- Im Februar 2015 entdeckte Peter Onion beim Fotografieren seines neuen Raspberry Pi 2, dass sich das Board bei jedem Kamera-Blitz sofort ausschaltete; durch gemeinsame Experimente im Forum wurde die Ursache eingegrenzt
- Es handelte sich nicht um ein simples Kameraproblem, sondern ließ sich nur mit Xenon-Blitzen und starkem Licht wie bei Laserpointern reproduzieren; wurde ein bestimmtes Bauteil abgedeckt oder das Board umgedreht, verschwand das Problem
- Die Schwachstelle war der U16-Spannungsregler zwischen USB-Anschluss und HDMI-Port; durch das WL-CSP-Package verursachte freiliegendes Silizium einen photoelektrischen Effekt, der die Spannungsregelung störte
- Als provisorische Maßnahme wurde U16 mit undurchsichtigem Material wie Blu-Tack, Isolierband oder Knetmasse abgedeckt; Ende 2015 wurde das Problem mit Hardware-Revision 1.2 des Pi 2 durch eine geänderte Power-Management-Struktur behoben
- Der Fall zeigte, dass Chip-Scale-Packaging, das für Miniaturisierung und Kostensenkung vorteilhaft ist, optische Interferenz-Fehlermodi erzeugen kann, die bei herkömmlicher Validierung leicht übersehen werden
Raspberry Pi 2 schaltet sich nach einem einzigen Blitz aus
- Peter Onion erlebte im Februar 2015 beim Fotografieren seines neuen Raspberry Pi 2, dass sich der Pi bei jedem Kamera-Blitz sofort ausschaltete
- Zunächst hielt er es für Zufall, doch nachdem dasselbe dreimal hintereinander passierte, veröffentlichte er im Raspberry-Pi-Forum einen Beitrag mit dem Titel „Why is the PI2 camera-shy?”
- Da Peter Onion ein langjähriges Mitglied der Raspberry-Pi-Community und regelmäßiger Teilnehmer der Raspberry Jams in Cambridge und Bletchley war, begann die Community schnell mit Experimenten
Nicht LEDs, sondern Xenon-Blitze waren der entscheidende Hinweis
- Nutzer im Forum grenzten die Reproduktionsbedingungen ein, indem sie verschiedene Kameras und Lichtquellen ausprobierten
- Der Nutzer „jdb“ fand heraus, dass es mit dem LED-Blitz des Samsung Note2 kein Problem gab, der Xenon-Blitz des Samsung K Zoom den Pi 2 jedoch zuverlässig ausschaltete
- Dadurch ließ sich die Ursache nicht auf die Kameranutzung selbst, sondern auf Licht einer bestimmten Intensität und Charakteristik eingrenzen
Das problematische Bauteil war der Spannungsregler U16
- Anfangs stand der Hauptprozessorchip im Verdacht, doch selbst das Abdecken des Prozessors mit Blu-Tack beseitigte das Problem nicht
- Wurde der Pi umgedreht, war er vom Blitz nicht betroffen; damit war klar, dass das Licht ein bestimmtes Bauteil auf dem Board direkt treffen musste
- Nach systematischen Tests wurde der kleine U16-Stromversorgungsregler zwischen USB-Anschluss und HDMI-Port als Schwachstelle identifiziert
- Wurde nur U16 mit Blu-Tack abgedeckt, hörten die Abstürze vollständig auf; damit war klar, dass die Ursache nicht elektrischer Kontakt, sondern optische Belichtung war
WL-CSP und der photoelektrische Effekt als Abschaltbedingung
- Der U16-Chip verwendet Wafer-Level Chip Scale Packaging (WL-CSP)
- Dabei sind Lötbälle direkt auf dem Silizium-Die angebracht und werden so auf der Leiterplatte montiert
- Anders als bei traditionellem Packaging mit undurchsichtigem Kunststoff bietet WL-CSP zugunsten der Miniaturisierung weniger Schutz
- Trifft Licht hoher Intensität auf freiliegendes Silizium, entsteht ein photoelektrischer Effekt
- Hochenergetische Photonen erzeugen im Halbleiter unerwartete Elektronenströme, stören die Spannungsregelung und führen zum sofortigen Abschalten
