Elektronik
Strålingshærdede chips driver CERN-acceleratorer
Securities.io opretholder strenge redaktionelle standarder og kan modtage kompensation fra gennemgåede links. Vi er ikke en registreret investeringsrådgiver, og dette er ikke investeringsrådgivning. Se venligst vores tilknyttet videregivelse.
Bygningselektronik til miljøer med høj stråling
Elektronik er kernen i næsten al teknologi, der er opfundet i de seneste årtier. I takt med at verden digitaliserer endnu flere processer og data, bliver dette mere sandt hver dag.
I nogle miljøer har standardelektronik dog svært ved at følge med. En af disse er partikelacceleratorer.
På den ene side genererer partikelacceleratorer så mange terabyte data pr. sekund, at der er behov for ultraeffektive elektroniske komponenter 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 målingerne vanskelige.
"Vi testede standardkomponenter, der kunne købes, og de døde bare. Strålingen var for intens. Vi indså, at hvis vi ville have noget, der virkede, skulle vi selv designe det."
Den første chip af denne art blev udviklet i 2017 og sat på prøve i 2022 til ATLAS-eksperimenterne. ATLAS er den største partikeldetektor nogensinde bygget, med en længde på 46 meter og en diameter på 150 meter.
Detektorerne indeholder over 100 millioner følsomme elektroniske kanaler til at registrere de partikler, der produceres af kollisionerne. De indeholder mange underdetektorer, der hver spiller en separat rolle, til samtidig at detektere fotoner, elektroner, myoner, pioner osv.
Kilde: ATLAS
En anden chip, dataopsamlings-ADC'en, har for nylig bestået sine endelige tests og er nu i fuld produktion. Den er fuldt ud beskrevet i en nyligt offentliggjort artikel.1 i tidsskriftet IEEE Explore, under titlen “En strålingshård 8-kanals 15-bit 40-MSPS ADC til ATLAS flydende argon kalorimeteraflæsning".
Hvordan stråling påvirker elektronik
Siden elektronikkens begyndelse har det været kendt, at stråling har en tendens til at beskadige elektroniske komponenter og/eller få dem til at afgive forkerte data.
Blandt de mange effekter, stråling kan have, kan de mest problematiske hurtigt nævnes:
- Variation i spænding i transistorer, hvilket fører til enten fejlagtige data eller direkte ødelæggelse af transistorerne.
- Vending af individuelle bits (0 & 1) i hukommelseskomponenter.
- Elektrisk eller termisk udbrænding af integrerede kredsløb.
- Beskadigelse af optiske detektorer og lysudsendere kan enten ødelægge dem øjeblikkeligt eller reducere deres levetid.
Dette er et alvorligt problem i miljøer med høj stråling, som f.eks. i rummet, medicinske acceleratorer (strålebehandling, radiografi) eller nukleare anlæg.
En løsning på problemet er simpelthen at bruge tilstrækkelig afskærmning, hvor elektronikdelen placeres bag et beskyttende lag, normalt vand eller et tungt element som bly, afhængigt af typen af stråling.
En anden mulighed er redundans og fejlkorrektion. Hvis en komponent findes i flere kopier, eller et program kører flere gange, kan en fejl i kun én af dem detekteres og efterfølgende ignoreres.
Den sidste mulighed er at bygge elektroniske systemer, der er naturligt modstandsdygtige over for stråling, hvilket er den eneste mulighed for elektroniske systemer, der skal udsættes direkte for stråling, som f.eks. detektorerne i en partikelaccelerator.
| Strålingseffekt | Beskrivelse | Impact |
|---|---|---|
| Spændingstærskelskift | Stråling ændrer transistorernes adfærd | Forårsager logiske fejl eller komponentfejl |
| Enkeltstående forstyrrelser (SEU'er) | Bitskift i hukommelse eller logikkredsløb | Kan beskadige data eller nedbryde systemer |
| Låsning | Kortslutning induceret af ladede partikler | Kan permanent beskadige chips |
| Total ioniserende dosis (TID) | Gradvis nedbrydning fra strålingseksponering | Forkorter enhedernes levetid |
Bygning af strålingssikker elektronik
Kommerciel levedygtighed
Problemet, som CERNs ingeniører og forskere stod over for, er, at standardkomponenter simpelthen ikke kan overleve de barske forhold inde i acceleratoren.
Samtidig er markedet for strålingsresistente kredsløb for lille til at tiltrække investeringer fra kommercielle chipproducenter.
