رقائق مقاومة للإشعاع تُقوّي مسرعات CERN

بناء الإلكترونيات للبيئات ذات الإشعاع العالي

Electronics are at the core of almost any technology invented in the past decades. As the world digitalizes even more processes and data, this is becoming more true every day.

ومع ذلك، في بعض البيئات، تكافح الإلكترونيات القياسية لمواكبة المتطلبات. أحد هذه البيئات هو مسرعات الجسيمات.

من ناحية، تولّد مسرعات الجسيمات تيرابايتات هائلة من البيانات في كل ثانية، مما يتطلب مكونات إلكترونية فائقة الكفاءة لمواكبة ذلك. ومن ناحية أخرى، فإن كمية الإشعاع التي تنتج عنها تميل إلى تشويش الأنظمة الإلكترونية.

Scientists at the CERN in Switzerland were faced with this dilemma. At the LHC particle accelerator at CERN, the world’s largest, radiations were emitted, making measurement difficult.

«اختبرنا مكونات تجارية قياسية، وتوقفت عن العمل فورًا. كان الإشعاع شديدًا جدًا. أدركنا أنه إذا أردنا شيئًا يعمل، سيتعين علينا تصميمه بأنفسنا».

Rui (Ray) Xu, a Columbia Engineering PhD student

The first chip of this kind was developed in 2017 and put to the test in 2022 for the ATLAS experiments. ATLAS is the largest particle detector ever built, at 46 meters (150 feet) long and 25 meters (82 feet) in diameter.

تحتوي الكواشف على أكثر من 100 مليون قناة إلكترونية حساسة لتسجيل الجسيمات الناتجة عن التصادمات. وتضم العديد من الكواشف الفرعية، كل منها يلعب دورًا منفصلًا، للكشف في الوقت نفسه عن الفوتونات، الإلكترونات، الميونات، البايونات، وغيرها.

المصدر: ATLAS

A second chip, the data acquisition ADC, has recently passed its final tests and is now in full production. It is fully described in a recently published paper¹ in the journal IEEE Explore, under the title “A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout”.

كيف يؤثر الإشعاع على الإلكترونيات

Since the dawn of electronics, it has been known that radiation tends to damage electronic components and/or make them give out the wrong data.

من بين العديد من التأثيرات التي يمكن أن يحدثها الإشعاع، يمكن سرد الأكثر إشكالية بسرعة:

• تغيّر الجهد في الترانزستورات، مما يؤدي إما إلى بيانات خاطئة أو إلى تدمير الترانزستورات بالكامل.
• قلب البتات الفردية (0 و1) في مكونات الذاكرة.
• احتراق كهربائي أو حراري للدوائر المتكاملة.
• تلف الكواشف البصرية ومُصدِرات الضوء قد يدمرها فورًا أو يقلل من عمرها الافتراضي.

This is a serious problem in high-radiation environments, like space, medical accelerators (radiation therapy, radiography), or nuclear facilities.

إحدى الخيارات لحل المشكلة هي ببساطة استخدام ما يكفي من الحماية، بوضع الجزء الإلكتروني خلف طبقة واقية، عادةً ماء أو عنصر ثقيل مثل الرصاص، حسب نوع الإشعاع.

خيار آخر هو التكرار وتصحيح الأخطاء. إذا كان المكوّن موجودًا بنسخ متعددة، أو إذا كان البرنامج يُنفّذ عدة مرات، يمكن اكتشاف الخطأ في واحدة منها وتجاهله لاحقًا.

الخيار الأخير هو بناء أنظمة إلكترونية مقاومة للإشعاع بطبيعتها، وهو الخيار الوحيد للأنظمة الإلكترونية التي يجب أن تتعرض مباشرة للإشعاع، مثل كواشف مسرّع الجسيمات.

بناء إلكترونيات مقاومة للإشعاع

الجدوى التجارية

The problem the CERN engineers and scientists faced is that off-the-shelf components simply can’t survive the harsh conditions inside the accelerator.

At the same time, the market for radiation-resistant circuits is too small to entice investment from commercial chip manufacturers.

«تطوير أدوات حديثة من الدرجة الأولى أمر حاسم لنجاحنا. الصناعة لم تستطع تبرير الجهد، لذا اضطرت الأوساط الأكاديمية إلى التدخل».

John Parsons – Professor of physics and leader of the Columbia University team working on the ATLAS detector.

In this specific case, the researchers needed to develop analog-to-digital converters (ADCs). These devices’ task is capturing electrical signals produced by particle collisions inside CERN’s detectors and translating them into digital data that researchers can analyze.