- Entscheidend war eine Intensitätsschwelle
- Normale LED-Kamerablitze erzeugen nicht genügend Photonen
- Xenon-Blitze und Laserpointer sind stark genug, um Fehlfunktionen auszulösen
- Auch Infrarot- und sichtbares Licht können bei sehr hoher Intensität problematisch sein, wobei die spezifische Bandlückenenergie von Silizium eine Rolle spielt
Optische Interferenz war kein völlig neues Phänomen
- Obwohl der Vorfall mit dem Raspberry Pi 2 viel Aufmerksamkeit erhielt, gab es ähnliche Probleme mit optischer Interferenz bereits in der Halbleiterindustrie
- Ein Ingenieur bei EDN Network berichtete von demselben Problem 12 Jahre zuvor bei einem CSP-Verstärker für einen Mobiltelefon-Prototypen
- Wenn das Licht des Kamera-Blitzes des Telefons selbst durch das Chip-Package drang, sprang der Ausgang des Verstärkers
- Ein ähnlicher Vorfall ereignete sich 1997 auch im Kernkraftwerk Haddam Neck in Connecticut
- Ein Mitglied der Trainingsabteilung fotografierte mit Blitz ein Brandmelde-Panel
- Der Kamera-Blitz täuschte den EPROM-Chip und ließ es so aussehen, als sei ein Feuer ausgebrochen; innerhalb weniger Sekunden wurde das Halon-Löschsystem aktiviert
- Die Operatoren mussten den Kontrollraum 35 Minuten lang verlassen, bis das Gas abgezogen war
- Solche Fälle zeigen, dass Halbleiter mit zunehmender Verkleinerung und Exponiertheit anfälliger für optische Interferenz werden können, die in herkömmlichen Tests nicht berücksichtigt wird
Provisorische Abschirmung und Hardware-Revision
- Die sofortige Lösung bestand darin, den U16-Chip mit einem lichtundurchlässigen Material abzudecken
- Die Raspberry Pi Foundation empfahl Blu-Tack, Isolierband oder Knetmasse als undurchsichtige Materialien
- So wurde verhindert, dass Licht den empfindlichen Halbleiter traf, während der normale elektrische Betrieb erhalten blieb
- Die grundlegende Lösung kam mit der Hardware-Revision 1.2 des Pi 2, die Ende 2015 erschien
- Statt einer bloßen Abschirmung wurde eine andere Power-Management-Struktur eingeführt, die den auch im Pi 3 verwendeten BCM2837-SoC nutzte
- Durch das verbesserte Schaltungsdesign wurde die optische Empfindlichkeit beseitigt
- Tests zeigten, dass frühere Raspberry-Pi-Modelle A, B, A+ und B+ nicht für den „xenon death flash“ anfällig waren; das Problem war also spezifisch für Generation 2
Ein Fehlermodus, den modernes Elektronikdesign leicht übersieht
- Der Design-Druck hin zu kleineren und günstigeren Bauteilen kann Fehlermodi erzeugen, die bei traditionellen Tests nicht berücksichtigt werden
- Standardisierte EMV-Tests behandeln Funkstörungen, aber es ist nicht üblich zu prüfen, ob das Fotografieren einen Computer ausschaltet
- Chip-Scale-Packaging wie WL-CSP ermöglicht kleine und leistungsfähige Geräte, bedeutet aber faktisch, dass der Silizium-Die mit minimalem Schutz auf der Leiterplatte sitzt
- Die Vorteile bei Kosten und Größe können mit geringerer Umweltrobustheit einhergehen
- Die Kombination aus einer Xenon-Blitzkamera und einem freiliegenden Spannungsregler-Chip lag außerhalb typischer Validierungsszenarien
Ein „liebenswerter Bug“ mit hohem Lehrwert
- Die Raspberry Pi Foundation ging transparent mit dem Vorfall um, nannte ihn „den liebenswertesten Bug, den wir je gesehen haben“, und machte daraus eine Physikstunde über den photoelektrischen Effekt
