多数の小さな太陽電池接合でできているため光に敏感で、WLCSPチップはほとんどパッケージされていないシリコンチップに近い
トランジスタのキャップを外して光検出器や太陽電池のように使うことも昔から行われており、初期のフォトトランジスタも窓付きの缶に入った標準的なNPN部品だった
保護されていないPCBにWLCSP部品を載せ、光感受性が許容されない設計にしているなら、それは未熟なミスであり、シニアエンジニアの監督が必要だ
何百万台もの機器に部品を載せる前に、データシートを読むことと半導体接合の動作を理解することは基本的な責任だ
付け加えると、記事自体は興味深いが、冗長なリズムと続く要約のせいで、LLMの出力が使われたか、強く混ざっているように感じる
発見されたのは、WLCSP部品が光に敏感だという事実ではなく、Raspberry Pi 2が光に敏感だったという事実だ
ほとんどのPCBは、消費者に露出した裸のPCBという形では配布されないため、こうした問題がエンドユーザーに表面化することはまれだ
WLCSPの光感受性は、露出したPCBと非常に強い特定の光源、この場合はXenonフラッシュが組み合わさって起きるまれな現象なので、大げさに扱うことではない
Raspberry Piが出てくるとすぐに、エンジニアを「ハック水準」や「初心者」と呼びたがる雰囲気があるが、これは本当にまれなエッジケースだ
その部品のデータシートに光感受性がまったく書かれていなかったとしても驚かない
「文献で主張されている光感受性回路の保護は現実的な懸念ではない。シリコンは長波長の光に対してのみ透明であり、それはWLCSPの広範な応用でほとんど遭遇しないためである」
https://web.archive.org/web/20150210111428/https://www.fairc...
過去にも、プラスチック封止にカーボンブラックが十分含まれていなかったために光感受性部品になった例があり、一部の古い部品では茶色のプラスチックパッケージが十分に不透明ではなかった
何十年も前からある問題だ
[1] https://electronics.stackexchange.com/questions/217423/ics-c...
ほとんどのCSPデバイスには、チップ上面を大半の光から守る背面コーティングがあるため、光感受性は主にデバイスの端部や下側からの反射に残る
問題のあるものもあるが、すべてのWLCSPデバイスに本質的な問題というより、概ね設計上の欠陥に近いと思う
作るデバイスの種類にもよる。基本的なデジタルロジック、プロセッサ、電力部品は、光によって意味のある問題が起きるべきではない
通常問題になるのはバンドギャップ回路や発振器の光感受性で、チップ配置の変更で緩和できる
つまり、その部品がそのパッケージでしか出ていない、あるいはQFNより小さいものが欲しくて、ピンを目視検査できない点を受け入れられるなら選ぶ、という程度だった
高速信号やRFを扱わないなら、普通は回路網とフットプリントの抽象化だけで済ませられる
こういう問題がなぜ見落とされ得るのかも理解できる。1枚の基板には部品が多く、データシートは長く、普通はプロトコル説明、ピンマップ、リファレンス配置、電圧許容値といった重要な部分を拾い読みすることに慣れてしまう
細かい文字まで読んでいれば防げただろうが、読み飛ばすこともある程度は正当化できる。ただし、これほど大量生産される機器なら、その正当性は薄くなるだろう
著者がHNを読んでいるなら、文章スタイルがかなり気になったと伝えたい
実際の説明にはあまり役に立たない妙な情報、たとえば「アインシュタインが説明してノーベル賞を受けたのと同じ現象」のような文句が挟まれたり、「Blu-Tack（本当に）」や「コミュニティの信頼」という語りのように、実際よりもドラマチックに見せるやり方が多かった
紹介ページにはLLMを執筆補助に使っていると書かれていたが、もう少し依存を減らすか、少なくとも出力をもっと批判的に見てほしい
興味と苛立ちを行き来しながらブログ記事を読んで、ここまでじれったく感じたことはなかった
レポートというより物語として読んだので、より楽しめた
すべての文章がますます似たように聞こえ、単調になっている
序盤はよかったが、結論に至るころにはひどく単調だった
ただし、LLMとチャットする代わりに、AIが特定のテーマの検索結果を望む形式で見せてくれる方式は考えてみる価値がある
たとえば、こういう軽い記事、TikTok風クリップ、YouTube、ポッドキャスト、「事実だけ」といった形式に合わせるようなものだ
機械やUIが作ったものだとはっきりしているなら、LLM出力もそこまで嫌ではない
もう一つの古典的なハードウェア欠陥として、iPhoneはヘリウムに弱いという事例がある
[1] https://www.ifixit.com/News/11986/iphones-are-allergic-to-he...
