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.

Allerdings haben Standard‑Elektronik in manchen Umgebungen 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.“

Rui (Ray) Xu, ein Doktorand der Columbia Engineering

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 Rolle spielen, 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

Seit den Anfängen der Elektronik ist bekannt, dass Strahlung elektronische Bauteile beschädigen und/oder falsche Daten liefern kann.

Unter den vielen Effekten, die Strahlung haben kann, lassen sich die problematischsten schnell aufzählen:

• Spannungsabweichungen in Transistoren, die zu fehlerhaften Daten oder zum vollständigen Zerstören der Transistoren führen.
• Umschalten einzelner Bits (0 & 1) in Speicherelementen.
• Elektrischer oder thermischer Durchbrand integrierter Schaltkreise.
• Beschädigungen optischer Detektoren und Lichtemitter 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, ausreichend Abschirmung zu verwenden und die Elektronik hinter einer Schutzschicht zu platzieren, meist Wasser oder ein schweres Element wie Blei, je nach Strahlungsart.

Eine weitere Option ist Redundanz und Fehlerkorrektur. Wenn ein Bauteil mehrfach vorhanden ist oder ein Programm mehrmals ausgeführt wird, kann ein Fehler in nur einem 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.

Strahlungsfeste Elektronik entwickeln

Kommerzielle Rentabilität

Das Problem, dem die Ingenieure und Wissenschaftler des CERN gegenüberstanden, ist, dass Standard‑Komponenten die harten Bedingungen im Beschleuniger 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.“

John Parsons – Professor für Physik und Leiter des Columbia‑University‑Teams, das am ATLAS‑Detektor arbeitet

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, zu erfassen und in digitale Daten umzuwandeln, die von Forschern analysiert werden 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 bestehendes Bauteil zuverlässig aufzeichnen könnte.

Anspruchsvolle Bedingungen

Die Forscher wählten und dimensionierten die Bauteile sorgfältig und gestalteten Schaltkreisarchitekturen und Layouts, um Strahlenschäden zu minimieren, da Abschirmung im Teilchen‑Detektor nicht realistisch ist.

Nicht nur das, sie mussten berücksichtigen, dass die betreffenden Elektronik‑Boards während des Betriebs nicht zugänglich sind und höchstens einmal im Jahr für Wartungsarbeiten erreichbar sind.

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 ein nützliches Gerät innerhalb eines vernünftigen Budgets und Zeitrahmens 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 Design‑Entscheidung war, die nicht direkt auf dem Chip vorhandenen Bauteile zu minimieren, um das Fehlerrisiko zu reduzieren, indem die internen Uhren, Speicher usw. des Chips integriert wurden.

Quelle: IEEE Explore

Allerdings werden Kalibrierungsberechnungen off‑chip durchgeführt, um strahlungsinduzierte Fehler in den Berechnungen, die falsche Daten liefern würden, zu verhindern.

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 wie kommerzielle Produkte auf hohe Geschwindigkeit, Fertigungs­leicht­keit oder gesteigerte Leistung zu setzen.

Insgesamt werden 45 617 dieser Chips im ATLAS‑Detektor eingesetzt.

Quelle: IEEE Explore

Achtzehn Geräte wurden hinsichtlich ihrer analogen Leistung charakterisiert; eine weiterführende Validierung der langfristigen analogen Genauigkeit und eine umfangreiche Strahlungstestkampagne wurden 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 automatisch in Echtzeit 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 bei Auftreten solcher Doppel‑ oder Dreifach‑Fehler genommen wird, wird ebenfalls verworfen.

Fazit

Dieses Forschungsprojekt ermöglicht die fortgeschrittene Analyse von Hochenergie‑Teilchen, die vom LHC erzeugt werden.

Es wird auch ein wesentlicher Bestandteil eines großen Upgrades des Beschleunigers sein, dem „High Luminosity LHC“ (HL‑LHC), einem Upgrade, das die Luminosität des LHC um das Zehnfache steigern soll.

Zum Beispiel wird das 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 (FFC), 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 haltbarere und strahlungsfeste Elektronik sehr nützlich sein.

Investitionen in fortschrittliche Sensoren

CEVA ist ein Sensorunternehmen und Partner des CERN, das den Algorithmus der Institution nutzt, um die Effizienz und 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 der 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 Suche nach dem Higgs‑Boson eingesetzt wurden. Die Analyse von Teilchenbeschleuniger‑Daten muss vor Ort erfolgen und nicht in der Cloud, aufgrund des enormen Datenvolumens, das sehr schnell erzeugt wird.

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.“

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher bei Ceva

Dies ist nur einer von CEVAs technologischen Fortschritten; das Unternehmen ist aktiv in den Bereichen drahtlose Konnektivität, Sensoren (Vision, Audio, Bewegung) und neuronale Netzwerk‑Algorithmen.

Quelle: CEVA

CEVA profitiert stark vom Zusammenspiel der Trends 5G‑Konnektivität (einschließlich Satelliten‑5G) und IoT (Internet of Things) mit eingebetteten KI‑Lösungen, sowohl für industrielle als auch für Heimlösungen. Das Unternehmen ist zudem führend bei WiFi‑6‑Lösungen und hat eine Spitzenposition bei WiFi‑7.

Quelle: Ruije

Als Software‑ und IP‑Unternehmen ist CEVA unter 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 für einige 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 Mai 2025. pp 180 – 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}