Chips resistentes a la radiación impulsan los aceleradores del CERN

Construcción de electrónica para entornos de alta radiación

Electrónica está en el núcleo de casi cualquier tecnología inventada en las últimas décadas. A medida que el mundo digitaliza cada vez más procesos y datos, esto se vuelve cada día más cierto.

Sin embargo, en algunos entornos, la electrónica estándar tiene dificultades para mantenerse al día. Uno de ellos son los aceleradores de partículas.

Por un lado, los aceleradores de partículas generan tantos terabytes de datos por segundo que se necesitan componentes electrónicos ultraeficientes para seguirles el ritmo. Por otro lado, la cantidad de radiación que generan tiende a desordenar los sistemas electrónicos.

Los científicos del CERN en Suiza se enfrentaron a este dilema. En el acelerador de partículas LHC del CERN, el más grande del mundo, se emitían radiaciones, lo que dificultaba la medición.

“Probamos componentes estándar y comerciales, y simplemente dejaron de funcionar. La radiación era demasiado intensa. Nos dimos cuenta de que si queríamos algo que funcionara, tendríamos que diseñarlo nosotros mismos.”

Rui (Ray) Xu, estudiante de doctorado en Ingeniería de Columbia

La primera pieza de este tipo se desarrolló en 2017 y se puso a prueba en 2022 para los experimentos ATLAS. ATLAS es el detector de partículas más grande jamás construido, con 46 metros (150 pies) de longitud y 25 metros (82 pies) de diámetro.

Los detectores contienen más de 100 millones de canales electrónicos sensibles para registrar las partículas producidas por las colisiones. Incluye muchos subdetectores, cada uno con un papel distinto, para detectar simultáneamente fotones, electrones, muones, piones, etc.

Fuente: ATLAS

Un segundo chip, el ADC de adquisición de datos, ha pasado recientemente sus pruebas finales y ahora está en producción completa. Está descrito en detalle en un artículo publicado recientemente¹ en la revista IEEE Explore, bajo el título “A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout”.

Cómo la radiación afecta a la electrónica

Desde los inicios de la electrónica, se sabe que la radiación tiende a dañar los componentes electrónicos y/o a producir datos incorrectos.

Entre los muchos efectos que la radiación puede causar, los más problemáticos se pueden enumerar rápidamente:

• Variación del voltaje en los transistores, lo que lleva a datos erróneos o a la destrucción total de los transistores.
• Inversión de bits individuales (0 y 1) en los componentes de memoria.
• Quema eléctrica o térmica de los circuitos integrados.
• El daño a los detectores ópticos y emisores de luz puede destruirlos inmediatamente o reducir su vida útil.

Esto es un problema serio en entornos de alta radiación, como el espacio, aceleradores médicos (radioterapia, radiografía) o instalaciones nucleares.

Una opción para resolver el problema es simplemente usar suficiente blindaje, colocando la parte electrónica detrás de una capa protectora, usualmente agua o un elemento pesado como el plomo, según el tipo de radiación.

Otra opción es la redundancia y corrección de errores. Si un componente está en múltiples copias, o un programa se ejecuta varias veces, un error en solo una de ellas puede detectarse y luego ignorarse.

La última opción es construir sistemas electrónicos que sean naturalmente resistentes a la radiación, lo cual es la única alternativa para sistemas electrónicos que deben estar expuestos directamente a la radiación, como los detectores de un acelerador de partículas.

Construcción de electrónica a prueba de radiación

Viabilidad comercial

El problema que enfrentaron los ingenieros y científicos del CERN es que los componentes estándar simplemente no pueden sobrevivir a las duras condiciones dentro del acelerador.

Al mismo tiempo, el mercado de circuitos resistentes a la radiación es demasiado pequeño para atraer inversiones de fabricantes comerciales de chips.

“Desarrollar instrumentación de última generación es crucial para nuestro éxito. La industria simplemente no pudo justificar el esfuerzo, por lo que la academia tuvo que intervenir.”