- Die Schwachstelle wurde zu einem Fallbeispiel für den Elektronikunterricht, das zeigt, wie physikalische Prinzipien in realer Technik wirken
- Schüler konnten den photoelektrischen Effekt unmittelbar erleben, indem sie sahen, wie sich ein Computer beim Fotografieren abschaltete
- Der Fall bleibt ein Beispiel dafür, warum man in der Halbleiterentwicklung optische Interferenz stärker berücksichtigen sollte
- Die Reaktion im Raspberry-Pi-Forum zeigte zudem, dass Experimente und Zusammenarbeit vieler Nutzer sehr wirksam sein können, wenn es darum geht, die Ursache eines bizarren Bugs aufzuklären
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Die Lichtempfindlichkeit von WLCSP-Bauteilen wurde nicht von der Community „entdeckt“
In Datenblättern von WLCSP-Bauteilen ist Lichtempfindlichkeit normalerweise angegeben, und es werden auch Daten dazu bereitgestellt, wie Licht die Bauteile beeinflussen kann
Das ist seit den frühen Tagen von WLCSP bekannt und wird von verantwortungsvollen Ingenieuren als Designparameter behandelt
Siliziumchips bestehen faktisch aus zahllosen kleinen Solarzellen-Übergängen, weshalb sie lichtempfindlich sind, und ein WLCSP-Chip kommt einem nahezu unverpackten Siliziumchip sehr nahe
Auch dass man Transistorkappen entfernt und sie wie Fotodetektoren oder Solarzellen nutzt, gibt es schon lange; frühe Fototransistoren waren ebenfalls Standard-NPN-Bauteile in einem Gehäuse mit Fenster
Wenn man WLCSP-Bauteile auf eine ungeschützte Leiterplatte setzt und die Lichtempfindlichkeit im Design nicht tolerierbar ist, begeht man einen Anfängerfehler und braucht die Aufsicht eines Senior Engineers
Bevor man ein Bauteil in Millionen Geräte einbaut, sind Datenblätter lesen und das Verständnis der Funktionsweise von Halbleiterübergängen grundlegende Verantwortung
Nebenbei: Der Artikel selbst ist interessant, aber wegen des weitschweifigen Rhythmus und der ständigen Zusammenfassungen wirkt es so, als sei LLM-Output verwendet oder stark eingemischt worden
Entdeckt wurde nicht, dass WLCSP-Bauteile lichtempfindlich sind, sondern dass der Raspberry Pi 2 lichtempfindlich war
Da die meisten Leiterplatten nicht als blanke, dem Verbraucher zugängliche PCBs ausgeliefert werden, treten solche Probleme für Endnutzer nur selten sichtbar auf
WLCSP-Lichtempfindlichkeit ist ein seltenes Phänomen, bei dem eine freiliegende Leiterplatte und eine sehr starke, spezifische Lichtquelle — in diesem Fall ein Xenon-Blitz — zusammenkommen müssen; man sollte es also nicht übertreiben
Sobald es um den Raspberry Pi geht, scheint es eine Stimmung zu geben, die Ingenieure gern als „Hacker-Niveau“ oder „Anfänger“ abtut, aber das ist wirklich ein seltener Grenzfall
Es würde mich nicht einmal wundern, wenn im Datenblatt des betreffenden Bauteils Lichtempfindlichkeit gar nicht erwähnt worden wäre
„Der in der Literatur behauptete Schutz lichtempfindlicher Schaltungen ist keine realistische Sorge. Silizium ist nur für langwelliges Licht transparent, und diesem begegnet man in den breit gefächerten Anwendungen von WLCSP kaum“
https://web.archive.org/web/20150210111428/https://www.fairc...
Es gab auch früher Fälle, in denen Kunststoffverkapselungen nicht genug Carbon Black enthielten und dadurch Bauteile lichtempfindlich wurden; einige ältere Bauteile hatten braune Kunststoffgehäuse, die nicht ausreichend undurchsichtig waren
Das Problem gibt es seit Jahrzehnten
[1] https://electronics.stackexchange.com/questions/217423/ics-c...
