Électronique
Chips résistants aux radiations alimentent les accélérateurs du CERN
Construire de l’électronique pour des environnements à haute radiation
L’électronique est au cœur de presque toutes les technologies inventées au cours des dernières décennies. À mesure que le monde numérise de plus en plus de processus et de données, cela devient chaque jour plus vrai.
Cependant, dans certains environnements, l’électronique standard a du mal à suivre. L’un d’eux est celui des accélérateurs de particules.
D’une part, les accélérateurs de particules génèrent tant de téraoctets de données par seconde que des composants électroniques ultra‑efficaces sont nécessaires pour les suivre. D’autre part, le niveau de radiation qu’ils produisent a tendance à brouiller les systèmes électroniques.
Les scientifiques du CERN en Suisse ont été confrontés à ce dilemme. Au LHC, l’accélérateur de particules du CERN, le plus grand du monde, des radiations étaient émises, rendant les mesures difficiles.
« Nous avons testé des composants standards et commerciaux, et ils sont simplement morts. La radiation était trop intense. Nous avons réalisé que si nous voulions quelque chose qui fonctionne, nous devions le concevoir nous‑mêmes. »
Le premier puce de ce type a été développé en 2017 et mis à l’épreuve en 2022 pour les expériences ATLAS. ATLAS est le plus grand détecteur de particules jamais construit, mesurant 46 m (150 pi) de long et 25 m (82 pi) de diamètre.
Les détecteurs contiennent plus de 100 millions de canaux électroniques sensibles pour enregistrer les particules produites par les collisions. Ils comprennent de nombreux sous‑détecteurs, chacun jouant un rôle distinct, afin de détecter simultanément photons, électrons, muons, pions, etc.
Source: ATLAS
Une seconde puce, l’ADC d’acquisition de données, a récemment passé ses tests finaux et est maintenant en production complète. Elle est entièrement décrite dans un article publié récemment1 dans la revue IEEE Explore, sous le titre « A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout ».
Comment la radiation affecte l’électronique
Depuis l’aube de l’électronique, il est connu que la radiation tend à endommager les composants électroniques et/ou à leur faire fournir des données erronées.
Parmi les nombreux effets que la radiation peut avoir, les plus problématiques peuvent être rapidement listés :
- Variation de la tension dans les transistors, entraînant soit des données erronées, soit la destruction pure et simple des transistors.
- Renversement de bits individuels (0 & 1) dans les composants de mémoire.
- Brûlure électrique ou thermique des circuits intégrés.
- Les dommages aux détecteurs optiques et aux émetteurs de lumière peuvent soit les détruire immédiatement, soit réduire leur durée de vie.
C’est un problème sérieux dans les environnements à haute radiation, comme l’espace, les accélérateurs médicaux (radiothérapie, radiographie) ou les installations nucléaires.
Une option pour résoudre le problème consiste simplement à utiliser un blindage suffisant, en plaçant la partie électronique derrière une couche protectrice, généralement de l’eau ou un élément lourd comme le plomb, selon le type de radiation.
Une autre option est la redondance et la correction d’erreurs. Si un composant est présent en plusieurs copies, ou si un programme s’exécute plusieurs fois, une erreur dans l’une d’elles peut être détectée puis ignorée.
La dernière option consiste à concevoir des systèmes électroniques naturellement résistants à la radiation, ce qui est la seule solution pour les systèmes qui doivent être exposés directement à la radiation, comme les détecteurs d’un accélérateur de particules.
| Effet de radiation | Description | Impact |
|---|---|---|
| Déplacements du seuil de tension | La radiation modifie le comportement des transistors | Provoque des erreurs logiques ou la défaillance du composant |
| Upsets d’événement unique (SEU) | Renversement de bits dans la mémoire ou les circuits logiques | Peut corrompre les données ou faire planter les systèmes |
| Latch‑Up | Court‑circuit induit par des particules chargées | Peut endommager les puces de façon permanente |
| Dose ionisante totale (TID) | Dégradation progressive due à l’exposition aux radiations | Réduit la durée de vie des dispositifs |
Construire de l’électronique à l’épreuve de la radiation
Viabilité commerciale
Le problème auquel les ingénieurs et scientifiques du CERN étaient confrontés est que les composants « off‑the‑shelf » ne peuvent tout simplement pas survivre aux conditions extrêmes à l’intérieur de l’accélérateur.