John Parsons – Profesor de física y líder del equipo de la Universidad de Columbia que trabaja en el detector ATLAS

En este caso específico, los investigadores necesitaban desarrollar convertidores analógico-digitales (ADCs). La tarea de estos dispositivos es capturar las señales eléctricas producidas por las colisiones de partículas dentro de los detectores del CERN y traducirlas en datos digitales que los investigadores pueden analizar.

Esto se realiza mediante un dispositivo llamado calorímetro de argón líquido, que convierte las colisiones de partículas en una señal electrónica.

Los chips ADC de Columbia convierten estas delicadas señales analógicas en mediciones digitales precisas, capturando detalles que ningún componente existente podía registrar de manera fiable.

Condiciones exigentes

Los investigadores seleccionaron y dimensionaron cuidadosamente los componentes y organizaron arquitecturas y diseños de circuitos para minimizar el daño por radiación, ya que el blindaje contra radiación no es realista en el detector de partículas.

No solo eso, sino que tuvieron que tener en cuenta que las placas electrónicas en cuestión son inaccesibles durante la operación y solo pueden ser accedidas para mantenimiento, como máximo, una vez al año.

Los niveles de radiación que los componentes experimentarán durante una vida operativa de 12 años son típicamente los que encuentran los satélites en órbita geoestacionaria.

Se pueden tolerar errores temporales, pero no se puede aceptar daño permanente, ya que obstaculizaría el trabajo de todos los proyectos de investigación que requieren ATLAS.

Reutilizando técnicas de fabricación de semiconductores probadas

Reinventar la forma de producir semiconductores no sería una vía viable para crear un dispositivo útil dentro de un presupuesto y plazo razonables.

Por lo tanto, los investigadores utilizaron procesos semiconductores comerciales validados por el CERN para resistencia a la radiación y aplicaron técnicas innovadoras a nivel de circuito.

Una decisión clave al respecto fue confiar en métodos de litografía más antiguos, probados y comprobados, utilizando un proceso CMOS comercial de triple pozo de 65 nm para la producción del chip ASIC a medida (Circuito Integrado de Aplicación Específica).

Se sabe que este proceso de 65 nm es inherentemente resistente a la radiación.

Otra elección de diseño fue minimizar los componentes que no están directamente presentes en el chip, reduciendo el riesgo de errores al integrar los relojes internos, memorias, etc., del chip.

Fuente: IEEE Explore

Sin embargo, los cálculos de calibración se realizan fuera del chip para evitar errores inducidos por la radiación en los cálculos que producirían datos erróneos.

También estudiaron los condensadores, que pueden sobrecargarse por el efecto ionizante de la radiación.

Los condensadores metal‑aislante‑metal (MiM) son naturalmente de 30 a 80 veces más delgados que los más convencionales metal‑óxido‑metal (MoM), además de ser la mitad del tamaño, reduciendo la superficie que podría ser impactada por la radiación y partículas de alta energía.

Fuente: IEEE Explore

Diseño final del chip y pruebas

El chip final es un diseño electrónico específicamente creado para ser óptimo contra la radiación, en lugar de alta velocidad, facilidad de fabricación o rendimiento mejorado como los productos comerciales.

En total, se usarán 45.617 de estos chips en el detector ATLAS.

Fuente: IEEE Explore

Se caracterizaron dieciocho dispositivos para el rendimiento analógico; se realizó una validación adicional de la precisión analógica a largo plazo y una extensa campaña de pruebas de radiación.

Todos los resultados indicaron que los chips funcionarían bien en el entorno del detector ATLAS.

Sin embargo, sin importar cuán endurecidos estén, estos niveles de radiación causarán algunos errores y problemas en cualquier sistema electrónico. Por ello, los investigadores construyeron sistemas digitales que detectan y corrigen automáticamente los errores en tiempo real.

