الشرائح الصلبة ضد الإشعاع تُقوّي مسرعات CERN

بناء الإلكترونيات للبيئات ذات الإشعاع العالي

الإلكترونيات هي جوهر تقريبًا أي تقنية تم اختراعها في العقود الماضية. ومع تحول العالم إلى الرقمنة المتزايدة للعمليات والبيانات، يصبح هذا الأمر أكثر صحة كل يوم.

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

من ناحية، تولد مسرعات الجسيمات تيرابايتات من البيانات في كل ثانية، مما يتطلب مكونات إلكترونية فائقة الكفاءة لتواكب ذلك. ومن ناحية أخرى، فإن كمية الإشعاع التي تُنتجها تميل إلى تشويش الأنظمة الإلكترونية.

واجه العلماء في CERN بسويسرا هذا المعضلة. في مسرع الجسيمات LHC في CERN، وهو الأكبر عالميًا، تم انبعاث إشعاعات تجعل القياس صعبًا.

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

Rui (Ray) Xu, طالب دكتوراه في الهندسة بجامعة كولومبيا

تم تطوير أول شريحة من هذا النوع في عام 2017 واختُبرت في عام 2022 لتجارب ATLAS. ATLAS هو أكبر كاشف للجسيمات تم بناؤه على الإطلاق، بطول 46 مترًا (150 قدمًا) وقطر 25 مترًا (82 قدمًا).

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، لاكتشاف الفوتونات والإلكترونات والميونات والبيونات وغيرها في آن واحد.

المصدر: ATLAS

تمت معالجة شريحة ثانية، محول الإشارة الرقمي ADC لاقتناء البيانات، وقد اجتازت مؤخرًا اختباراتها النهائية وهي الآن في الإنتاج الكامل. تم وصفها بالكامل في ورقة نُشرت مؤخرًا¹ في مجلة IEEE Explore، تحت عنوان “A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout”.

كيف يؤثر الإشعاع على الإلكترونيات

منذ بداية الإلكترونيات، كان معروفًا أن الإشعاع يميل إلى إتلاف المكونات الإلكترونية و/أو جعلها تُعطي بيانات خاطئة.

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.
• إتلاف كواشف الضوء ومُصدِراته الضوئية إما بشكل فوري أو تقليل عمرها الافتراضي.

هذه مشكلة خطيرة في بيئات الإشعاع العالي، مثل الفضاء، ومسرعات طبية (العلاج الإشعاعي، التصوير الإشعاعي)، أو المنشآت النووية.

أحد الخيارات لحل المشكلة هو 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 المكون موجودًا بنسخ متعددة، أو إذا كان البرنامج يُنفّذ عدة مرات، يمكن اكتشاف الخطأ في نسخة واحدة فقط وتجاهله لاحقًا.

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

بناء إلكترونيات مقاومة للإشعاع

الجدوى التجارية

المشكلة التي واجهها مهندسو وعلماء CERN هي أن المكونات الجاهزة لا يمكنها البقاء على قيد الحياة في الظروف القاسية داخل المسرع.

في الوقت نفسه، سوق الدوائر المقاومة للإشعاع صغير جدًا لدرجة أنه لا يجذب استثمارات من مصنّعي الرقائق التجارية.

“تطوير أدوات قياس متقدمة أمر حاسم لنجاحنا. الصناعة لم تستطع تبرير الجهد، لذا اضطرّ الأكاديميون إلى التدخل.”

John Parsons – أستاذ الفيزياء وقائد فريق جامعة كولومبيا العامل على كاشف ATLAS

في هذه الحالة المحددة، كان الباحثون بحاجة إلى تطوير محولات تماثلية إلى رقمية (ADCs). مهمة هذه الأجهزة هي التقاط الإشارات الكهربائية الناتجة عن تصادمات الجسيمات داخل كواشف CERN وتحويلها إلى بيانات رقمية يمكن للباحثين تحليلها.

يتم ذلك عبر جهاز يُسمى كاليوريم السائل، والذي يحول تصادمات الجسيمات إلى إشارة إلكترونية.

