Säteilysuojatut sirut tehostavat CERNin kiihdyttimiä

Elektroniikan rakentaminen korkean säteilyn ympäristöihin

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.

Kuitenkin joissakin ympäristöissä tavallinen elektroniikka kamppailee pysyäkseen mukana. Yksi tällainen on hiukkaskiihdyttimet.

Toisaalta hiukkaskiihdyttimet tuottavat niin paljon teratavuja dataa sekunnissa, että ultra-tehokkaat elektroniset komponentit ovat tarpeen. Toisaalta säteilyn määrä, jonka ne tuottavat, pyrkii sotkemaan elektronisia järjestelmiä.

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.

“Testasimme tavallisia, kaupallisia komponentteja, ja ne kuolivat heti. Säteily oli liian voimakasta. Tajusimme, että jos haluamme toimivan ratkaisun, meidän täytyy suunnitella se itse.”

Rui (Ray) Xu, Columbia Engineering -tutkinnon väitöskirjatutkija

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.

The detectors contain 100+ million sensitive electronic channels to record the particles produced by the collisions. It contains many sub-detectors, each playing a separate role, to detect at the same time photons, electrons, muons, pions, etc.

Lähde: 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 “Säteilysuojattu 8-kanavainen 15-bittinen 40-MSPS ADC ATLAS:n nesteargoni-kalorimetrin lukemista varten”.

Miten säteily vaikuttaa elektroniikkaan

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.

Among the many effects radiation can have, the most problematic ones can be quickly listed:

• Jännitevaihtelu transistoreissa, mikä johtaa joko virheellisiin tietoihin tai transistorien täydelliseen tuhoutumiseen.
• Yksittäisten bittien (0 &1) kääntyminen muistikomponenteissa.
• Integroituja piirejä koskeva sähköinen tai terminen ylikuumeneminen.
• Optisten detektoreiden ja valonlähteiden vaurioituminen voi joko tuhota ne välittömästi tai lyhentää niiden käyttöikää.

This is a serious problem in high-radiation environments, like space, medical accelerators (radiation therapy, radiography), or nuclear facilities.

One option to solve the issue is simply to use enough shielding, putting the electronics part behind a protective layer, usually water or a heavy element like lead, depending on the type of radiation.

Another option is redundancy and error correction. If a component is in multiple copies, or a program runs several times, an error in only one of them can be detected and subsequently ignored.

The last option is to build electronics systems that are naturally resistant to radiation, which is the only option for electronic systems that have to be directly exposed to radiation, like the detectors of a particle accelerator.

Säteilysuojattujen elektroniikkajärjestelmien rakentaminen

Kaupallinen kannattavuus

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.

“Huipputason instrumentaation kehittäminen on ratkaisevan tärkeää menestyksellemme. Teollisuus ei vain pystynyt perustelemaan ponnisteluja, joten akatemian oli astuttava mukaan.”

John Parsons – professorifysiikan professori ja Columbia Universityn ATLAS-detektoria käsittelevän tiimin johtaja.

In this specific case, the researchers needed to develop analog-to-digital converters (ADCs). These devices’ task is capturing electrical signals produced by particle collisions inside CERN’s detectors and translating them into digital data that researchers can analyze.

Tämä tapahtuu laitteella, jota kutsutaan nesteargoni‑kalorimetriksi, ja se muuntaa hiukkasitörmäykset sähköiseksi signaaliksi.

Columbia’s ADC chips convert these delicate analog signals into precise digital measurements, capturing details that no existing component could reliably record.

Vaativat olosuhteet

The researchers carefully chose and sized components and arranged circuit architectures and layouts to minimize radiation damage, as radiation shielding is not realistic in the particle detector.

Ei pelkästään tätä, vaan heidän täytyi ottaa huomioon, että kyseiset elektroniset levyt ovat käyttöaikana saavuttamattomia ja niitä voidaan huoltaa enintään kerran vuodessa.

Komponenttien kohtaamat säteilytasot 12 vuoden käyttöiän aikana ovat tyypillisesti satelliittien geostaattisessa kiertoradassa.

