Elektronik
Strahlungshärte‑Chips treiben CERN‑Beschleuniger an
Elektronik für Hochstrahlungsumgebungen entwickeln
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.
In manchen Umgebungen jedoch hat Standard‑Elektronik Schwierigkeiten, mitzuhalten. Eine davon sind Teilchenbeschleuniger.
Einerseits erzeugen Teilchenbeschleuniger so viele Terabyte Daten pro Sekunde, dass ultra‑effiziente elektronische Bauteile nötig sind, um Schritt zu halten. Andererseits führt die von ihnen erzeugte Strahlung dazu, dass elektronische Systeme durcheinander geraten.
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.
„Wir haben Standard‑Kommerzkomponenten getestet, und sie sind einfach ausgefallen. Die Strahlung war zu intensiv. Uns wurde klar, dass wir, wenn wir etwas Funktionsfähiges wollten, es selbst entwerfen müssten.“
Der erste Chip dieser Art wurde 2017 entwickelt und 2022 für die ATLAS‑Experimente getestet. ATLAS ist der größte jemals gebaute Teilchendetektor, 46 Meter (150 Fuß) lang und 25 Meter (82 Fuß) im Durchmesser.
Die Detektoren enthalten über 100 Millionen empfindliche elektronische Kanäle, um die bei den Kollisionen erzeugten Teilchen aufzuzeichnen. Sie umfassen zahlreiche Sub‑Detektoren, die jeweils eine eigene Aufgabe übernehmen, um gleichzeitig Photonen, Elektronen, Myonen, Pionen usw. zu detektieren.
Quelle: ATLAS
Ein zweiter Chip, der Datenakquisitions‑ADC, hat kürzlich seine Endtests bestanden und befindet sich nun in voller Produktion. Er wird vollständig in einem kürzlich veröffentlichten Papier1 in der Zeitschrift IEEE Explore beschrieben, mit dem Titel „A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout“.
Wie Strahlung Elektronik beeinflusst
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.
Unter den vielen Auswirkungen, die Strahlung haben kann, lassen sich die problematischsten schnell aufzählen:
- Spannungsabweichungen in Transistoren, die zu fehlerhaften Daten oder zum völligen Zerstören der Transistoren führen.
- Umschalten einzelner Bits (0 & 1) in Speicherbausteinen.
- Elektrischer oder thermischer Durchbrand integrierter Schaltkreise.
- Beschädigungen von optischen Detektoren und Lichtemittenten können sie sofort zerstören oder ihre Lebensdauer verkürzen.
Dies ist ein ernstes Problem in Hochstrahlungsumgebungen, wie dem Weltraum, medizinischen Beschleunigern (Strahlentherapie, Radiographie) oder Kernanlagen.
Eine Möglichkeit, das Problem zu lösen, besteht darin, einfach ausreichend Abschirmung zu verwenden und die Elektronik hinter einer Schutzschicht zu platzieren, üblicherweise Wasser oder ein schweres Element wie Blei, je nach Strahlungsart.
Eine weitere Option ist Redundanz und Fehlerkorrektur. Wenn ein Bauteil in mehreren Kopien vorliegt oder ein Programm mehrfach ausgeführt wird, kann ein Fehler in nur einer davon erkannt und anschließend ignoriert werden.
Die letzte Möglichkeit besteht darin, Elektroniksysteme zu bauen, die von Natur aus strahlungsresistent sind – die einzige Option für Systeme, die direkt der Strahlung ausgesetzt werden müssen, wie die Detektoren eines Teilchenbeschleunigers.
| Strahlungseffekt | Beschreibung | Auswirkung |
|---|---|---|
| Verschiebungen der Spannungsschwelle | Strahlung verändert das Verhalten von Transistoren | Verursacht Logikfehler oder Bauteilausfall |
| Einzelereignis‑Upsets (SEUs) | Bit‑Umschaltungen im Speicher oder in Logikschaltungen | Kann Daten beschädigen oder Systeme zum Absturz bringen |
| Latch‑Up | Kurzschluss verursacht durch geladene Teilchen | Kann Chips dauerhaft beschädigen |
| Totale ionisierende Dosis (TID) | Allmähliche Degradation durch Strahlungsbelastung | Verringert die Lebensdauer von Geräten |
Strahlungsfeste Elektronik bauen
Kommerzielle Machbarkeit
Das Problem, dem die Ingenieure und Wissenschaftler des CERN gegenüberstanden, ist, dass Standard‑Komponenten die harten Bedingungen im Inneren des Beschleunigers einfach nicht überleben können.
Gleichzeitig ist der Markt für strahlungsresistente Schaltungen zu klein, um Investitionen von kommerziellen Chip‑Herstellern zu locken.