يتم ذلك عبر جهاز يُدعى مقياس الحرارة السائل الأرغوني (liquid argon calorimeter)، الذي يحول تصادمات الجسيمات إلى إشارة إلكترونية.

Columbia’s ADC chips convert these delicate analog signals into precise digital measurements, capturing details that no existing component could reliably record.

الظروف المتطلبة

The researchers carefully chose and sized components and arranged circuit architectures and layouts to minimize radiation damage, as radiation shielding is not realistic in the particle detector.

ليس ذلك فحسب، بل كان عليهم أيضًا مراعاة أن اللوحات الإلكترونية المعنية لا يمكن الوصول إليها أثناء التشغيل ولا يمكن صيانتها إلا مرة واحدة على الأكثر في السنة.

مستويات الإشعاع التي ستتعرض لها المكوّنات خلال عمر تشغيلي يبلغ 12 سنة عادةً ما تواجهها الأقمار الصناعية في مدار ثابت.

Temporary errors can be tolerated, but permanent damage cannot be accepted, as it would hinder the work of all the research projects requiring ATLAS.

إعادة استخدام تقنيات تصنيع أشباه الموصلات المثبتة

Reinventing how to produce semiconductors was not going to be a viable path to create a useful device within a reasonable budget and time frame.

لذا استخدم الباحثون عمليات أشباه موصلات تجارية تم اعتمادها من قبل CERN لمقاومة الإشعاع وطبقوا تقنيات مبتكرة على مستوى الدوائر.

كان قرارًا رئيسيًا في هذا الصدد الاعتماد على طرق التصوير الضوئي القديمة المجربة، باستخدام عملية CMOS تجارية ثلاثية البئر بدقة 65 نانومتر لإنتاج رقاقة ASIC المخصصة (دائرة متكاملة مخصصة للتطبيق).

تُعرف عملية 65 نانومتر بأنها صلبة ضد الإشعاع بطبيعتها.

اختيار تصميم آخر كان تقليل المكوّنات غير الموجودة مباشرة على الرقاقة، مما يقلل من خطر الأخطاء عبر دمج الساعات الداخلية للرقاقة والذاكرات، إلخ.

المصدر: IEEE Explore

مع ذلك، تُجرى حسابات المعايرة خارج الرقاقة لمنع الأخطاء الناجمة عن الإشعاع في الحسابات التي قد تنتج بيانات غير صحيحة.

كما فحصوا المكثفات، التي يمكن أن تُشحن زائدًا بسبب تأثير الإشعاع المؤين.

المكثفات من نوع معدن-عازل-معدن (MiM) أرقى طبيعيًا بمقدار 30 إلى 80 مرة مقارنةً بالمكثفات التقليدية من نوع معدن-أكسيد-معدن (MoM)، كما أنها نصف الحجم، مما يقلل السطح الذي قد يتعرض للإشعاع والجسيمات عالية الطاقة.

المصدر: IEEE Explore

التصميم النهائي للرقاقة والاختبار

The final chip is an electronic design specifically designed to be optimal against radiation, instead of high-speed, ease of manufacturing, or boosted performance like commercial products.

في المجموع، سيُستخدم 45,617 من هذه الرقائق في كاشف ATLAS.

المصدر: IEEE Explore

تم توصيف ثمانية عشر جهازًا من حيث الأداء التناظري؛ وتم إجراء مزيد من التحقق من دقة التناظرية على المدى الطويل وحملة اختبار إشعاعية واسعة.

أشارت جميع النتائج إلى أن الرقائق ستؤدي أداءً جيدًا في بيئة كاشف ATLAS.

مع ذلك، بغض النظر عن مدى صلابة الرقائق، ستتسبب مستويات الإشعاع هذه في بعض الأخطاء والمشكلات في أي أنظمة إلكترونية. لذا بنى الباحثون أنظمة رقمية تكتشف الأخطاء تلقائيًا وتصححها في الوقت الحقيقي.

Double- and triple-bit errors, which are more problematic, are detected by periodically reading back all memory registers and comparing them to the initial programming. Any measurement taken when such double and triple errors occur is also discarded.

الخلاصة

This research project will enable the advanced analysis of high-energy particles generated by the LHC.

It will also be a vital component of a major upgrade of the accelerator with the “High Luminosity LHC” (HL–LHC), an upgrade intended to boost the luminosity of the LHC by 10x.

