Υπολογιστική
Ακτινοπροστατευμένα Σπασίδια Τροφοδοτούν τους Επιταχυντές του CERN
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
Κατασκευή Ηλεκτρονικών για Περιβάλλοντα Υψηλής Ακτινοβολίας
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.
Ωστόσο, σε ορισμένα περιβάλλοντα, τα τυπικά ηλεκτρονικά δυσκολεύονται να ανταποκριθούν. Ένα από αυτά είναι οι επιταχυντές σωματιδίων.
Από τη μία πλευρά, οι επιταχυντές σωματιδίων παράγουν τόσα πολλά τεραμπάιτ δεδομένων ανά δευτερόλεπτο που απαιτούνται εξαιρετικά αποδοτικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα για να τα συμβαδίζουν. Από την άλλη, η ποσότητα της ακτινοβολίας που παράγουν τείνει να διαταράσσει τα ηλεκτρονικά συστήματα.
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.
“Δοκιμάσαμε τυπικά, εμπορικά εξαρτήματα, και απλώς απέτυχαν. Η ακτινοβολία ήταν πολύ έντονη. Συνειδητοποιήσαμε ότι αν θέλαμε κάτι που να λειτουργεί, θα έπρεπε να το σχεδιάσουμε εμείς.”
Rui (Ray) Xu, φοιτητής διδακτορικού στο Columbia Engineering
The first chip of this kind was developed in 2017 and put to the test in 2022 for the ATLAS experiments. ATLAS is the largest particle detector ever built, at 46 meters (150 feet) long and 25 meters (82 feet) in diameter.
Οι ανιχνευτές περιέχουν πάνω από 100 εκατομμύρια ευαίσθητα ηλεκτρονικά κανάλια για την καταγραφή των σωματιδίων που παράγονται από τις συγκρούσεις. Περιλαμβάνει πολλούς υποανιχνευτές, ο καθένας με διαφορετικό ρόλο, για την ταυτόχρονη ανίχνευση φωτονίων, ηλεκτρονίων, μιόνων, πιονίων κ.λπ.
Πηγή: ATLAS
A second chip, the data acquisition ADC, has recently passed its final tests and is now in full production. It is fully described in a recently published paper1 in the journal IEEE Explore, under the title “A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout”.
Πώς η Ακτινοβολία Επηρεάζει τα Ηλεκτρονικά
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.
Ανάμεσα στα πολλά εφέ που μπορεί να έχει η ακτινοβολία, τα πιο προβληματικά μπορούν να καταγραφούν γρήγορα:
- Μεταβολή της τάσης στα τρανζίστορ, οδηγώντας είτε σε λανθασμένα δεδομένα είτε σε πλήρη καταστροφή των τρανζίστορ.
- Αναστροφή μεμονωμένων δυαδικών ψηφίων (0 &1) σε μνήμες.
- Ηλεκτρική ή θερμική υπερθέρμανση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
- Η ζημιά σε οπτικούς ανιχνευτές και εκπομπούς φωτός μπορεί είτε να τους καταστρέψει άμεσα είτε να μειώσει τη διάρκεια ζωής τους.
This is a serious problem in high-radiation environments, like space, medical accelerators (radiation therapy, radiography), or nuclear facilities.
Μία επιλογή για την επίλυση του προβλήματος είναι η χρήση επαρκούς προστατευτικού υλικού, τοποθετώντας τα ηλεκτρονικά πίσω από ένα προστατευτικό στρώμα, συνήθως νερό ή βαρύ στοιχείο όπως το μόλυβδο, ανάλογα με τον τύπο της ακτινοβολίας.
Μια άλλη επιλογή είναι η εφεδρεία και η διόρθωση σφαλμάτων. Εάν ένα εξάρτημα υπάρχει σε πολλαπλά αντίγραφα, ή ένα πρόγραμμα εκτελείται πολλές φορές, ένα σφάλμα σε μόνο ένα από αυτά μπορεί να εντοπιστεί και στη συνέχεια να αγνοηθεί.
Η τελευταία επιλογή είναι η κατασκευή ηλεκτρονικών συστημάτων που είναι φυσικά ανθεκτικά στην ακτινοβολία, η οποία είναι η μοναδική λύση για συστήματα που πρέπει να εκτίθενται άμεσα στην ακτινοβολία, όπως οι ανιχνευτές ενός επιταχυντή σωματιδίων.