"Udvikling af avanceret instrumentering er afgørende for vores succes. Industrien kunne simpelthen ikke retfærdiggøre indsatsen, så den akademiske verden måtte træde til."
I dette specifikke tilfælde skulle forskerne udvikle analog-til-digital-konvertere (ADC'er). Disse enheders opgave er at opfange elektriske signaler produceret af partikelkollisioner inde i CERNs detektorer og omsætte dem til digitale data, som forskere kan analysere.
Dette gøres via en enhed kaldet et flydende argonkalorimeter, som omdanner partikelkollisioner til et elektronisk signal.
Columbias ADC-chips konverterer disse fine analoge signaler til præcise digitale målinger og indfanger detaljer, som ingen eksisterende komponent pålideligt kunne optage.
Krævende forhold
Forskerne valgte og dimensionerede omhyggeligt komponenter og arrangerede kredsløbsarkitekturer og -layouts for at minimere strålingsskader, da strålingsafskærmning ikke er realistisk i partikeldetektoren.
Ikke nok med det, men de måtte tage højde for, at de pågældende elektroniske tavler er utilgængelige under drift og kan tilgås i forbindelse med vedligeholdelse højst én gang om året.
De strålingsniveauer, som komponenterne vil opleve i løbet af en 12-årig levetid, møder typisk satellitter i geostationær kredsløb.
Midlertidige fejl kan tolereres, men permanent skade kan ikke accepteres, da det ville hindre arbejdet i alle de forskningsprojekter, der kræver ATLAS.
Genbrug af dokumenterede halvlederfremstillingsteknikker
At genopfinde, hvordan man producerer halvledere, ville ikke være en farbar vej til at skabe en nyttig enhed inden for et rimeligt budget og en rimelig tidsramme.
Så forskerne brugte kommercielle halvlederprocesser, der var valideret af CERN for strålingsresistens, og anvendte innovative teknikker på kredsløbsniveau.
En central beslutning i den henseende var at benytte ældre, afprøvede litografimetoder ved hjælp af en kommerciel 65-nm CMOS-proces med tre brønde til produktion af den brugerdefinerede ASIC-chip (Application-Specific Integrated Circuit).
Denne 65 nm-proces er kendt for at være iboende strålingshærdet.
Et andet designvalg var at minimere de komponenter, der ikke er direkte til stede på chippen, hvilket reducerer risikoen for fejl ved at integrere chippens interne ure, hukommelser osv.
Kilde: IEEE Udforsk
Kalibreringsberegninger udføres dog off-chip for at forhindre strålingsinducerede fejl i beregningen, der ville give fejlagtige data.
De undersøgte også kondensatorer, som kan blive overopladet af strålingens ioniserende effekt.
Metal-isolator-metal (MiM) kondensatorer er naturligt 30x-80x tyndere end mere konventionelle metal-oxid-metal (MoM), samtidig med at de er halvt så store, hvilket reducerer den overflade, der potentielt kan blive ramt af stråling og højenergipartikler.
Kilde: IEEE Udforsk
Endeligt chipdesign og -testning
Den endelige chip er et elektronisk design, der er specifikt designet til at være optimalt mod stråling, i stedet for høj hastighed, nem fremstilling eller forbedret ydeevne som kommercielle produkter.
I alt vil 45,617 af disse chips blive brugt i ATLAS-detektoren.
Kilde: IEEE Udforsk
Atten enheder blev karakteriseret for analog ydeevne; yderligere validering af langsigtet analog nøjagtighed og en omfattende strålingstestkampagne blev gennemført.
Alle resultater indikerede, at chipsene ville klare sig godt i ATLAS-detektorens miljø.
Uanset hvor hårdt disse strålingsniveauer er, vil de forårsage fejl og problemer i alle elektroniske systemer. Forskerne byggede derfor digitale systemer, der automatisk registrerer og retter fejl i realtid.
Dobbelt- og tredobbelte bitfejl, som er mere problematiske, detekteres ved periodisk at læse alle hukommelsesregistre tilbage og sammenligne dem med den oprindelige programmering. Enhver måling, der foretages, når sådanne dobbelt- og tredobbelte fejl opstår, kasseres også.
Konklusion
Dette forskningsprojekt vil muliggøre avanceret analyse af højenergipartikler genereret af LHC.
Det vil også være en vigtig del af en større opgradering af acceleratoren med "LHC med høj lysstyrke" (HL–LHC), en opgradering, der har til formål at øge LHC's lysstyrke med 10 gange.