En même temps, le marché des circuits résistants à la radiation est trop petit pour inciter les fabricants de puces commerciaux à investir.
« Développer des instruments de pointe est crucial pour notre succès. L’industrie ne pouvait tout simplement pas justifier l’effort, donc le milieu académique a dû intervenir. »
Dans ce cas précis, les chercheurs devaient développer des convertisseurs analogique‑numérique (ADC). La tâche de ces appareils est de capturer les signaux électriques produits par les collisions de particules à l’intérieur des détecteurs du CERN et de les transformer en données numériques que les chercheurs peuvent analyser.
Cela se fait à travers un dispositif appelé calorimètre à argon liquide, qui convertit les collisions de particules en un signal électronique.
Les puces ADC de Columbia convertissent ces signaux analogiques délicats en mesures numériques précises, capturant des détails qu’aucun composant existant ne pouvait enregistrer de façon fiable.
Conditions exigeantes
Les chercheurs ont soigneusement choisi et dimensionné les composants et ont organisé les architectures et dispositions de circuits afin de minimiser les dommages causés par la radiation, le blindage étant irréaliste dans le détecteur de particules.
Non seulement cela, mais ils ont dû prendre en compte le fait que les cartes électroniques concernées sont inaccessibles pendant le fonctionnement et ne peuvent être entretenues au plus une fois par an.
Les niveaux de radiation que les composants subiront pendant une durée de vie opérationnelle de 12 ans sont généralement rencontrés par les satellites en orbite géostationnaire.
Des erreurs temporaires peuvent être tolérées, mais les dommages permanents ne peuvent être acceptés, car ils entraveraient le travail de tous les projets de recherche nécessitant ATLAS.
Réutilisation de techniques de fabrication de semi‑conducteurs éprouvées
Réinventer la façon de produire des semi‑conducteurs n’était pas une voie viable pour créer un dispositif utile dans un budget et un délai raisonnables.
Ainsi, les chercheurs ont utilisé des procédés semi‑conducteurs commerciaux validés par le CERN pour leur résistance à la radiation et ont appliqué des techniques innovantes au niveau du circuit.
Une décision clé à cet égard a été de s’appuyer sur des méthodes de lithographie plus anciennes, éprouvées, en utilisant un procédé CMOS triple‑puits de 65 nm commercial pour la production de la puce ASIC sur mesure (Circuit Intégré Spécifique à l’Application).
Ce procédé de 65 nm est connu pour être intrinsèquement résistant aux radiations.
Un autre choix de conception était de minimiser les composants qui ne sont pas directement présents sur la puce, réduisant ainsi le risque d’erreurs en intégrant les horloges internes, les mémoires, etc., de la puce.
Source: IEEE Explore
Cependant, les calculs de calibration sont effectués hors puce afin d’éviter les erreurs induites par la radiation dans le calcul qui donneraient des données erronées.
Ils ont également étudié les condensateurs, qui peuvent être sur‑chargés par l’effet ionisant de la radiation.
Les condensateurs métal‑isolant‑métal (MiM) sont naturellement 30 à 80 fois plus fins qu’un condensateur métal‑oxyde‑métal (MoM) plus conventionnel, tout en étant moitié moins volumineux, ce qui réduit la surface potentiellement touchée par la radiation et les particules à haute énergie.
Source: IEEE Explore
Conception finale de la puce & tests
La puce finale est une conception électronique spécifiquement conçue pour être optimale face à la radiation, plutôt que pour la haute vitesse, la facilité de fabrication ou les performances accrues comme les produits commerciaux.
Au total, 45 617 de ces puces seront utilisées dans le détecteur ATLAS.
Source: IEEE Explore
Dix‑huit dispositifs ont été caractérisés pour leurs performances analogiques ; une validation supplémentaire de la précision analogique à long terme et une campagne de tests de radiation exhaustive ont été entreprises.
Tous les résultats ont indiqué que les puces fonctionneraient bien dans l’environnement du détecteur ATLAS.