For example, the High-Luminosity LHC will produce at least 15 million Higgs bosons per year, compared to around three million from the LHC in 2017.

المصدر: CERN

It is likely that later CERN’s projects, like the Future Circular Collider (FFC), with first experiments starting in the mid-2040s, will also require similar or even more advanced radiation-proof electronics.

Lastly, this sort of project, funded through academic budgets in fundamental physics, can be an inspiration for a commercial version of radiation-proof electronics.

As mankind is looking to explore deep space, including potentially permanent lunar and Martian bases, or asteroid mining, more durable and radiation-proof electronics will be very useful.

الاستثمار في المستشعرات المتقدمة

CEVA

CEVA هي شركة مستشعرات وشريك مع CERN لاستخدام خوارزمية المؤسسة لتحسين كفاءة واستهلاك الطاقة لمستشعراتها. تُدمج حلول CEVA والملكية الفكرية (200 براءة اختراع) في 18 مليار جهاز.

تُستخدم حلول الشركة من قبل العديد من العلامات التجارية الإلكترونية الرائدة عالميًا.

المصدر: CEVA

The main application of the collaboration between CEVA & the CERN is “Edge AI”, or artificial intelligence applications deployed on devices away from the data centers (the cloud) and closer to the consumers (the edge).

It may not be surprising to see particle physics algorithms being reused in AI applications, as neural networks were, for example, used in finding the Higgs boson particle. Analyzing particle accelerator data needs to be done on-site instead of in the cloud, due to the sheer volume of data produced very quickly.

CEVA helped CERN create new compression algorithms that can be used in future experiments and will be able to integrate this new technology into its products.

“Thanks to our collaboration with CERN, we were able to develop an innovative approach that enables the networks to run up to 15x faster compared to 16-bit baseline models.

It’s enhancing network speed and reducing energy consumption by up to 90% while maintaining comparable accuracy.”

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher at Ceva

This is but one of CEVA’s technological progresses, with the company active in wireless connectivity, sensors (vision, audio, motion), and neural network algorithms.

المصدر: CEVA

CEVA greatly benefits from the combined trend of 5G connectivity (including satellite 5G) and IoT (Internet of Things) with embedded AI solutions, both for industrial and home solutions. It is also a leader in WiFi 6 solutions and has a leading position in WiFi 7.

المصدر: Ruije

As a software and IP company, CEVA is well-known among engineers and is often missed by investors interested in the IoT and 5G sectors.

It can be an interesting company at the very edge of technological progress in data processing and edge AI, as illustrated by CERN’s selection of it to help with some of the most complex data analyses ever performed by mankind.

أحدث أخبار وتطورات سهم CEVA (CEVA)

الدراسة المشار إليها:

^{1. Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout. IEEE Explore. 28 May 2025. pp 180 – 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}

{
“@context”: “https://schema.org”,
“@type”: “FAQPage”,
“mainEntity”: [
{
“@type”: “Question”,
“name”: “لماذا تعتبر الإلكترونيات المقاومة للإشعاع مهمة لمسرّعات الجسيمات؟”,
“acceptedAnswer”: {
“@type”: “Answer”,
“text”: “الإلكترونيات المقاومة للإشعاع أساسية لمسرّعات الجسيمات مثل LHC في CERN لأن مستويات الإشعاع العالية يمكن أن تضر الرقائق القياسية وتشوّه البيانات. تضمن الرقائق المتخصصة أداءً موثوقًا وقياسات دقيقة في هذه البيئات القاسية.”
}
},
{
“@type”: “Question”,
“name”: “ما الذي يجعل رقاقة ADC التي طوّرتها CERN فريدةً من نوعها؟”,
“acceptedAnswer”: {
“@type”: “Answer”,
“text”: “تم بناء رقاقة ADC المطورة لـ CERN باستخدام عملية CMOS بدقة 65 نانومتر معروفة بصمودها ضد الإشعاع. تدمج تصحيح الأخطاء، ومكثفات MiM، وهندسة مخصصة لتبقى صالحة في بيئات إشعاعية عالية لأكثر من عقد من الزمن.”
}
},
{
“@type”: “Question”,
“name”: “ما هو دور CEVA في تجارب CERN؟”,
“acceptedAnswer”: {
“@type”: “Answer”,
“text”: “تتعاون CEVA مع CERN لتحسين Edge AI وخوارزميات الضغط لمعالجة بيانات الجسيمات. تُحسّن مساهماتهم كفاءة الطاقة وسرعات الحوسبة في تحليل البيانات في الوقت الحقيقي.”
}
}
]
}