Linux在辐射下的失效：跨架构COTS SoC中质子诱导故障的内核级表征
操作系统
2026-05-21 v4 硬件体系结构
摘要
Linux正越来越多地部署在低地球轨道上未经辐射设计的商用现货片上系统（COTS SoC）中。电离粒子可触发单粒子功能中断（SEFI），在无预警的情况下使内核崩溃。先前的研究主要测量了板级截面，未能阐明哪些Linux子系统发生故障，以及单次翻转如何跨架构、应力条件和辐照条件传播为操作系统级故障。我们通过将三个Linux平台置于20至58 MeV质子辐照范围内来填补这一空白：一块搭载40 nm平面ARM Cortex A53的Raspberry Pi Zero 2W、一块搭载14 nm FinFET ARM Cortex A53的NXP i.MX 8M Plus，以及一块搭载40 nm VexRiscV RV32I软核的OrangeCrab ECP5 FPGA。通过内核日志取证，我们追溯了所有133次观测到的Linux故障——其中大多数此前未被报道——至其 originating 内核处理程序。故障特征在各节点间差异显著。在两个40 nm平台上，内存管理和驱动处理程序占事件的67%至78%，而在14 nm SoC上约90%的故障通过单条eMMC存储路径汇聚，其中56%为文件系统故障，34%为驱动故障。这表明一个易受SEFI影响的外设可强烈决定系统可靠性。14 nm SoC还表现出约一个数量级更低的Linux SEFI截面，尽管辐照几何和DRAM暴露差异排除了分离工艺缩放的贡献。重构的传播链显示，在严重事件中故障可级联穿过多达六个内核子系统后才导致最终失效。这些结果并非旨在推动全面冗余，而是识别出辐射诱导故障originate的内核子系统边界，从而为加固COTS Linux系统以用于轨道运行提供了针对性缓解措施。
引用
@article{arxiv.2503.03722,
title = {Where Linux Breaks Under Radiation: A Cross-Architecture Kernel-Level Characterization of Proton-Induced Failures in COTS SoCs},
author = {Saad Memon and Rafal Graczyk and Tomasz Rajkowski and Jan Swakon and Damian Wrobel and Sebastian Kusyk and Seth Roffe and Mike Papadakis},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.03722},
year = {2026}
}