誠実に検討したエンジニアでも、MEMSの製造プロセスに詳しくなければ見落とし得たし、そのプロセスは公開されるまで広く知られていなかった
それでも部品メーカーの立場からすれば驚きではなかったはず。初期調整に校正済みのガス混合物を使うのは、標準的な設計段階だから
https://www.youtube.com/watch?v=vvzWaVvB908
偶数番号のRaspberry Piモデルには、それぞれハードウェア変更で「修正」しなければならなかった興味深いクセがあった
Pi 2にはカメラのフラッシュで再起動する問題があり、Pi 4にはUSB-C充電回路の実装ミスにより、多くのPDアダプターが給電できない問題があった
元のモデルはどちらも今も持っていて使っているが、ハードウェア欠陥が問題になるのは特定の状況だけだった
Pi 5には特殊な5V / 5A要件があるが、高電力のUSBアクセサリを使わず、まともな電源アダプターがあれば5V / 3Aでも問題なく動作する
ただし、Pi 2/4規模のハードウェアレベルの妙な欠陥はまだない
そこで疑問はこれだ。Pi 6では何になるのか？
[1] https://hackaday.com/2019/07/16/exploring-the-raspberry-pi-4...
すべてのモデルにはmicroSDの寿命問題もあり、PoE HATにも問題があった
すべてのPiモデルに共通するのは、オンボードの電源回路がかなり単純か、そもそも欠けている点だ
どこかで、これがEU/UK規制に関係している可能性があると見た気がする。そうでなければ裸のボードを消費者向け製品として売れない、という規定のためだという内容だったが、似た話を読んだり聞いたりした人がいるのか気になる
記憶では、内蔵マグネティクス付きのジャックが必要だったのに、間違った部品が実装されていたように思う
あの頃と比べると本当に遠くまで来た
面白い事実：半導体効果はしばしば可逆的である
発光ダイオードは効率の悪い太陽光パネルであり、その逆も成り立つ
ここで関係する理由は、高強度の赤外線で接合を刺激できるのと同じ効果が、逆向きにも起こるためだ
刺激された接合は赤外線を放出し、パッケージが十分に薄ければそれを検出できる
適切なカメラがあれば、理論上はチップ内で特定の接合が活性化する様子を撮影することもできる
ただし実際には効率の問題で難しく、1つの接合がクロック周期あたり何個の光子を出すのかは分からないが、多くはないはずだ
その光子がパッケージの外へ出てセンサーに捉えられなければならないので、有用な信号を得るにはチップをかなり過電圧で駆動するか、クロックを下げる必要がありそうだ
だからどれほど「機能的な」テストになるのかは分からない。これを商用化しようとしていた会社の名前を思い出せればよいのだが
発電機から出発して考えれば納得できるが、DCモーターを「逆向き」に先に使ってみた立場からすると、かなり直感に反していた
最初の職場で多くの時間を失わせたSPARC CPUのキャッシュ破損問題を思い出す
チップパッケージング中の不純物が放射性崩壊を起こしたことで発生したものだった
補聴器に格好いい半透明カバーを付けたとき、同じ問題があった
日光が特定の角度で入ったりフラッシュが光ったりするとノイズが出たのだが、誰も信じてくれなかった
「tiger cruise」に持っていったDV Camで遭遇した奇妙な問題を思い出す
tiger cruiseとは、空母が任務を終えて戻る途中に家族を艦に乗せて訪問させる行事で、私たちはHonoluluからSan Diegoまで乗船した
甲板にいると映像が3秒ごとに乱れ、すぐにレーダーアレイの回転と正確に同期していることが分かった
何らかの放射線が原因だと見て、携帯電話をレーダーアレイと磁気ヘッドの間に、バッテリー、つまり重金属の入った部分が来るよう傾けて持てば、映像が3秒ごとに途切れなくなるはずだと推論した
本当にうまくいった
当時のHNスレッド: https://news.ycombinator.com/item?id=9015663
強度のしきい値が核心だった
一般的なLEDカメラフラッシュは十分な光子を作れなかったが、Xenonフラッシュとレーザーポインターは誤動作を起こすのに十分な強さだった
さらに興味深いのは、この効果がシリコンの特定のバンドギャップエネルギーを必要としたことだ
つまり赤外線と可視光は潜在的に問題を起こし得るが、極端な強度でのみ可能という意味だ
記事は強度と波長を混同しているように見える。非線形多光子吸収の話でない限り、それは強力な超高速レーザーパルスでようやく達成できるものだ