تحوّل شرائح ADC من كولومبيا هذه الإشارات التناظرية الدقيقة إلى قياسات رقمية دقيقة، وتلتقط تفاصيل لا يمكن لأي مكوّن موجود حاليًا تسجيلها بشكل موثوق.

الظروف المتطلبة

اختار الباحثون بحذر حجم المكونات ونظمها ورتّبوا بنية الدوائر وتخطيطاتها لتقليل أضرار الإشعاع، إذ إن الحماية المادية غير واقعية داخل كاشف الجسيمات.

ليس ذلك فحسب، بل كان عليهم أن يأخذوا في الاعتبار أن اللوحات الإلكترونية المعنية لا يمكن الوصول إليها أثناء التشغيل ويمكن صيانتها على الأكثر مرة واحدة في السنة.

مستويات الإشعاع التي ستتعرض لها المكوّنات خلال عمر تشغيل يبلغ 12 سنة عادةً ما تُقابلها الأقمار الصناعية في المدار الجغرافي الثابت.

يمكن تحمل الأخطاء المؤقتة، لكن لا يمكن قبول الضرر الدائم، لأنه سيعيق جميع مشاريع البحث التي تعتمد على ATLAS.

إعادة استخدام تقنيات تصنيع أشباه الموصلات المثبتة

إعادة اختراع طريقة إنتاج أشباه الموصلات لم يكن مسارًا قابلًا للتنفيذ لإنشاء جهاز مفيد ضمن ميزانية وإطار زمني معقولين.

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

كان قرارًا رئيسيًا في هذا الصدد الاعتماد على طرق الليثوغرافيا القديمة، المجربة والمختبرة، باستخدام عملية CMOS ثلاثية بئر 65 نانومتر تجارية لإنتاج رقاقة ASIC المخصصة (دائرة متكاملة مخصصة لتطبيق معين).

تُعرف هذه العملية ذات الـ 65 نانومتر بأنها صلبة ضد الإشعاع بطبيعتها.

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

المصدر: IEEE Explore

مع ذلك، تُجرى حسابات المعايرة خارج الرقاقة لمنع الأخطاء الناجمة عن الإشعاع في الحسابات التي قد تُنتج بيانات خاطئة.

كما نظروا إلى المكثفات، التي يمكن أن تُشحن زائدةً بسبب التأثير المؤين للإشعاع.

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

المصدر: IEEE Explore

التصميم النهائي للرقاقة والاختبار

الرقاقة النهائية هي تصميم إلكتروني صُمم خصيصًا ليكون مثاليًا ضد الإشعاع، بدلاً من التركيز على السرعة العالية أو سهولة التصنيع أو الأداء المعزز كما في المنتجات التجارية.

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

المصدر: IEEE Explore

تمت characterization ثمانية عشر جهازًا للأداء التناظري؛ وتم إجراء تحقق إضافي من الدقة التناظرية على المدى الطويل وحملة اختبار إشعاعية شاملة.

أظهرت جميع النتائج أن الرقائق ستؤدي جيدًا في بيئة كاشف ATLAS.

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

يتم اكتشاف الأخطاء ذات البتين أو الثلاثة، والتي تكون أكثر إشكالية، عن طريق قراءة جميع سجلات الذاكرة دوريًا ومقارنتها بالبرمجة الأولية. أي قياس يُجرى عندما تحدث مثل هذه الأخطاء يُهمل أيضًا.

الخلاصة

سيمكن هذا المشروع البحثي من تحليل متقدم للجسيمات عالية الطاقة التي يولدها LHC.

كما سيكون مكوّنًا حيويًا في ترقية كبرى للمسرع مع “LHC عالي الإضاءة” (HL–LHC)، وهي ترقية تهدف إلى زيادة إضاءة LHC بمقدار 10 أضعاف.

على سبيل المثال، سيُنتج LHC عالي الإضاءة ما لا يقل عن 15 مليون بوزون هيغز سنويًا، مقارنةً بحوالي ثلاثة ملايين من LHC في عام 2017.