„Die Entwicklung modernster Instrumentierung ist entscheidend für unseren Erfolg. Die Industrie konnte den Aufwand einfach nicht rechtfertigen, daher musste die Wissenschaft einspringen.“
In diesem speziellen Fall mussten die Forscher Analog‑zu‑Digital‑Wandler (ADCs) entwickeln. Die Aufgabe dieser Geräte besteht darin, elektrische Signale, die bei Teilchenkollisionen in den CERN‑Detektoren entstehen, aufzunehmen und in digitale Daten zu übersetzen, die die Forscher analysieren können.
Dies geschieht über ein Gerät, das als Flüssig‑Argon‑Kalorimeter bezeichnet wird und Teilchenkollisionen in ein elektrisches Signal umwandelt.
Die ADC‑Chips von Columbia wandeln diese empfindlichen analogen Signale in präzise digitale Messungen um und erfassen Details, die kein vorhandenes Bauteil zuverlässig aufzeichnen könnte.
Anspruchsvolle Bedingungen
Die Forscher wählten und dimensionierten die Bauteile sorgfältig und gestalteten die Schaltungsarchitekturen und Layouts, um Strahlenschäden zu minimieren, da Abschirmungen im Teilchen‑Detektor nicht realistisch sind.
Nicht nur das, sie mussten berücksichtigen, dass die betreffenden Elektronik‑Boards während des Betriebs nicht zugänglich sind und höchstens einmal im Jahr gewartet werden können.
Die Strahlungspegel, denen die Bauteile während einer 12‑jährigen Betriebsdauer ausgesetzt werden, kommen typischerweise bei Satelliten in geostationärer Umlaufbahn vor.
Temporäre Fehler können toleriert werden, aber permanente Schäden sind nicht akzeptabel, da sie die Arbeit aller Forschungsprojekte, die ATLAS benötigen, behindern würden.
Bewährte Halbleiterfertigungstechniken wiederverwenden
Die Neuerfindung der Halbleiterproduktion war kein gangbarer Weg, um innerhalb eines vernünftigen Budgets und Zeitrahmens ein brauchbares Gerät zu schaffen.
Daher nutzten die Forscher kommerzielle Halbleiterprozesse, die vom CERN auf Strahlungsresistenz geprüft wurden, und setzten innovative Schaltungstechniken ein.
Eine zentrale Entscheidung war, auf ältere, bewährte Lithographieverfahren zu setzen und einen kommerziellen Triple‑Well‑65‑nm‑CMOS‑Prozess für die Herstellung des ASIC‑Sonderchips (Application‑Specific Integrated Circuit) zu verwenden.
Dieser 65‑nm‑Prozess ist dafür bekannt, von Natur aus strahlungshärt zu sein.
Eine weitere Designentscheidung war, die nicht direkt auf dem Chip vorhandenen Bauteile zu minimieren, um das Fehlerrisiko zu reduzieren, indem die internen Takte, Speicher usw. des Chips integriert wurden.
Quelle: IEEE Explore
Allerdings werden Kalibrierungsberechnungen off‑chip durchgeführt, um strahlungsinduzierte Fehler in den Berechnungen zu vermeiden, die zu fehlerhaften Daten führen würden.
Sie untersuchten zudem Kondensatoren, die durch die ionisierende Wirkung der Strahlung überladen werden können.
Metal‑Insulator‑Metal‑(MiM‑)Kondensatoren sind von Natur aus 30‑ bis 80‑mal dünner als herkömmliche Metal‑Oxide‑Metal‑(MoM‑)Kondensatoren und gleichzeitig halb so groß, wodurch die Oberfläche, die von Strahlung und hochenergetischen Teilchen getroffen werden kann, reduziert wird.
Quelle: IEEE Explore
Endgültiges Chip‑Design & Test
Der endgültige Chip ist ein elektronisches Design, das speziell dafür ausgelegt ist, gegenüber Strahlung optimal zu sein, anstatt hohe Geschwindigkeit, Fertigungs‑leichtkeit oder gesteigerte Leistung wie kommerzielle Produkte zu priorisieren.
Insgesamt werden 45.617 dieser Chips im ATLAS‑Detektor eingesetzt.
Quelle: IEEE Explore
Achtzehn Geräte wurden hinsichtlich ihrer analogen Leistung charakterisiert; anschließend wurden die langfristige analoge Genauigkeit weiter validiert und eine umfangreiche Strahlungstest‑Kampagne durchgeführt.
Alle Ergebnisse zeigten, dass die Chips in der Umgebung des ATLAS‑Detektors gut funktionieren würden.
Dennoch werden diese Strahlungspegel, egal wie gehärtet, in jedem elektronischen System einige Fehler und Probleme verursachen. Daher entwickelten die Forscher digitale Systeme, die Fehler in Echtzeit automatisch erkennen und korrigieren.