Die meisten CSP-Geräte haben eine Rückseitenbeschichtung, die die Oberseite des Chips vor dem meisten Licht schützt, sodass Lichtempfindlichkeit vor allem an den Rändern des Geräts oder durch Reflexionen von unten verbleibt
Manche haben Probleme, aber ich sehe das eher als Designfehler denn als inhärentes Problem aller WLCSP-Geräte
Es hängt auch davon ab, welche Art von Gerät man baut. Einfache digitale Logik, Prozessoren und Leistungskomponenten sollten durch Licht keine relevanten Probleme bekommen
Üblicherweise liegt das Problem bei der Lichtempfindlichkeit von Bandgap-Schaltungen oder Oszillatoren, und sie lässt sich durch Änderungen am Chip-Layout abmildern
Also als etwas, das man wählt, wenn es das Bauteil nur in diesem Package gibt oder man etwas Kleineres als QFN möchte und akzeptieren kann, dass sich die Pins nicht visuell prüfen lassen
Wenn man keine Hochgeschwindigkeitssignale oder RF behandelt, kommt man normalerweise mit Schaltplan- und Footprint-Abstraktionen durch
Ich verstehe auch, warum so etwas übersehen werden kann. Auf einer Platine gibt es viele Bauteile, Datenblätter sind lang, und man gewöhnt sich daran, die wichtigen Stellen wie Protokollbeschreibung, Pinmap, Referenzlayout und Spannungstoleranzen herauszulesen
Hätte man auch das Kleingedruckte gelesen, hätte man es verhindern können, aber es zu überspringen, ist bis zu einem gewissen Grad nachvollziehbar. Bei einem Gerät, das in solchen Stückzahlen produziert wird, allerdings wohl weniger
Falls der Autor HN liest, möchte ich sagen, dass mich der Schreibstil ziemlich gestört hat
Es wurden seltsame Informationen eingeschoben, die für die Erklärung kaum hilfreich waren, etwa Formulierungen wie „derselbe Effekt, den Einstein erklärt hat und für den er den Nobelpreis bekam“, und es gab viele Stellen, die alles dramatischer erscheinen ließen, als es war, etwa „Blu-Tack(wirklich)“ oder die Erzählung von Community-Vertrauen
Auf der About-Seite steht, dass LLMs als Schreibhilfe verwendet werden; ich würde mir wünschen, dass man sich weniger darauf verlässt oder die Ausgabe zumindest kritischer betrachtet
Ich war selten so frustriert beim Lesen eines Blogposts, weil ich ständig zwischen Interesse und Genervtheit hin- und hergerissen war
Ich habe es eher als Geschichte denn als Bericht gelesen und es dadurch mehr genossen
Alle Texte klingen zunehmend gleich und werden eintönig
Der Anfang war okay, aber beim Fazit wurde es extrem monoton
Statt mit einem LLM zu chatten, kann man sich aber vorstellen, dass KI Suchergebnisse zu einem bestimmten Thema im gewünschten Format anzeigt
Zum Beispiel zugeschnitten als leichter Artikel, TikTok-artiger Clip, YouTube, Podcast oder „nur Fakten“
Wenn klar ist, dass es von einer Maschine oder UI erzeugt wurde, stört mich LLM-Output nicht ganz so sehr
Ein weiterer klassischer Hardwarefehler ist der Fall, dass iPhones empfindlich auf Helium reagieren
[1] https://www.ifixit.com/News/11986/iphones-are-allergic-to-he...
Selbst ein gewissenhaft prüfender Ingenieur hätte das übersehen können, wenn er mit MEMS-Fertigungsprozessen nicht vertraut war; dieser Prozess war bis zur Veröffentlichung nicht allgemein bekannt
Für den Bauteilhersteller dürfte es dennoch keine Überraschung gewesen sein. Für die anfängliche Kalibrierung kalibrierte Gasgemische zu verwenden, gehört schließlich zur Standard-Designphase
https://www.youtube.com/watch?v=vvzWaVvB908
Jedes Raspberry-Pi-Modell mit gerader Nummer hatte interessante Quirks, die durch Hardwareänderungen „behoben“ werden mussten
Beim Pi 2 gab es das Neustartproblem durch Kamerablitze, beim Pi 4 das Problem, dass viele PD-Adapter wegen einer fehlerhaften Implementierung der USB-C-Ladeschaltung keinen Strom lieferten
Die ursprünglichen Versionen beider Modelle besitze und nutze ich noch, aber die Hardwarefehler wurden nur in bestimmten Situationen zum Problem
Der Pi 5 hat die ungewöhnliche 5V-/5A-Anforderung, funktioniert aber auch mit 5V / 3A gut, solange man kein stromhungriges USB-Zubehör verwendet und ein ordentlicher Netzadapter vorhanden ist
Allerdings gab es bisher keinen speziellen Hardwarefehler auf dem Niveau von Pi 2/4
Die Frage lautet also: Was wird es beim Pi 6 sein?
[1] https://hackaday.com/2019/07/16/exploring-the-raspberry-pi-4...