Väliaikaiset virheet voidaan sietää, mutta pysyvää vahinkoa ei voida hyväksyä, sillä se haittaisi kaikkien ATLASia tarvitsevien tutkimusprojektien työtä.

Todistettujen puolijohdeteollisuuden valmistustekniikoiden uudelleenkäyttö

Reinventing how to produce semiconductors was not going to be a viable path to create a useful device within a reasonable budget and time frame.

Siksi tutkijat käyttivät kaupallisia puolijohdeprosesseja, jotka CERN on vahvistanut säteilysuojauksessa, ja sovelsivat innovatiivisia piiritason tekniikoita.

Keskeinen päätös tässä oli turvautua vanhempiin, kokeiltuihin ja testattuihin litografia-menetelmiin, käyttäen kaupallista, kolminkertaista welliä 65 nm CMOS -prosessia ASIC‑räätälöidyn sirun (Application‑Specific Integrated Circuit) tuotantoon.

Tämä 65 nm prosessi on tunnettu sisäisesti säteilysuojattuna.

Toinen suunnittelupäätös oli minimoida komponentit, jotka eivät ole suoraan sirussa, vähentäen virheiden riskiä integroimalla sirun sisäiset kellot, muistit ym.

Lähde: IEEE Explore

Kuitenkin kalibrointilaskelmat tehdään sirun ulkopuolella estämään säteilyn aiheuttamat virheet laskelmissa, jotka voisivat tuottaa virheellisiä tietoja.

He tarkastelivat myös kondensaattoreita, jotka voivat ylikuormittua säteilyn ionisoivan vaikutuksen vuoksi.

Metal‑insulator‑metal (MiM) -kondensaattorit ovat luonnollisesti 30‑80‑kertaisesti ohuempia kuin perinteisempi metal‑oksidi‑metal (MoM) -kondensaattori, ja ne ovat myös puoli kokoisia, mikä vähentää säteilyn ja korkea‑energia‑hiukkasten mahdollisesti osuvan pinnan määrää.

Lähde: IEEE Explore

Lopullinen sirusuunnittelu ja testaus

The final chip is an electronic design specifically designed to be optimal against radiation, instead of high-speed, ease of manufacturing, or boosted performance like commercial products.

Yhteensä 45 617 tällaista sirua tullaan käyttämään ATLAS-detektorissa.

Lähde: IEEE Explore

Kahdeksantoista laitteesta tehtiin analogisen suorituskyvyn karakterisointi; sen jälkeen suoritettiin pitkäaikaisen analogisen tarkkuuden lisävahvistus ja laaja säteilytestauskampanja.

Kaikki tulokset osoittivat, että sirut toimisivat hyvin ATLAS-detektorin ympäristössä.

Silti, riippumatta siitä, kuinka suojattuja ne ovat, nämä säteilytasot aiheuttavat joitakin virheitä ja ongelmia kaikissa elektronisissa järjestelmissä. Siksi tutkijat rakensivat digitaalisia järjestelmiä, jotka havaitsevat ja korjaavat virheitä automaattisesti reaaliajassa.

Kaksois- ja kolmoisbittivirheet, jotka ovat ongelmallisempia, havaitaan periodisesti lukemalla kaikki muistirekisterit takaisin ja vertaamalla niitä alkuperäiseen ohjelmointiin. Kaikki mittaukset, jotka on tehty näiden kaksois- tai kolmoisvirheiden aikana, hylätään myös.

Yhteenveto

This research project will enable the advanced analysis of high-energy particles generated by the LHC.

Se tulee myös olemaan keskeinen osa merkittävää kiihdyttimen päivitystä “High Luminosity LHC” (HL–LHC, päivitys, jonka tarkoituksena on kasvattaa LHC:n kirkkaus 10‑kertaiseksi.

Esimerkiksi High‑Luminosity LHC tuottaa vähintään 15 miljoonaa Higgs‑bosonia vuodessa, verrattuna noin kolmeen miljoonaan LHC:n vuonna 2017 tuottamaan.

Lähde: CERN

On todennäköistä, että myöhemmät CERNin hankkeet, kuten Future Circular Collider (FFC), joiden ensimmäiset kokeet alkavat 2040‑luvun puolivälissä, vaativat myös vastaavia tai vielä kehittyneempiä säteilysuojattuja elektroniikkajärjestelmiä.