Doppel‑ und Dreifach‑Bit‑Fehler, die problematischer sind, werden erkannt, indem periodisch alle Speicherregister ausgelesen und mit der ursprünglichen Programmierung verglichen werden. Jede Messung, die während solcher Doppel‑ oder Dreifach‑Fehler erfolgt, wird ebenfalls verworfen.
Fazit
Dieses Forschungsprojekt wird die fortgeschrittene Analyse von Hochenergie‑Teilchen, die vom LHC erzeugt werden, ermöglichen.
Es wird zudem ein wesentlicher Bestandteil eines großen Upgrades des Beschleunigers sein, dem „High Luminosity LHC“ (HL–LHC, ein Upgrade, das die Luminosität des LHC um das Zehnfache steigern soll.
Zum Beispiel wird der High‑Luminosity‑LHC mindestens 15 Millionen Higgs‑Bosonen pro Jahr erzeugen, verglichen mit etwa drei Millionen beim LHC im Jahr 2017.
Quelle: CERN
Es ist wahrscheinlich, dass spätere CERN‑Projekte, wie der Future Circular Collider (FCC), mit den ersten Experimenten Mitte der 2040er‑Jahre, ebenfalls ähnliche oder noch fortschrittlichere strahlungsfeste Elektronik benötigen werden.
Abschließend kann ein solches Projekt, das über akademische Budgets in der Grundlagenphysik finanziert wird, als Inspiration für eine kommerzielle Version strahlungsfester Elektronik dienen.
Da die Menschheit bestrebt ist, den tiefen Weltraum zu erkunden, einschließlich potenziell permanenter Mond‑ und Mars‑Basen oder des Asteroidenbergbaus, werden robustere und strahlungsfeste Elektronik sehr nützlich sein.
Investitionen in fortschrittliche Sensoren
CEVA
(CEVA )
CEVA ist ein Sensorunternehmen und Partner des CERN, um den Algorithmus der Institution zu nutzen und die Effizienz sowie den Stromverbrauch seiner Sensoren zu verbessern. CEVA‑Lösungen und IP (200 Patente) sind in 18 Milliarden Geräten integriert.
Die Lösungen des Unternehmens werden von vielen führenden Elektronikmarken weltweit eingesetzt.
Quelle: CEVA
Die Hauptanwendung der Zusammenarbeit zwischen CEVA und dem CERN ist „Edge‑AI“, also KI‑Anwendungen, die auf Geräten außerhalb von Rechenzentren (der Cloud) und näher beim Endverbraucher (am Edge) eingesetzt werden.
Es ist nicht überraschend, dass Algorithmen der Teilchenphysik in KI‑Anwendungen wiederverwendet werden, da neuronale Netze beispielsweise bei der Entdeckung des Higgs‑Bosons eingesetzt wurden. Die Analyse von Teilchenbeschleuniger‑Daten muss vor Ort und nicht in der Cloud erfolgen, da die Datenmenge sehr schnell entsteht.
CEVA half dem CERN, neue Kompressionsalgorithmen zu entwickeln, die in zukünftigen Experimenten eingesetzt werden können, und wird diese neue Technologie in seine Produkte integrieren können.
“Dank unserer Zusammenarbeit mit dem CERN konnten wir einen innovativen Ansatz entwickeln, der es den Netzwerken ermöglicht, bis zu 15‑mal schneller zu laufen im Vergleich zu 16‑Bit‑Baseline‑Modellen.
Er erhöht die Netzwerkgeschwindigkeit und reduziert den Energieverbrauch um bis zu 90 %, bei gleichzeitig vergleichbarer Genauigkeit.”
Dies ist nur einer von CEVA‑technologischen Fortschritten, wobei das Unternehmen in den Bereichen drahtlose Konnektivität, Sensoren (Vision, Audio, Motion) und neuronale Netzwerk‑Algorithmen aktiv ist.
Quelle: CEVA
CEVA profitiert stark vom Zusammenspiel der Trends 5G‑Konnektivität (einschließlich Satelliten‑5G) und IoT (Internet of Things) mit integrierten KI‑Lösungen, sowohl für industrielle als auch für Heimlösungen. Das Unternehmen ist zudem ein Marktführer für WiFi‑6‑Lösungen und hat eine führende Position bei WiFi‑7.
Quelle: Ruije
Als Software‑ und IP‑Unternehmen ist CEVA bei Ingenieuren gut bekannt und wird von Investoren, die an den IoT‑ und 5G‑Sektoren interessiert sind, häufig übersehen.
Es kann ein interessantes Unternehmen an der Spitze des technologischen Fortschritts in der Datenverarbeitung und Edge‑AI sein, wie die Auswahl durch das CERN verdeutlicht, das CEVA zur Unterstützung einiger der komplexesten Datenanalysen der Menschheitsgeschichte einsetzt.
Neueste CEVA (CEVA) Aktiennachrichten und Entwicklungen
Studie referenziert:
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
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