Strålingshårde chips driver CERN-acceleratorer

Bygning af elektronik til højstrålingsmiljøer

Elektronik er kernen i næsten al teknologi, der er opfundet i de seneste årtier. Efterhånden som verden digitaliserer flere processer og data, bliver dette sandt for hver dag.

Dog har standardelektronik svært ved at følge med i visse miljøer. En af disse er partikelacceleratorer.

På den ene side genererer partikelacceleratorer så mange terabytes data per sekund, at ultraeffektive elektroniske komponenter er nødvendige for at følge med. På den anden side har den mængde stråling, de genererer, en tendens til at forstyrre elektroniske systemer.

Forskere ved CERN i Schweiz stod over for dette dilemma. Ved LHC-partikelacceleratoren på CERN, verdens største, blev der udsendt stråling, hvilket gjorde måling vanskelig.

“Vi testede standard, kommercielle komponenter, og de døde bare. Strålingen var for intens. Vi indså, at hvis vi ville have noget, der fungerede, måtte vi designe det selv.”

Rui (Ray) Xu, en PhD-studerende ved Columbia Engineering

Den første chip af denne type blev udviklet i 2017 og testet i 2022 for ATLAS-eksperimenterne. ATLAS er den største partikeldetektor, der nogensinde er bygget, med en længde på 46 meter (150 fod) og en diameter på 25 meter (82 fod).

Detektorerne indeholder over 100 millioner følsomme elektroniske kanaler til at registrere partiklerne, der produceres af kollisionerne. Den indeholder mange underdetektorer, som hver spiller en separat rolle, for samtidig at detektere fotoner, elektroner, muoner, pioner osv.

Kilde: ATLAS

En anden chip, data‑acquisition‑ADC’en, har for nylig bestået sine endelige tests og er nu i fuld produktion. Den er fuldt beskrevet i et nyligt offentliggjort papir¹ i tidsskriftet IEEE Explore, under titlen “A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout”.

Hvordan stråling påvirker elektronik

Siden elektronikens begyndelse har man vidst, at stråling har en tendens til at beskadige elektroniske komponenter og/eller få dem til at levere forkerte data.

Blandt de mange virkninger, som stråling kan have, kan de mest problematiske hurtigt listes:

• Variation i spænding i transistorer, hvilket kan føre til enten fejlagtige data eller direkte ødelæggelse af transistorerne.
• Ombytning af individuelle bits (0 &1) i hukommelseskomponenter.
• Elektrisk eller termisk udbrænding af integrerede kredsløb.
• Skade på optiske detektorer og lysudsendere kan enten ødelægge dem straks eller reducere deres levetid.

Dette er et alvorligt problem i højstrålingsmiljøer, såsom rummet, medicinske acceleratorer (strålebehandling, radiografi) eller nukleare anlæg.

En mulighed for at løse problemet er simpelthen at anvende tilstrækkelig afskærmning, ved at placere elektronikdelen bag et beskyttende lag, typisk vand eller et tungt element som bly, afhængigt af strålingstypen.

En anden mulighed er redundans og fejlkorrigering. Hvis en komponent findes i flere kopier, eller et program kører flere gange, kan en fejl i kun én af dem opdages og derefter ignoreres.

Den sidste mulighed er at bygge elektroniske systemer, der naturligt er modstandsdygtige over for stråling, hvilket er den eneste mulighed for elektroniske systemer, der skal være direkte udsat for stråling, som f.eks. detektorerne i en partikelaccelerator.

Bygning af strålingssikre elektronik

Kommerciel levedygtighed

Problemet, som CERN-ingeniører og -forskere stod over for, er, at standardkomponenter simpelthen ikke kan overleve de barske forhold inde i acceleratorerne.

Samtidig er markedet for strålingsresistente kredsløb for lille til at lokke investering fra kommercielle chipproducenter.

“Udvikling af topmoderne instrumentering er afgørende for vores succes. Industrien kunne simpelthen ikke retfærdiggøre indsatsen, så akademia måtte træde til.”