| Επίδραση Ακτινοβολίας | Περιγραφή | Αντίκτυπος |
|---|---|---|
| Μεταβολές Κατωφλίου Τάσης | Η ακτινοβολία αλλάζει τη συμπεριφορά των τρανζίστορ | Προκαλεί λογικά σφάλματα ή αποτυχία εξαρτήματος |
| Μονά Γεγονότα Upset (SEU) | Αναστροφή δυαδικών ψηφίων σε μνήμες ή λογικά κυκλώματα | Μπορεί να διαφθείρει δεδομένα ή να καταρρεύσει συστήματα |
| Latch-Up | Βραχυκύκλωμα που προκαλείται από φορτισμένα σωματίδια | Μπορεί να προκαλέσει μόνιμη ζημιά στα τσιπ |
| Συνολική Ιονιστική Δόση (TID) | Σταδιακή υποβάθμιση λόγω έκθεσης στην ακτινοβολία | Μειώνει τη διάρκεια ζωής των συσκευών |
Κατασκευή Ηλεκτρονικών Ανθεκτικών στην Ακτινοβολία
Εμπορική Βιωσιμότητα
The problem the CERN engineers and scientists faced is that off-the-shelf components simply can’t survive the harsh conditions inside the accelerator.
At the same time, the market for radiation-resistant circuits is too small to entice investment from commercial chip manufacturers.
“Η ανάπτυξη εξοπλισμού αιχμής είναι κρίσιμη για την επιτυχία μας. Η βιομηχανία δεν μπορούσε απλώς να δικαιολογήσει την προσπάθεια, έτσι η ακαδημαϊκή κοινότητα έπρεπε να παρέμβει.”
Σε αυτήν τη συγκεκριμένη περίπτωση, οι ερευνητές χρειάστηκε να αναπτύξουν μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό (ADCs). Η αποστολή αυτών των συσκευών είναι η σύλληψη των ηλεκτρικών σημάτων που παράγονται από τις συγκρούσεις σωματιδίων μέσα στους ανιχνευτές του CERN και η μετατροπή τους σε ψηφιακά δεδομένα που οι ερευνητές μπορούν να αναλύσουν.
Αυτό γίνεται μέσω μιας συσκευής που ονομάζεται υγρό αργινού θερμικός ανιχνευτής, η οποία μετατρέπει τις συγκρούσεις σωματιδίων σε ηλεκτρονικό σήμα.
Τα ADC τσιπ του Columbia μετατρέπουν αυτά τα ευαίσθητα αναλογικά σήματα σε ακριβείς ψηφιακές μετρήσεις, καταγράφοντας λεπτομέρειες που κανένα υπάρχον εξάρτημα δεν μπορούσε να καταγράψει αξιόπιστα.
Απαιτητικές Συνθήκες
Οι ερευνητές επέλεξαν προσεκτικά και διαμέτρησαν τα εξαρτήματα και διέταξαν τις αρχιτεκτονικές και τις διατάξεις των κυκλωμάτων ώστε να ελαχιστοποιήσουν τη ζημιά από την ακτινοβολία, καθώς η προστασία με σκέδαση δεν είναι ρεαλιστική στον ανιχνευτή σωματιδίων.
Δεν μόνο αυτό, αλλά έπρεπε να ληφθεί υπόψη ότι οι ηλεκτρονικές πλακέτες είναι απρόσιτες κατά τη λειτουργία και μπορούν να συντηρηθούν το πολύ μία φορά το χρόνο.
Τα επίπεδα ακτινοβολίας που θα υποστούν τα εξαρτήματα σε διάρκεια λειτουργίας 12 ετών είναι συνήθως αυτά που αντιμετωπίζουν τα δορυφόροι σε γεωστατική τροχιά.
Μπορούν να ανεκτούν προσωρινά σφάλματα, αλλά η μόνιμη ζημιά δεν μπορεί να γίνει αποδεκτή, καθώς θα εμποδίζει την εργασία όλων των ερευνητικών προγραμμάτων που απαιτούν το ATLAS.
Επαναχρησιμοποίηση Αποδεδειγμένων Τεχνικών Κατασκευής Ημιαγωγών
Η επανεφεύρεση του τρόπου παραγωγής ημιαγωγών δεν θα ήταν βιώσιμη διαδρομή για τη δημιουργία ενός χρήσιμου συσκευής εντός λογικού προϋπολογισμού και χρονοδιαγράμματος.
Έτσι, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν εμπορικές διαδικασίες ημιαγωγών που έχουν επικυρωθεί από το CERN για ανθεκτικότητα στην ακτινοβολία και εφάρμοσαν καινοτόμες τεχνικές σε επίπεδο κυκλώματος.
Μια βασική απόφαση σε αυτό το πλαίσιο ήταν η εξάρτηση από παλαιότερες, δοκιμασμένες μεθόδους λυτρωτικής, χρησιμοποιώντας μια εμπορική, τριπλή-πηγάδα 65-nm CMOS διαδικασία για την παραγωγή του προσαρμοσμένου ASIC τσιπ (Ειδικά Σχεδιασμένο Ενσωματωμένο Κύκλωμα).
