- Em fevereiro de 2015, Peter Onion descobriu que, ao fotografar seu novo Raspberry Pi 2, a placa desligava imediatamente toda vez que o flash disparava, e os experimentos coletivos no fórum foram reduzindo a causa
- Não era um simples problema de câmera: isso só era reproduzido com flash de xenônio e luzes fortes como ponteiros laser, e o problema desaparecia ao cobrir um componente específico ou virar a placa
- O ponto vulnerável era o regulador de energia U16 entre o conector USB e a porta HDMI; o silício exposto pelo encapsulamento WL-CSP provocava um efeito fotoelétrico que desestabilizava o circuito de regulação de tensão
- A mitigação temporária consistia em cobrir o U16 com material opaco como Blu-Tack, fita isolante ou massa, e o problema foi resolvido no fim de 2015 na revisão 1.2 de hardware do Pi 2 com uma mudança na arquitetura de gerenciamento de energia
- O caso revelou que o encapsulamento em escala de chip, vantajoso para miniaturização e redução de custos, pode criar modos de falha por interferência óptica que passam despercebidos em validações tradicionais
O Raspberry Pi 2 que desligava com um único flash
- Em fevereiro de 2015, Peter Onion estava fotografando seu novo Raspberry Pi 2 quando percebeu que o Pi desligava imediatamente toda vez que o flash da câmera disparava
- No início ele achou que fosse coincidência, mas depois que a mesma coisa aconteceu três vezes seguidas, publicou no fórum do Raspberry Pi uma mensagem com o título “Why is the PI2 camera-shy?”
- Como Peter Onion era um membro antigo da comunidade Raspberry Pi e participava com frequência dos Raspberry Jam de Cambridge e Bletchley, a comunidade rapidamente começou a experimentar
A pista era o flash de xenônio, não o LED
- Usuários do fórum foram trocando câmeras e fontes de luz para reduzir as condições exatas de reprodução do problema
- O usuário “jdb” descobriu uma diferença importante: com o flash LED do Samsung Note2 não havia problema, mas com o flash de xenônio do Samsung K Zoom o Pi 2 desligava de forma consistente
- Essa diferença mostrou que a causa não era simplesmente usar uma câmera, mas sim luz com certa intensidade e características específicas
O componente problemático era o regulador de energia U16
- No começo suspeitou-se do chip principal do processador, mas cobrir o processador com Blu-Tack não resolvia o problema
- Ao virar o Pi de cabeça para baixo, ele deixava de ser afetado pelo flash, confirmando que a falha só ocorria quando a luz atingia diretamente um componente específico da placa
- Depois de testes sistemáticos, o pequeno regulador de alimentação U16 entre o conector USB e a porta HDMI foi identificado como o ponto vulnerável
- Quando apenas o U16 era coberto com Blu-Tack, as falhas paravam completamente, deixando claro que o problema não vinha de contato elétrico, e sim de exposição óptica
O WL-CSP e o efeito fotoelétrico que causavam o desligamento
- O chip U16 usava Wafer-Level Chip Scale Packaging (WL-CSP)
- As esferas de solda ficam presas diretamente ao die de silício, que é montado na placa de circuito
- Ao contrário do encapsulamento tradicional, envolto em plástico opaco, o WL-CSP prioriza a miniaturização e oferece menos proteção
- Quando luz de alta intensidade atinge o silício exposto, ocorre o efeito fotoelétrico
- Fótons de alta energia criam um fluxo inesperado de elétrons no semicondutor, perturbando o circuito regulador de tensão e levando ao desligamento imediato
- O limite de intensidade era a condição central
- Flashes LED comuns de câmera não geravam fótons suficientes
- Flashes de xenônio e ponteiros laser eram fortes o bastante para provocar o mau funcionamento
- Infravermelho e luz visível também poderiam causar problema em intensidades muito altas, embora a energia de bandgap específica do silício fosse um fator importante
Casos de interferência óptica que já existiam
- Embora o caso do Raspberry Pi 2 tenha chamado bastante atenção, problemas parecidos de interferência óptica já existiam na indústria de semicondutores
- Um engenheiro da EDN Network relatou ter enfrentado o mesmo problema 12 anos antes com um amplificador CSP em um protótipo de telefone celular
- Quando a luz do próprio flash da câmera do telefone atravessava o encapsulamento do chip, a saída do amplificador sofria picos
- Um incidente semelhante também ocorreu em 1997 na usina nuclear de Haddam Neck, em Connecticut
- Um integrante do departamento de treinamento fotografou um painel de detecção de incêndio com flash
- O flash da câmera enganou um chip EPROM, fazendo-o agir como se houvesse um incêndio
- Em poucos segundos, o sistema de supressão por Halon foi acionado
- Os operadores tiveram de deixar a sala de controle por 35 minutos, até o gás se dissipar