Los errores de doble y triple bit, que son más problemáticos, se detectan leyendo periódicamente todos los registros de memoria y comparándolos con la programación inicial. Cualquier medición tomada cuando ocurren dichos errores dobles o triples también se descarta.

Conclusión

Este proyecto de investigación permitirá el análisis avanzado de partículas de alta energía generadas por el LHC.

También será un componente vital de una importante actualización del acelerador con el “High Luminosity LHC” (HL–LHC), una mejora destinada a aumentar la luminosidad del LHC en 10 veces.

Por ejemplo, el High-Luminosity LHC producirá al menos 15 millones de bosones de Higgs por año, comparado con alrededor de tres millones del LHC en 2017.

Fuente: CERN

Es probable que los proyectos futuros del CERN, como el Future Circular Collider (FFC), con los primeros experimentos iniciándose a mediados de la década de 2040, también requieran electrónica a prueba de radiación similar o incluso más avanzada.

Por último, este tipo de proyecto, financiado a través de presupuestos académicos en física fundamental, puede ser una inspiración para una versión comercial de electrónica a prueba de radiación.

A medida que la humanidad busca explorar el espacio profundo, incluyendo bases lunares y marcianas potencialmente permanentes, o la minería de asteroides, la electrónica más duradera y a prueba de radiación será muy útil.

Invertir en sensores avanzados

CEVA es una empresa de sensores y socia del CERN para utilizar el algoritmo de la institución y mejorar la eficiencia y el consumo de energía de sus sensores. Las soluciones e IP de CEVA (200 patentes) están integradas en 18 mil millones de dispositivos.

Las soluciones de la empresa son utilizadas por muchas de las principales marcas electrónicas a nivel mundial.

Fuente: CEVA

La principal aplicación de la colaboración entre CEVA y el CERN es “Edge AI”, o aplicaciones de inteligencia artificial desplegadas en dispositivos fuera de los centros de datos (la nube) y más cerca de los consumidores (el borde).

No es sorprendente ver algoritmos de física de partículas reutilizados en aplicaciones de IA, ya que, por ejemplo, se usaron redes neuronales para encontrar la partícula del bosón de Higgs. El análisis de datos de aceleradores de partículas debe realizarse in situ en lugar de en la nube, debido al enorme volumen de datos producidos rápidamente.

CEVA ayudó al CERN a crear nuevos algoritmos de compresión que pueden usarse en experimentos futuros y podrá integrar esta nueva tecnología en sus productos.

“Gracias a nuestra colaboración con el CERN, pudimos desarrollar un enfoque innovador que permite que las redes funcionen hasta 15 veces más rápido en comparación con los modelos de referencia de 16 bits.

Está mejorando la velocidad de la red y reduciendo el consumo de energía hasta en un 90% mientras mantiene una precisión comparable.”

Olya Sirkin – Investigadora senior de Deep Learning en Ceva

Este es solo uno de los avances tecnológicos de CEVA, con la empresa activa en conectividad inalámbrica, sensores (visión, audio, movimiento) y algoritmos de redes neuronales.

Fuente: CEVA

CEVA se beneficia enormemente de la tendencia combinada de la conectividad 5G (incluido el 5G satelital) y el IoT (Internet de las cosas) con soluciones de IA integradas, tanto para soluciones industriales como domésticas. También es líder en soluciones WiFi 6 y tiene una posición destacada en WiFi 7.

Fuente: Ruije

Como empresa de software e IP, CEVA es bien conocida entre los ingenieros y a menudo pasa desapercibida para los inversores interesados en los sectores de IoT y 5G.

Puede ser una empresa interesante en la vanguardia del progreso tecnológico en procesamiento de datos y Edge AI, como lo ilustra la selección del CERN para ayudar con algunos de los análisis de datos más complejos jamás realizados por la humanidad.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de CEVA (CEVA)

Estudio Referenciado:

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