Αυτή η διαδικασία 65 nm είναι γνωστή ότι είναι εγγενώς ανθεκτική στην ακτινοβολία.
Μια άλλη επιλογή σχεδίασης ήταν η ελαχιστοποίηση των εξαρτημάτων που δεν βρίσκονται άμεσα στο τσιπ, μειώνοντας τον κίνδυνο σφαλμάτων ενσωματώνοντας τα εσωτερικά ρολόγια, τις μνήμες κ.λπ. του τσιπ.
Πηγή: IEEE Explore
Ωστόσο, οι υπολογισμοί βαθμονόμησης γίνονται εκτός τσιπ για να αποτραπούν σφάλματα που προκαλούνται από την ακτινοβολία και θα παρήγαγαν λανθασμένα δεδομένα.
Επίσης εξέτασαν τους πυκνωτές, οι οποίοι μπορούν να υπερφορτιστούν από το ιονιστικό αποτέλεσμα της ακτινοβολίας.
Οι πυκνωτές μεταλλικού-μονωτήρα-μετάλλου (MiM) είναι φυσικά 30x-80x πιο λεπτοί από έναν πιο συμβατικό μεταλλικό-οξειδίου-μετάλλου (MoM), ενώ είναι επίσης στο ήμισυ του μεγέθους, μειώνοντας την επιφάνεια που μπορεί να χτυπηθεί από την ακτινοβολία και τα υψηλής ενέργειας σωματίδια.
Πηγή: IEEE Explore
Τελικός Σχεδιασμός Τσιπ & Δοκιμές
Το τελικό τσιπ είναι ένας ηλεκτρονικός σχεδιασμός ειδικά σχεδιασμένος για βέλτιστη απόδοση ενάντια στην ακτινοβολία, αντί για υψηλή ταχύτητα, ευκολία κατασκευής ή ενισχυμένη απόδοση όπως τα εμπορικά προϊόντα.
Συνολικά, 45.617 από αυτά τα τσιπ θα χρησιμοποιηθούν στον ανιχνευτή ATLAS.
Πηγή: IEEE Explore
Δεκαοκτώ συσκευές χαρακτηρίστηκαν για την αναλογική απόδοση· πραγματοποιήθηκε περαιτέρω επαλήθευση της μακροπρόθεσμης αναλογικής ακρίβειας και εκτεταμένη εκστρατεία δοκιμών ακτινοβολίας.
Όλα τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα τσιπ θα λειτουργούν καλά στο περιβάλλον του ανιχνευτή ATLAS.
Ωστόσο, ανεξάρτητα από το πόσο ανθεκτικά είναι, αυτά τα επίπεδα ακτινοβολίας θα προκαλέσουν κάποια σφάλματα και προβλήματα σε οποιαδήποτε ηλεκτρονικά συστήματα. Έτσι, οι ερευνητές δημιούργησαν ψηφιακά συστήματα που ανιχνεύουν και διορθώνουν αυτόματα τα σφάλματα σε πραγματικό χρόνο.
Διπλά και τριπλά σφάλματα bit, που είναι πιο προβληματικά, ανιχνεύονται με την περιοδική ανάγνωση όλων των καταχωρητών μνήμης και τη σύγκριση τους με το αρχικό πρόγραμμα. Οποιαδήποτε μέτρηση πραγματοποιηθεί όταν συμβούν τέτοια διπλά ή τριπλά σφάλματα απορρίπτεται επίσης.
Συμπέρασμα
Αυτό το ερευνητικό έργο θα επιτρέψει την προχωρημένη ανάλυση των υψηλής ενέργειας σωματιδίων που παράγονται από το LHC.
Θα είναι επίσης ένα ζωτικό στοιχείο μιας μεγάλης αναβάθμισης του επιταχυντή με το “High Luminosity LHC” (HL–LHC), μια αναβάθμιση που στοχεύει στην αύξηση της φωτεινότητας του LHC κατά 10 φορές.
Για παράδειγμα, το High-Luminosity LHC θα παράγει τουλάχιστον 15 εκατομμύρια σωματίδια Higgs ετησίως, σε σύγκριση με περίπου τρία εκατομμύρια από το LHC το 2017.
Πηγή: CERN
Είναι πιθανό ότι μελλοντικά έργα του CERN, όπως ο Future Circular Collider (FCC), με τις πρώτες δοκιμές να ξεκινήσουν στα μέσα της δεκαετίας 2040, θα απαιτήσουν επίσης παρόμοια ή ακόμη πιο προχωρημένα ηλεκτρονικά ανθεκτικά στην ακτινοβολία.
Τέλος, αυτό το είδος έργου, που χρηματοδοτείται μέσω ακαδημαϊκών προϋπολογισμών στη θεμελιώδη φυσική, μπορεί να αποτελέσει έμπνευση για μια εμπορική έκδοση ηλεκτρονικών ανθεκτικών στην ακτινοβολία.