- Esses casos mostram que, quanto menores e mais expostos ficam os semicondutores, mais vulneráveis eles podem se tornar a interferências ópticas que testes tradicionais não consideram
Blindagem temporária e revisão de hardware
- A solução imediata foi cobrir o chip U16 com um material que não deixasse a luz passar
- A Raspberry Pi Foundation recomendou Blu-Tack, fita isolante e massa opaca
- A ideia era impedir que a luz atingisse o semicondutor sensível sem comprometer o funcionamento elétrico normal
- A solução definitiva chegou com a revisão 1.2 de hardware do Pi 2, lançada no fim de 2015
- Não se tratava apenas de blindagem: foi introduzida uma estrutura diferente de gerenciamento de energia, usando o system-on-chip BCM2837 que também seria usado no Pi 3
- Um projeto de circuito melhor eliminou a sensibilidade óptica
- Testes mostraram que os modelos anteriores do Raspberry Pi — A, B, A+ e B+ — não eram vulneráveis ao “xenon death flash”, e que esse problema era específico da Geração 2
Um modo de falha que o design eletrônico moderno pode deixar passar
- A pressão por componentes menores e mais baratos pode criar modos de falha que testes tradicionais não levam em conta
- Testes padrão de compatibilidade eletromagnética tratam de interferência por rádio, mas normalmente não verificam se tirar uma foto pode desligar um computador
- O encapsulamento em escala de chip como o WL-CSP permite dispositivos pequenos e poderosos, mas na prática coloca o die de silício na placa com proteção mínima
- As vantagens de custo e tamanho podem vir acompanhadas de menor robustez ambiental
- A combinação entre uma câmera com flash de xenônio e um chip regulador de energia exposto estava fora dos cenários normais de validação
O valor educativo de um “bug adorável”
- A Raspberry Pi Foundation tratou o caso com transparência e o chamou de “o bug mais adorável que já vimos”, transformando-o em uma aula de física sobre o efeito fotoelétrico
- A vulnerabilidade virou um exemplo didático para aulas de eletrônica sobre como princípios físicos atuam em tecnologia real
- Os alunos podiam ver o efeito fotoelétrico diretamente ao observar um computador desligando quando era fotografado
- O caso ficou como um exemplo que ajudou a aumentar a atenção para interferência óptica em projetos de semicondutores
- A resposta do fórum Raspberry Pi também mostrou que, quando um bug estranho aparece, os experimentos e a colaboração de vários usuários podem ser eficazes para descobrir a causa
1 comentários
Opiniões do Hacker News
A fotossensibilidade de componentes WLCSP não foi algo “descoberto” pela comunidade
Datasheets de componentes WLCSP normalmente especificam a fotossensibilidade e também fornecem dados sobre como a luz pode afetar o componente
Isso é conhecido desde os primórdios do WLCSP, e qualquer engenheiro responsável trata isso como parâmetro de projeto
Chips de silício são, na prática, compostos por inúmeras pequenas junções de células solares, por isso são sensíveis à luz, e chips WLCSP são quase chips de silício sem encapsulamento
Remover a tampa de transistores para usá-los como fotodetectores ou células solares também é algo feito há muito tempo, e os primeiros fototransistores eram componentes NPN padrão em invólucros com janela
Se você coloca componentes WLCSP em uma PCB desprotegida em um projeto no qual a fotossensibilidade não é aceitável, está cometendo um erro de principiante e precisa da supervisão de um engenheiro sênior
Antes de colocar um componente em milhões de dispositivos, ler o datasheet e entender o funcionamento de junções semicondutoras é uma responsabilidade básica
Além disso, o texto em si é interessante, mas o ritmo prolixo e os resumos constantes dão a impressão de que saída de LLM foi usada ou fortemente misturada
O que foi descoberto não foi que componentes WLCSP são sensíveis à luz, mas sim que o Raspberry Pi 2 era sensível à luz
Como a maioria das PCBs não é distribuída a consumidores na forma de placas nuas expostas, é raro esse tipo de problema aparecer para usuários finais
A fotossensibilidade em WLCSP é um fenômeno raro, que exige a combinação de uma PCB exposta com uma fonte de luz muito forte e específica — neste caso, um flash de xenônio —, então não é algo a exagerar
Sempre que Raspberry Pi aparece, há uma tendência de querer chamar os engenheiros de “nível hack” ou “iniciantes”, mas este é realmente um caso de borda raro
Eu não ficaria surpreso se o datasheet daquele componente nem mencionasse fotossensibilidade
“A proteção de circuitos fotossensíveis alegada na literatura não é uma preocupação realista. O silício só é transparente à luz de comprimentos de onda longos, algo que quase nunca é encontrado na ampla gama de aplicações de WLCSP”
https://web.archive.org/web/20150210111428/https://www.fairc...