المصدر: CERN

من المحتمل أن مشاريع CERN المستقبلية، مثل المسرع الدائري المستقبلي (FFC)، التي ستبدأ تجاربها الأولى في منتصف الأربعينيات من القرن الحالي، ستتطلب أيضًا إلكترونيات مقاومة للإشعاع مماثلة أو أكثر تقدمًا.

أخيرًا، يمكن لهذا النوع من المشاريع، المموَّلة عبر ميزانيات أكاديمية في الفيزياء الأساسية، أن يكون مصدر إلهام لإصدار تجاري من الإلكترونيات المقاومة للإشعاع.

مع سعي البشرية لاستكشاف الفضاء العميق، بما في ذلك القواعد الدائمة المحتملة على القمر والمريخ، أو استخراج المعادن من الكويكبات، ستكون الإلكترونيات الأكثر متانة ومقاومة للإشعاع ذات فائدة كبيرة.

الاستثمار في المستشعرات المتقدمة

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

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

المصدر: CEVA

التطبيق الرئيسي للتعاون بين CEVA وCERN هو “الذكاء الاصطناعي الطرفي”، أو تطبيقات الذكاء الاصطناعي التي تُنشر على الأجهزة بعيدًا عن مراكز البيانات (السحابة) وأقرب إلى المستهلكين (الحافة).

قد لا يكون من المفاجئ رؤية خوارزميات فيزياء الجسيمات تُعاد استخدامها في تطبيقات الذكاء الاصطناعي، حيث استُخدمت الشبكات العصبية، على سبيل المثال، في اكتشاف جسيم هيغز. يتطلب تحليل بيانات مسرعات الجسيمات أن يتم في الموقع بدلًا من السحابة، نظرًا للكم الهائل من البيانات التي تُنتج بسرعة هائلة.

ساعدت CEVA CERN في إنشاء خوارزميات ضغط جديدة يمكن استخدامها في تجارب مستقبلية وستتمكن من دمج هذه التقنية الجديدة في منتجاتها.

“بفضل تعاوننا مع CERN، تمكنا من تطوير نهج مبتكر يتيح تشغيل الشبكات بسرعة تصل إلى 15 مرة أسرع مقارنةً بالنماذج الأساسية ذات 16 بت.

إنه يعزز سرعة الشبكة ويقلل استهلاك الطاقة حتى 90% مع الحفاظ على دقة مماثلة.”

Olya Sirkin – باحث أول في التعلم العميق في Ceva

هذا مجرد أحد التقدمات التقنية لشركة CEVA، حيث تنشط الشركة في مجال الاتصال اللاسلكي، المستشعرات (الرؤية، الصوت، الحركة)، وخوارزميات الشبكات العصبية.

المصدر: CEVA

تستفيد CEVA بشكل كبير من الاتجاه المتزايد للاتصال 5G (بما في ذلك 5G عبر الأقمار الصناعية) وإنترنت الأشياء (IoT) مع حلول AI مدمجة، سواء للحلول الصناعية أو المنزلية. كما أنها رائدة في حلول WiFi 6 وتتمتع بموقع رائد في WiFi 7.

المصدر: Ruije

كشركة برمجيات وIP، تُعرف CEVA جيدًا بين المهندسين وغالبًا ما يغفل عنها المستثمرون المهتمون بقطاعات IoT و5G.

يمكن أن تكون شركة مثيرة للاهتمام على حافة التقدم التكنولوجي في معالجة البيانات والذكاء الاصطناعي الطرفي، كما يوضح اختيار CERN لها للمساعدة في بعض من أكثر تحليلات البيانات تعقيدًا التي أجراها البشر على الإطلاق.

آخر أخبار وتطورات سهم CEVA (CEVA)

الدراسة المشار إليها:

^{1. Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. محول تماثلي-رقمي صلب ضد الإشعاع بثمانية قنوات، 15-بت، 40-MSPS لقراءة كاليوريم السائل في كاشف ATLAS. IEEE Explore. 28 مايو 2025. ص ص 180 – 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}