Καθώς η ανθρωπότητα επιδιώκει να εξερευνήσει το βαθύ διάστημα, συμπεριλαμβανομένων πιθανών μόνιμων βάσεων στη Σελήνη και στον Άρη, ή την εξόρυξη αστεροειδών, πιο ανθεκτικά και ακτινοβολία-ανθεκτικά ηλεκτρονικά θα είναι πολύ χρήσιμα.
Επένδυση σε Προηγμένα Αισθητήρια
CEVA Διάγραμμα τιμής
Η CEVA είναι μια εταιρεία αισθητήρων και συνεργάτης του CERN για τη χρήση του αλγορίθμου του ιδρύματος με σκοπό τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της κατανάλωσης ενέργειας των αισθητήρων της. Οι λύσεις και η πνευματική ιδιοκτησία της CEVA (200 διπλώματα) ενσωματώνονται σε 18 δισεκατομμύρια συσκευές.
Οι λύσεις της εταιρείας χρησιμοποιούνται από πολλές από τις κορυφαίες ηλεκτρονικές μάρκες παγκοσμίως.
Πηγή: CEVA
Η κύρια εφαρμογή της συνεργασίας μεταξύ CEVA και CERN είναι το “Edge AI”, ή οι εφαρμογές τεχνητής νοημοσύνης που εγκαθίστανται σε συσκευές μακριά από τα κέντρα δεδομένων (το σύννεφο) και πιο κοντά στους καταναλωτές (το άκρο).
Δεν είναι έκπληξη να βλέπουμε αλγόριθμους φυσικής σωματιδίων να επαναχρησιμοποιούνται σε εφαρμογές AI, καθώς τα νευρωνικά δίκτυα, για παράδειγμα, χρησιμοποιήθηκαν για την εύρεση του σωματιδίου Higgs. Η ανάλυση δεδομένων επιταχυντών σωματιδίων πρέπει να γίνεται επί τόπου αντί στο σύννεφο, λόγω του τεράστιου όγκου δεδομένων που παράγονται πολύ γρήγορα.
Η CEVA βοήθησε το CERN να δημιουργήσει νέους αλγόριθμους συμπίεσης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντικά πειράματα και θα μπορεί να ενσωματώσει αυτή τη νέα τεχνολογία στα προϊόντα της.
“Χάρη στη συνεργασία μας με το CERN, καταφέραμε να αναπτύξουμε μια καινοτόμο προσέγγιση που επιτρέπει στα δίκτυα να λειτουργούν έως και 15 φορές πιο γρήγορα σε σύγκριση με τα μοντέλα βάσης 16-bit.
Βελτιώνει την ταχύτητα του δικτύου και μειώνει την κατανάλωση ενέργειας έως και 90% διατηρώντας συγκρίσιμη ακρίβεια.”
Olya Sirkin – Ανώτερη Ερευνήτρια Βαθιάς Μάθησης στην Ceva
Αυτή είναι μόνο μία από τις τεχνολογικές προόδους της CEVA, με την εταιρεία ενεργή στη ασύρματη συνδεσιμότητα, τους αισθητήρες (όραση, ήχο, κίνηση) και τους αλγόριθμους νευρωνικών δικτύων.
Πηγή: CEVA
Η CEVA ωφελείται σημαντικά από τη συνδυασμένη τάση της συνδεσιμότητας 5G (συμπεριλαμβανομένου του δορυφορικού 5G) και του IoT (Internet of Things) με ενσωματωμένες λύσεις AI, τόσο για βιομηχανικές όσο και για οικιακές λύσεις. Είναι επίσης ηγέτης στις λύσεις WiFi 6 και κατέχει ηγετική θέση στο WiFi 7.
Πηγή: Ruije
Ως εταιρεία λογισμικού και πνευματικής ιδιοκτησίας, η CEVA είναι καλά γνωστή μεταξύ των μηχανικών και συχνά παραβλέπεται από επενδυτές που ενδιαφέρονται για τους τομείς IoT και 5G.
Μπορεί να είναι μια ενδιαφέρουσα εταιρεία στην αιχμή της τεχνολογικής προόδου στην επεξεργασία δεδομένων και το edge AI, όπως αποδεικνύεται από την επιλογή του CERN να τη χρησιμοποιήσει για κάποιες από τις πιο σύνθετες αναλύσεις δεδομένων που έχουν πραγματοποιηθεί ποτέ από την ανθρωπότητα.
Τελευταία Νέα και Ανάπτυξη Μετοχών CEVA (CEVA)
Μελέτη Αναφοράς:
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 Μάιος 2025. pp 180 – 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904