No passado também houve casos em que encapsulamentos plásticos não tinham carbon black suficiente e acabavam gerando componentes fotossensíveis, e alguns componentes antigos em pacotes plásticos marrons não eram opacos o bastante
É um problema que existe há décadas
[1] https://electronics.stackexchange.com/questions/217423/ics-c...
A maioria dos dispositivos CSP tem um revestimento traseiro que protege a parte superior do chip da maior parte da luz, então a fotossensibilidade normalmente fica restrita às bordas do dispositivo ou a reflexos vindos de baixo
Alguns têm problemas, mas eu veria isso mais como uma falha de projeto do que como um problema inerente a todos os dispositivos WLCSP
Também depende do tipo de dispositivo que está sendo produzido. Lógica digital básica, processadores e componentes de potência não deveriam ter problemas significativos por causa da luz
Normalmente, o problema é a fotossensibilidade de circuitos bandgap ou osciladores, e isso pode ser mitigado com mudanças no layout do chip
Ou seja, era algo que eu escolheria se o componente só viesse naquele encapsulamento, ou se eu quisesse algo menor que QFN, aceitando que não seria possível inspecionar os pinos a olho nu
Se você não está lidando com sinais de alta velocidade ou RF, geralmente dá para seguir apenas com a abstração de netlist e footprint
Também entendo por que esse tipo de problema pode passar despercebido. Uma placa tem muitos componentes, datasheets são longos, e a gente costuma se acostumar a ler seletivamente as partes importantes, como descrição de protocolo, pin map, layout de referência e tolerâncias de tensão
Se tivessem lido as letras miúdas, poderiam ter evitado, mas pular isso é justificável até certo ponto. Ainda assim, em um dispositivo produzido nessa escala, parece menos justificável
Se o autor lê o HN, eu gostaria de dizer que o estilo de escrita me incomodou bastante
Havia muitas informações estranhas que não ajudavam muito na explicação, como a frase “o mesmo fenômeno que Einstein explicou e pelo qual ganhou o Nobel”, e muitas tentativas de tornar tudo mais dramático do que realmente era, como “Blu-Tack(de verdade)” ou a narrativa de “confiança da comunidade”
Na página de apresentação dizia que ele usa LLM como auxílio à escrita; eu gostaria que dependesse menos disso ou, no mínimo, avaliasse a saída de forma mais crítica
Nunca fiquei tão frustrado lendo um post de blog, alternando entre interesse e irritação
Li mais como uma história do que como um relatório, então aproveitei mais
Todos os textos estão começando a soar cada vez mais parecidos e monótonos
A parte inicial estava boa, mas ao chegar à conclusão ficou extremamente monótona
Por outro lado, em vez de conversar com um LLM, dá para imaginar a IA mostrando resultados de busca sobre um tema específico no formato que você quiser
Por exemplo, adaptando para formatos como este tipo de texto leve, clipes no estilo TikTok, YouTube, podcast ou “só os fatos”
Se estiver claro que foi feito por uma máquina ou por uma UI, a saída de LLM não me incomoda tanto
Outro defeito clássico de hardware é o caso de que iPhones são sensíveis a hélio
[1] https://www.ifixit.com/News/11986/iphones-are-allergic-to-he...