John Parsons – professor i fysik og leder af Columbia University-teamet, der arbejder på ATLAS-detektoren

I dette specifikke tilfælde måtte forskerne udvikle analog‑til‑digital‑omformere (ADC’er). Disse enheders opgave er at indfange elektriske signaler, der produceres af partikelkollisioner inde i Cern’s detektorer, og omsætte dem til digitale data, som forskerne kan analysere.

Dette gøres gennem en enhed kaldet en flydende argon‑kalorimeter, som omdanner partikelkollisioner til et elektronisk signal.

Columbias ADC‑chips konverterer disse skrøbelige analoge signaler til præcise digitale målinger, og indfanger detaljer, som ingen eksisterende komponent pålideligt kunne registrere.

Krævende betingelser

Forskerne valgte og dimensionerede omhyggeligt komponenterne og arrangerede kredsløbsarkitekturer og layout for at minimere strålingsskader, da strålingsafskærmning ikke er realistisk i partikeldetektoren.

Ikke kun det, men de måtte også tage højde for, at de elektroniske boards er utilgængelige under drift og kun kan vedligeholdes højst én gang om året.

Strålingsniveauerne, som komponenterne vil opleve i en 12‑års driftslevetid, er typisk de, som satellitter i geostationær bane udsættes for.

Midlertidige fejl kan tolereres, men permanent skade kan ikke accepteres, da den ville hindre arbejdet i alle forskningsprojekter, der kræver ATLAS.

Genbrug af velprøvede fremstillingsteknikker for halvledere

At genopfinde, hvordan man producerer halvledere, ville ikke være en levedygtig vej til at skabe en brugbar enhed inden for et rimeligt budget og tidsramme.

Derfor brugte forskerne kommercielle halvlederprocesser, som er valideret af CERN for strålingsmodstand, og anvendte innovative kredsløbs‑teknikker.

En vigtig beslutning i den henseende var at stole på ældre, afprøvede litografimetoder, ved at bruge en kommerciel, triple‑well 65‑nm CMOS‑proces til produktion af den specialdesignede ASIC‑chip (Application‑Specific Integrated Circuit).

Denne 65 nm‑proces er kendt for at være iboende strålingshærdet.

En anden designbeslutning var at minimere komponenterne, der ikke er direkte på chippen, for at reducere risikoen for fejl ved at integrere chipens interne ure, hukommelse osv.

Kilde: IEEE Explore

Dog udføres kalibreringsberegninger uden for chippen for at forhindre strålingsinducerede fejl i beregningen, som ville give fejlagtige data.

De undersøgte også kondensatorer, som kan blive overopladet af den ioniserende effekt af stråling.

Metal‑insulator‑metal (MiM) kondensatorer er naturligt 30‑80 gange tyndere end en mere konventionel metal‑oxid‑metal (MoM), samtidig med at de er halvt så store, hvilket reducerer overfladen, der potentielt kan rammes af stråling og høj‑energi partikler.

Kilde: IEEE Explore

Endelig chipdesign & test

Den endelige chip er et elektronisk design, der specifikt er udformet til at være optimal mod stråling, i stedet for høj hastighed, let fremstilling eller øget ydeevne som kommercielle produkter.

I alt vil 45.617 af disse chips blive brugt i ATLAS‑detektoren.

Kilde: IEEE Explore

Atten enheder blev karakteriseret for analog ydeevne; yderligere validering af langsigtet analog nøjagtighed og en omfattende strålings‑testkampagne blev gennemført.

Alle resultater indikerede, at chipsene ville fungere godt i ATLAS‑detektorens miljø.

Alligevel, uanset hvor hærdet, vil disse strålingsniveauer forårsage nogle fejl og problemer i ethvert elektronisk system. Så forskerne byggede digitale systemer, der automatisk opdager og korrigerer fejl i realtid.

Dobbelt‑ og tredobbelt‑bit‑fejl, som er mere problematiske, opdages ved periodisk at læse alle hukommelsesregistre tilbage og sammenligne dem med den oprindelige programmering. Enhver måling foretaget, når sådanne dobbelt‑ og tredobbelt‑fejl opstår, kasseres også.