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 f.eks. Fremtidens cirkulære kollision (FFC), med de første eksperimenter, der starter i midten af 2040'erne, vil også kræve lignende eller endda mere avanceret strålingssikker elektronik.
Endelig kan denne type projekt, finansieret gennem akademiske budgetter i grundlæggende fysik, være en inspiration til en kommerciel version af strålingssikker elektronik.
I takt med at menneskeheden ønsker at udforske det ydre rum, herunder potentielt permanente måne- og Marsbaser eller asteroideminedrift, vil mere holdbar og strålingssikker elektronik være meget nyttig.
Investering i avancerede sensorer
CEVA
(CEVA )
CEVA er en sensorvirksomhed og partner med CERN, der bruger institutionens algoritme til at forbedre effektiviteten og strømforbruget af sine sensorer. CEVA-løsninger og IP (200 patenter) er integreret i 18 milliarder enheder.
Virksomhedens løsninger bruges af mange af de førende elektronikmærker verden over.
Kilde: CEVA
Hovedapplikationen af samarbejdet mellem CEVA og CERN er "Edge AI", eller kunstig intelligens-applikationer, der er installeret på enheder væk fra datacentrene (skyen) og tættere på forbrugerne (kanten).
Det er måske ikke overraskende at se partikelfysikalgoritmer blive genbrugt i AI-applikationer, da neurale netværk for eksempel blev brugt til at finde Higgs bosonpartiklen. Analyse af partikelacceleratordata skal udføres på stedet i stedet for i skyen på grund af den store mængde data, der produceres meget hurtigt.
CEVA hjalp CERN med at skabe nye komprimeringsalgoritmer, der kan bruges i fremtidige eksperimenter, og som vil være i stand til at integrere denne nye teknologi i sine produkter.
"Takket være 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 forbedrer netværkshastigheden og reducerer energiforbruget med op til 90 %, samtidig med at det opretholder en sammenlignelig nøjagtighed.”
Dette er blot én af CEVAs 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 satellitbaseret 5G) og IoT (Internet of Things) med indlejrede AI-løsninger, både til industrielle og private løsninger. Virksomheden er også førende inden for WiFi 6-løsninger og har en førende position inden for WiFi 7.
Kilde: Ruije
Som software- og IP-virksomhed er CEVA velkendt blandt ingeniører og overses ofte af investorer, der er interesserede i IoT- og 5G-sektorerne.
Det kan være en interessant virksomhed på kanten af den teknologiske udvikling inden for databehandling og edge AI, som illustreret af CERNs valg af den til at hjælpe med nogle af de mest komplekse dataanalyser, menneskeheden nogensinde har udført.
Seneste CEVA (CEVA) aktienyheder og udviklinger
Undersøgelse refereret:
1Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. En strålingshård 8-kanals 15-bit 40-MSPS ADC til ATLAS flydende argon kalorimeteraflæsning. IEEE Explore. 28 May 2025. sp 180 - 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904
{
"@context": "https://schema.org",
"@type": "FAQPage",
"hoveenheden": [
{
"@type": "Spørgsmål",
"navn": "Hvorfor er strålingssikker elektronik vigtig for partikelacceleratorer?"
"acceptedAnswer": {
"@type": "Svar",
"tekst": "Strålingssikker elektronik er afgørende for partikelacceleratorer som CERNs LHC, fordi høje strålingsniveauer kan beskadige standardchips og forvrænge data. Specialiserede chips sikrer pålidelig ydeevne og nøjagtige målinger i disse ekstreme miljøer."
}
},
{
"@type": "Spørgsmål",
"navn": "Hvad gør den CERN-udviklede ADC-chip unik?",
"acceptedAnswer": {
"@type": "Svar",
"tekst": "ADC-chippen, der er udviklet til CERN, er bygget ved hjælp af en 65nm CMOS-proces, der er kendt for strålingshårdhed. Den integrerer fejlkorrektion, MiM-kondensatorer og brugerdefineret arkitektur for at overleve i miljøer med høj stråling i over et årti."
}
},
{
"@type": "Spørgsmål",
"navn": "Hvilken rolle spiller CEVA i CERN-eksperimenter?"
"acceptedAnswer": {
"@type": "Svar",
"tekst": "CEVA samarbejder med CERN for at optimere kant-AI og komprimeringsalgoritmer til behandling af partikeldata. Deres bidrag forbedrer energieffektiviteten og beregningshastighederne i realtidsdataanalyse."
}
}
]
}