Cependant, quel que soit le niveau de durcissement, ces niveaux de radiation provoqueront certaines erreurs et problèmes dans tout système électronique. Les chercheurs ont donc construit des systèmes numériques qui détectent et corrigent automatiquement les erreurs en temps réel.
Les erreurs à deux et trois bits, qui sont plus problématiques, sont détectées en lisant périodiquement tous les registres mémoire et en les comparant à la programmation initiale. Toute mesure prise lorsque de telles erreurs doubles ou triples surviennent est également rejetée.
Conclusion
Ce projet de recherche permettra l’analyse avancée des particules à haute énergie générées par le LHC.
Il constituera également un composant vital d’une mise à jour majeure de l’accélérateur avec le « High Luminosity LHC » (HL–LHC), une mise à jour destinée à multiplier la luminosité du LHC par 10.
Par exemple, le High‑Luminosity LHC produira au moins 15 millions de bosons de Higgs par an, contre environ trois millions pour le LHC en 2017.
Source: CERN
Il est probable que les projets futurs du CERN, comme le Future Circular Collider (FFC), dont les premières expériences débuteront au milieu des années 2040, nécessiteront également des électroniques à l’épreuve de la radiation similaires ou encore plus avancées.
Enfin, ce type de projet, financé par des budgets académiques en physique fondamentale, peut inspirer une version commerciale d’électronique à l’épreuve de la radiation.
Alors que l’humanité cherche à explorer l’espace lointain, y compris d’éventuelles bases lunaires et martiennes permanentes, ou l’exploitation d’astéroïdes, des électroniques plus durables et résistantes à la radiation seront très utiles.
Investir dans les capteurs avancés
CEVA
(CEVA )
CEVA est une société de capteurs et un partenaire du CERN pour utiliser l’algorithme de l’institution afin d’améliorer l’efficacité et la consommation d’énergie de ses capteurs. Les solutions et la propriété intellectuelle de CEVA (200 brevets) sont intégrées dans 18 milliards d’appareils.
Les solutions de l’entreprise sont utilisées par de nombreuses marques électroniques leaders dans le monde.
Source: CEVA
L’application principale de la collaboration entre CEVA et le CERN est « Edge AI », c’est‑à‑dire des applications d’intelligence artificielle déployées sur des appareils éloignés des centres de données (le cloud) et plus proches des utilisateurs (le edge).
Il n’est pas surprenant de voir des algorithmes de physique des particules réutilisés dans des applications d’IA, les réseaux neuronaux ayant, par exemple, été employés pour découvrir la particule du boson de Higgs. L’analyse des données d’accélérateurs de particules doit être effectuée sur site plutôt que dans le cloud, en raison du volume énorme de données produites très rapidement.
CEVA a aidé le CERN à créer de nouveaux algorithmes de compression qui pourront être utilisés dans de futures expériences et pourra intégrer cette nouvelle technologie dans ses produits.
“Grâce à notre collaboration avec le CERN, nous avons pu développer une approche innovante qui permet aux réseaux de fonctionner jusqu’à 15 fois plus rapidement par rapport aux modèles de référence 16 bits.
Elle améliore la vitesse du réseau et réduit la consommation d’énergie jusqu’à 90 % tout en maintenant une précision comparable.”
Ceci n’est qu’un des progrès technologiques de CEVA, l’entreprise étant active dans la connectivité sans fil, les capteurs (vision, audio, mouvement) et les algorithmes de réseaux neuronaux.
Source: CEVA
CEVA bénéficie grandement de la convergence de la connectivité 5G (y compris la 5G par satellite) et de l’IoT (Internet des objets) avec des solutions d’IA embarquée, tant pour les solutions industrielles que domestiques. Elle est également leader des solutions Wi‑Fi 6 et occupe une position de leader pour le Wi‑Fi 7.
Source: Ruije
En tant qu’entreprise de logiciels et de propriété intellectuelle, CEVA est bien connue des ingénieurs et est souvent négligée par les investisseurs intéressés par les secteurs de l’IoT et de la 5G.
Elle peut être une entreprise intéressante à la pointe du progrès technologique en traitement de données et en Edge AI, comme l’illustre le choix du CERN de la faire participer à certaines des analyses de données les plus complexes jamais réalisées par l’humanité.
Dernières actualités et développements des actions CEVA (CEVA)
Étude référencée :
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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