ソフトエラー (ソフトエラー) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

ソフトエラー (ソフトエラー) の読み方

日本語表記

ソフトエラー (ソフトエラー)

英語表記

soft error (ソフトエラー)

ソフトエラー (ソフトエラー) の意味や用語解説

ソフトエラーとは、コンピュータシステムを構成する半導体デバイスにおいて、物理的な故障や恒久的な損傷がないにもかかわらず、一時的にデータが変化したり、誤動作が発生したりする現象を指す。これはハードウェア自体が物理的に故障したわけではなく、特定のイベントによって一時的に内部の状態が変化し、それが復旧すると正常に動作に戻るという特性を持つ。そのため、再現性が低く、原因特定が難しい場合が多いが、システムの安定性と信頼性に大きな影響を与える可能性がある。 ソフトエラーの主な発生メカニズムは、宇宙線や地球上の自然放射線、あるいは半導体パッケージに含まれる微量の放射性物質から放出されるアルファ線や中性子線などの高エネルギー粒子が、半導体デバイスの素子に衝突することによって引き起こされる。これらの粒子が半導体デバイス内の特定のメモリセルやレジスタ、フリップフロップなどに衝突すると、その衝突エネルギーによって素子内部の電荷分布が一時的に変化することがある。例えば、通常は「0」または「1」の電荷状態を保持しているメモリセルにおいて、衝突によって電荷が意図せず反転し、「0」が「1」になったり、「1」が「0」になったりする現象、すなわちビット反転が発生する。このビット反転はごく短時間で発生し、その後は元の正常な状態に戻るため、デバイス自体には恒久的なダメージが残らない。ソフトエラーの影響を受けやすいのは、情報が電荷として蓄積されるDRAMなどのメインメモリ、CPU内部のキャッシュメモリやレジスタ、あるいはフリップフロップなど、データの保持や状態管理を行う部分である。 ソフトエラーが発生した場合、システムにはさまざまな異常が生じる。メモリ上のデータが一時的に変化することで、プログラムが誤ったデータを読み込んで計算間違いを引き起こしたり、予期せぬ分岐に進んでしまったりすることがある。これにより、アプリケーションソフトウェアがクラッシュしたり、OSがフリーズしたり、ブルースクリーンエラーが発生したりする原因となる。また、データが破損した状態でストレージに書き込まれてしまうと、データファイルの整合性が損なわれ、後でそのデータを利用しようとした際に問題が発生することもある。しかし、これらの問題は多くの場合、システムを再起動すると解消されるため、ユーザーにとっては「原因不明の一時的な不具合」として認識されがちである。ハードウェアが故障しているわけではないため、部品を交換しても再発する可能性があり、その不確定性がソフトエラーの検出と対処をさらに困難にしている。 ソフトエラーへの対策としては、ハードウェアとソフトウェアの両面からアプローチが取られる。最も一般的なハードウェアレベルの対策は、ECC（Error Correcting Code：誤り訂正符号）メモリの導入である。ECCメモリは、通常のデータに加えて、そのデータが正しいかどうかをチェックし、万が一誤りがあった場合にそれを修正するための追加情報を格納する。この追加情報を使って、メモリコントローラは読み出したデータにビット反転などのエラーがないかを検出し、エラーがあれば自動的に訂正してからCPUに渡すため、ソフトエラーによる影響をほとんどの場合で吸収できる。ECCメモリは、データの信頼性が特に求められるサーバやワークステーションで広く採用されている。他にも、パリティチェックと呼ばれる、データブロック内の「1」の数が偶数か奇数かをチェックすることで、単一ビットのエラーを検出する仕組みもあるが、これはエラーの検出はできるものの訂正はできないため、ECCほどの耐障害性はない。半導体デバイスの製造プロセスにおいても、ソフトエラー耐性を高めるための設計上の工夫がなされている。例えば、メモリセルの電荷保持能力を向上させたり、デバイスを構成するトランジスタのサイズや配置を最適化したりすることで、高エネルギー粒子が衝突してもビット反転が起こりにくいように設計されている。また、外部からの放射線に対しては、シールド材でシステムを覆うことである程度の保護が可能だが、これは限定的な対策となる。ソフトウェアレベルでは、アプリケーションやOSが定期的にデータ整合性をチェックしたり、重要なデータを複数箇所に冗長化して保持したり、あるいはフォールトトレランス（耐障害性）の設計を取り入れて、一部のコンポーネントに障害が発生してもシステム全体が停止しないようにするなどの対策が考えられる。 ソフトエラーは、ハードウェアの物理的な故障とは根本的に異なる点に注意が必要である。物理的な故障は、半導体チップの劣化や製造上の欠陥、あるいは過剰な熱や電圧ストレスなどによって部品自体が損傷し、恒久的にその機能が失われる現象である。これに対し、ソフトエラーは物理的な損傷を伴わず、一時的な状態変化に過ぎないため、原因となる高エネルギー粒子が通り過ぎればデバイスは正常な状態に戻る。したがって、ソフトエラーが原因で発生するシステム障害は、再起動やデータの再読み込みによって解消されることが多い。しかし、その性質上、発生頻度やタイミングが予測不能であり、原因の特定が困難であるため、システムの設計や運用においては、ECCメモリの採用などによる予防策が極めて重要となる。