Lopuksi tällainen projekti, joka rahoitetaan akateemisilla budjeteilla perustavanlaatuisessa fysiikassa, voi toimia inspiraationa kaupalliselle säteilysuojatulle elektroniikalle.

Kun ihmiskunta pyrkii tutkimaan syvää avaruutta, mukaan lukien mahdollisesti pysyvät kuun ja Marsin tukikohdat tai asteroidin kaivostoiminta, kestävämpi ja säteilysuojattu elektroniikka on erittäin hyödyllistä.

Sijoittaminen edistyneisiin antureihin

CEVA on anturiyritys ja CERNin kumppani, joka käyttää instituution algoritmia parantaakseen antureidensa tehokkuutta ja energian kulutusta. CEVA:n ratkaisut ja IP (200 patenttia) on integroituna 18 miljardiin laitteeseen.

Yrityksen ratkaisuja käyttävät monet maailman johtavista elektroniikkamerkeistä.

Lähde: CEVA

CEVA:n ja CERNin yhteistyön pääasiallinen sovellus on “Edge AI”, eli tekoälysovellukset, jotka on sijoitettu laitteisiin kaukana datakeskuksista (pilvestä) ja lähemmäs kuluttajia (reunalla).

Ei ole yllättävää, että hiukkasfysiikan algoritmeja hyödynnetään AI-sovelluksissa, sillä esimerkiksi neuroverkkoja käytettiin Higgs‑bosonin hiukkasen löytämiseen. Hiukkaskiihdyttimien datan analysointi täytyy tehdä paikan päällä pilven sijaan, koska tuotettu datamäärä on valtava ja syntyy erittäin nopeasti.

CEVA auttoi CERNiä luomaan uusia pakkausalgoritmeja, joita voidaan käyttää tulevissa kokeissa, ja pystyy integroimaan tämän uuden teknologian tuotteisiinsa.

“Kiitos yhteistyöstämme CERNin kanssa, pystyimme kehittämään innovatiivisen lähestymistavan, jonka avulla verkot toimivat jopa 15‑kertaisesti nopeammin verrattuna 16‑bitin perusmalleihin.

Se nopeuttaa verkon nopeutta ja vähentää energiankulutusta jopa 90 % säilyttäen samalla vertailukelpoisen tarkkuuden.”

Olya Sirkin – vanhempi syväoppimisen tutkija Ceva:ssa

Tämä on vain yksi CEVA:n teknologisista edistysaskeleista, ja yritys on aktiivinen langattomassa yhteydessä, antureissa (näkö, ääni, liike) sekä neuroverkkoalgoritmeissa.

Lähde: CEVA

CEVA hyötyy suuresti yhdistetyistä 5G-yhteyden (mukaan lukien satelliitti‑5G) ja IoT:n (Internet of Things) trendeistä, joissa on upotettuja AI‑ratkaisuja sekä teollisuuteen että kotiratkaisuihin. Se on myös johtava WiFi 6 -ratkaisujen tarjoaja ja omaa johtavan aseman WiFi 7:ssä.

Lähde: Ruije

Ohjelmisto‑ ja IP‑yrityksenä CEVA on hyvin tunnettu insinöörien keskuudessa, ja se jää usein sijoittajien, jotka ovat kiinnostuneita IoT‑ ja 5G‑sektoreista, huomaamatta.

Se voi olla mielenkiintoinen yritys teknologisen kehityksen kärjessä datankäsittelyssä ja reunatietälyssä, kuten CERNin valinta osoittaa, kun se auttoi joihinkin ihmiskunnan toteuttamiin monimutkaisimpiin data‑analyyseihin.

Viimeisimmät CEVA (CEVA) osakeuutiset ja kehitykset

Viitattu tutkimus:

^{1. Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. Säteilysuojattu 8-kanavainen 15-bittinen 40‑MSPS ADC ATLAS:n nesteargoni‑kalorimetrin lukemista varten. IEEE Explore. 28 toukokuu 2025. pp 180 – 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}