Mesmo um engenheiro diligente poderia deixar isso passar se não conhecesse bem o processo de fabricação de MEMS, e esse processo não era amplamente conhecido antes de ser divulgado
Ainda assim, do ponto de vista do fabricante do componente, isso provavelmente não teria sido surpresa. Usar misturas de gases calibradas para ajustes iniciais é uma etapa padrão de projeto
https://www.youtube.com/watch?v=vvzWaVvB908
Cada modelo Raspberry Pi de número par teve quirks interessantes que precisaram ser “corrigidos” com mudanças de hardware
O Pi 2 tinha o problema de reinicialização com flash de câmera, e o Pi 4 tinha um erro na implementação do circuito de carregamento USB-C que fazia muitos adaptadores PD não fornecerem energia
Ainda tenho e uso os modelos originais de ambos, mas os defeitos de hardware só eram problema em situações específicas
O Pi 5 tem um requisito peculiar de 5V / 5A, mas, se você não usar acessórios USB de alta potência e tiver uma fonte de alimentação decente, ele também funciona bem com 5V / 3A
Porém, até agora, não houve uma peculiaridade em nível de hardware na escala do Pi 2/4
Então a pergunta é esta: o que será no Pi 6?
[1] https://hackaday.com/2019/07/16/exploring-the-raspberry-pi-4...
Todos os modelos também tiveram problemas de vida útil do microSD, e o PoE HAT também teve problemas
O ponto em comum de todos os modelos Pi é que o circuito de alimentação onboard é bastante simples ou simplesmente inexistente
Acho que vi em algum lugar que isso poderia estar relacionado a regulamentações da UE/Reino Unido. Era algo sobre uma norma que, caso contrário, impediria vender uma placa nua como produto de consumo; fico curioso se alguém leu ou ouviu algo parecido
Pelo que me lembro, era necessário um conector com magnéticos integrados, mas o componente errado foi montado
Em comparação com aquela época, avançamos muito
Curiosidade: efeitos de semicondutores muitas vezes são reversíveis
Um diodo emissor de luz é um painel solar ineficiente, e o inverso também vale
O motivo de isso ser relevante aqui é que o mesmo efeito que permite estimular uma junção com infravermelho de alta intensidade também acontece ao contrário
Uma junção estimulada emite infravermelho e, se o encapsulamento for fino o bastante, isso pode ser detectado
Com uma câmera adequada, em teoria seria possível filmar certas junções sendo ativadas dentro de um chip
Na prática, porém, isso é difícil por causa da eficiência; não sei quantos fótons uma junção emite por ciclo de clock, mas provavelmente não são muitos
Esses fótons precisariam sair do encapsulamento e serem captados pelo sensor, então, para obter um sinal útil, acho que seria necessário operar o chip com uma sobretensão considerável ou reduzir o clock
Por isso não sei quão “funcional” esse teste seria. Queria lembrar o nome da empresa que estava tentando comercializar isso
Faz sentido se você começar pensando em geradores, mas, para quem usou um motor DC primeiro “no sentido oposto”, isso foi bastante contraintuitivo
Isso me lembra um problema de corrupção de cache em CPUs SPARC que me fez perder muito tempo no meu primeiro emprego
A causa eram impurezas no encapsulamento do chip que sofriam decaimento radioativo
Tive o mesmo problema quando coloquei uma capa translúcida bacana em um aparelho auditivo
Quando a luz do sol entrava em certo ângulo, ou quando disparavam um flash, ele fazia ruído, mas ninguém acreditava
Isso me lembra um problema estranho que tive com uma DV Cam que levei em um “tiger cruise”
Um tiger cruise é um evento em que familiares embarcam em um porta-aviões no caminho de volta após uma missão; nós fomos de Honolulu a San Diego
Quando eu estava no convés, o vídeo corrompia a cada 3 segundos, e logo descobri que isso coincidia exatamente com a rotação do conjunto de radares
Concluí que era por algum tipo de radiação e deduzi que, se eu segurasse o celular inclinado de modo que a parte com a bateria — ou seja, com metais pesados — ficasse entre o conjunto de radares e o cabeçote magnético, o vídeo deixaria de falhar a cada 3 segundos
Funcionou muito bem
Thread da época no HN: https://news.ycombinator.com/item?id=9015663
O ponto central era o limiar de intensidade
Flashes de câmera de LED comuns não produziam fótons suficientes, mas flashes de xenônio e ponteiros laser eram intensos o bastante para causar mau funcionamento
O mais interessante é que esse efeito exigia uma energia de bandgap específica do silício
Ou seja, infravermelho e luz visível poderiam potencialmente causar problemas, mas só em intensidades extremas
O texto parece confundir intensidade e comprimento de onda. A menos que esteja falando de absorção multifotônica não linear, isso só é alcançável com pulsos de laser ultrarrápidos e intensos