Konklusion

Dette forskningsprojekt vil muliggøre avanceret analyse af højenergi‑partikler genereret af LHC.

Det vil også være en vital komponent i en større opgradering af accelerator­en med “High Luminosity LHC” (HL–LHC), en opgradering, der har til formål at øge LHC’s luminositet med 10‑fold.

For eksempel vil High‑Luminosity LHC producere mindst 15 millioner Higgs‑bosoner om året, sammenlignet med omkring tre millioner fra LHC i 2017.

Kilde: CERN

Det er sandsynligt, at senere CERN‑projekter, som Future Circular Collider (FFC), med de første eksperimenter startende i midten af 2040’erne, også vil kræve lignende eller endda mere avanceret strålingssikre elektronik.

Endelig kan denne type projekt, finansieret gennem akademiske budgetter i grundlæggende fysik, være en inspiration til en kommerciel version af strålingssikre elektronik.

Efterhånden som menneskeheden ser mod at udforske det dybe rum, herunder potentielt permanente måne‑ og Mars‑baser eller minedrift på asteroider, vil mere holdbar og strålingssikker elektronik være meget nyttig.

Investering i avancerede sensorer

CEVA er en sensorvirksomhed og en partner til CERN for at bruge institutionens algoritme til at forbedre effektiviteten og strømforbruget af deres sensorer. CEVA‑løsninger og IP (200 patenter) er integreret i 18 milliarder enheder.

Virksomhedens løsninger anvendes af mange af de førende elektroniske mærker verden over.

Kilde: CEVA

Den primære anvendelse af samarbejdet mellem CEVA og CERN er “Edge AI”, eller kunstig intelligens‑applikationer, der implementeres på enheder væk fra datacentrene (skyen) og tættere på forbrugerne (kanten).

Det er måske ikke overraskende at se partikel‑fysik‑algoritmer genbruges i AI‑applikationer, da neurale netværk for eksempel blev brugt til at finde Higgs‑boson‑partiklen. Analyse af data fra partikelacceleratorer skal udføres lokalt i stedet for i skyen, på grund af den enorme mængde data, der produceres meget hurtigt.

CEVA hjalp CERN med at skabe nye komprimeringsalgoritmer, der kan bruges i fremtidige eksperimenter, og vil kunne integrere denne nye teknologi i sine produkter.

“Tak til vores samarbejde med CERN, var vi i stand til at udvikle en innovativ tilgang, der gør det muligt for netværkene at køre op til 15‑gange hurtigere sammenlignet med 16‑bit basismodeller.

Det øger netværkshastigheden og reducerer energiforbruget med op til 90 % samtidig med at opretholde sammenlignelig nøjagtighed.

Olya Sirkin – senior deep learning‑forsker hos Ceva

Dette er blot én af CEVA’s teknologiske fremskridt, hvor virksomheden er aktiv inden for trådløs forbindelse, sensorer (vision, lyd, bevægelse) og neurale netværksalgoritmer.

Kilde: CEVA

CEVA drager stor fordel af den kombinerede trend med 5G‑forbindelse (inklusive satellit‑5G) og IoT (Internet of Things) med indlejrede AI‑løsninger, både til industrielle og hjemme‑løsninger. Det er også en førende inden for WiFi 6‑løsninger og har en førende position inden for WiFi 7.

Kilde: Ruije

Som en software‑ og IP‑virksomhed er CEVA velkendt blandt ingeniører og bliver ofte overset af investorer, der er interesseret i IoT‑ og 5G‑sektorerne.

Det kan være en interessant virksomhed i den helt forreste kant af teknologisk fremgang inden for databehandling og edge AI, som illustreret af CERN’s udvælgelse af den til at hjælpe med nogle af de mest komplekse dataanalyser, der nogensinde er udført af menneskeheden.

Seneste CEVA (CEVA) aktienyheder og udviklinger

Studie refereret:

^{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 maj 2025. pp 180 – 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}