Alle Modelle hatten außerdem Probleme mit der Lebensdauer von microSD-Karten, und auch beim PoE HAT gab es Probleme
Allen Pi-Modellen ist gemeinsam, dass die Onboard-Stromversorgungsschaltung ziemlich einfach ist oder ganz fehlt
Ich glaube, irgendwo gelesen zu haben, dass das mit EU-/UK-Vorschriften zusammenhängen könnte. Es ging darum, dass man sonst eine nackte Platine nicht als Verbraucherprodukt verkaufen dürfe; ich frage mich, ob jemand etwas Ähnliches gelesen oder gehört hat
Soweit ich mich erinnere, brauchte man eine Buchse mit integrierten Magnetics, aber es wurde das falsche Bauteil bestückt
Im Vergleich dazu ist man wirklich weit gekommen
Interessante Tatsache: Halbleitereffekte sind oft umkehrbar
Eine Leuchtdiode ist ein ineffizientes Solarpanel, und umgekehrt gilt das ebenfalls
Der Bezug hier ist, dass derselbe Effekt, der es erlaubt, einen Übergang mit intensivem Infrarotlicht anzuregen, auch in die andere Richtung auftritt
Ein angeregter Übergang emittiert Infrarotlicht, und wenn das Package dünn genug ist, kann man es detektieren
Mit einer geeigneten Kamera könnte man theoretisch filmen, wie bestimmte Übergänge in einem Chip aktiv werden
In der Praxis ist das wegen der Effizienz allerdings schwierig; ich weiß nicht, wie viele Photonen ein einzelner Übergang pro Taktzyklus emittiert, aber viele werden es nicht sein
Diese Photonen müssen aus dem Package herauskommen und vom Sensor erfasst werden, daher müsste man den Chip vermutlich mit deutlicher Überspannung betreiben oder den Takt senken, um ein brauchbares Signal zu erhalten
Deshalb weiß ich nicht, wie „funktional“ so ein Test wäre. Ich wünschte, mir fiele der Name der Firma ein, die das kommerzialisieren wollte
Wenn man vom Generator ausgeht, ergibt das Sinn; wenn man einen DC-Motor aber zuerst „in die andere Richtung“ benutzt hat, war es ziemlich kontraintuitiv
Das erinnert mich an ein Problem mit Cache-Korruption bei SPARC-CPUs, das mich in meinem ersten Job viel Zeit gekostet hat
Ursache waren Verunreinigungen im Chip-Package, die radioaktiv zerfielen
Ein ähnliches Problem gab es, als Hörgeräte schicke halbtransparente Abdeckungen bekamen
Wenn Sonnenlicht in einem bestimmten Winkel einfiel oder ein Blitz ausgelöst wurde, gab es Störgeräusche, aber niemand wollte das glauben
Das erinnert mich an ein merkwürdiges Problem mit einer DV Cam, die ich auf eine „tiger cruise“ mitgenommen hatte
Eine tiger cruise ist eine Veranstaltung, bei der Familien auf dem Rückweg eines Flugzeugträgers nach einem Einsatz an Bord zu Besuch sein dürfen; wir fuhren von Honolulu nach San Diego mit
Wenn ich an Deck war, brach das Video alle drei Sekunden ein, und ich fand bald heraus, dass das exakt mit der Rotation des Radar-Arrays zusammenfiel
Ich ging davon aus, dass irgendeine Art von Strahlung die Ursache war, und schloss daraus, dass das Video nicht mehr alle drei Sekunden ausfallen würde, wenn ich mein Handy so angewinkelt hielt, dass der Teil mit dem Akku, also mit Schwermetallen, zwischen Radar-Array und Magnetkopf lag
Es funktionierte wirklich gut
Der damalige HN-Thread: https://news.ycombinator.com/item?id=9015663
Der Intensitätsschwellenwert war der entscheidende Punkt
Ein normaler LED-Kamerablitz erzeugte nicht genug Photonen, aber Xenon-Blitze und Laserpointer waren stark genug, um Fehlfunktionen auszulösen
Noch interessanter ist, dass dieser Effekt eine bestimmte Bandlückenenergie von Silizium erforderte
Das bedeutet, dass Infrarot und sichtbares Licht potenziell Probleme verursachen können, aber nur bei extremer Intensität
Der Artikel scheint Intensität und Wellenlänge zu verwechseln. Es sei denn, es geht um nichtlineare Mehrphotonenabsorption; die ist allerdings nur mit starken ultrakurzen Laserpulsen erreichbar