रेडिएशन-हार्डन चिप्स CERN एक्सेलेरेटर्स को शक्ति प्रदान करती हैं

उच्च-रेडिएशन वातावरण के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स बनाना

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.

हालाँकि, कुछ वातावरणों में मानक इलेक्ट्रॉनिक्स को तालमेल बनाए रखने में कठिनाई होती है। इनमें से एक है कण त्वरक।

एक ओर, कण त्वरक प्रति सेकंड इतने टेराबाइट डेटा उत्पन्न करते हैं कि अत्यधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक घटकों की आवश्यकता होती है। दूसरी ओर, वे द्वारा उत्पन्न रेडिएशन इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम को गड़बड़ कर देता है।

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.

“हमने मानक, व्यावसायिक घटकों का परीक्षण किया, और वे बस मर गए। रेडिएशन बहुत तीव्र था। हमें एहसास हुआ कि यदि हमें काम करने वाला कुछ चाहिए, तो हमें इसे स्वयं डिजाइन करना होगा।”

Rui (Ray) Xu, Columbia Engineering के पीएचडी छात्र

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.

स्रोत: 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”.

रेडिएशन इलेक्ट्रॉनिक्स को कैसे प्रभावित करता है

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:

• ट्रांजिस्टर में वोल्टेज में परिवर्तन, जिससे या तो गलत डेटा या ट्रांजिस्टर का पूर्ण विनाश हो सकता है।
• मेमोरी घटकों में व्यक्तिगत बिट (0 &1) का उलटना।
• इंटीग्रेटेड सर्किट का विद्युत या तापीय बर्नआउट।
• ऑप्टिकल डिटेक्टर्स और लाइट इमिटर्स को नुकसान पहुंचना, जिससे वे तुरंत नष्ट हो सकते हैं या उनका जीवनकाल घट सकता है।

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.

रेडिएशन-प्रूफ इलेक्ट्रॉनिक्स बनाना

व्यावसायिक व्यवहार्यता

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.

“उन्नत उपकरण विकसित करना हमारी सफलता के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। उद्योग इस प्रयास को उचित नहीं ठहरा सका, इसलिए अकादमी को कदम उठाना पड़ा।”

John Parsons – भौतिकी के प्रोफेसर और Columbia University टीम के नेता जो ATLAS डिटेक्टर पर काम कर रहे हैं।

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.

This is done through a device called a liquid argon calorimeter, which converts particle collisions into an electronic signal.

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

मांगपूर्ण परिस्थितियाँ

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.

Not only that, but they had to take into account that the electronic boards in question are inaccessible during operation and can be accessed for maintenance at most once per year.

The radiation levels the components will experience in a 12-year operating lifetime are typically encountered by satellites in geostationary orbit.

Temporary errors can be tolerated, but permanent damage cannot be accepted, as it would hinder the work of all the research projects requiring ATLAS.

प्रमाणित अर्धचालक निर्माण तकनीकों का पुन: उपयोग

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.

So the researchers used commercial semiconductor processes validated by CERN for radiation resistance and applied innovative circuit-level techniques.

A key decision in that respect was to rely on older, tried and tested lithography methods, using a commercial, triple-well 65-nm CMOS process for production of the ASIC custom chip (Application-Specific Integrated Circuit).

This 65 nm process is known to be inherently radiation hardened.

Another design choice was to minimize the components not directly present on the chip, reducing the risk of errors by integrating the chip’s internal clocks, memories, etc.

स्रोत: IEEE Explore

However, calibration calculations are done off-chip to prevent radiation-induced errors in the calculation that would give erroneous data.

They also looked at capacitors, which can be overcharged by the ionizing effect of radiation.

Metal-insulator-metal (MiM) capacitors are naturally 30x-80x thinner than a more conventional metal-oxide–metal (MoM), while also being half the size, reducing the surface potentially hit by radiation and high-energy particles.

स्रोत: IEEE Explore

अंतिम चिप डिज़ाइन और परीक्षण

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.

In total, 45,617 of these chips will be used in the ATLAS detector.

स्रोत: IEEE Explore

Eighteen devices were characterized for analog performance; further validation of long-term analog accuracy and an extensive radiation testing campaign was undertaken.

All results indicated that the chips would perform well in the environment of the ATLAS detector.

Still, no matter how hardened, these levels of radiation will cause some errors and problems in any electronic systems. So the researchers then built digital systems that automatically detect and correct errors in real time.

Double- and triple-bit errors, which are more problematic, are detected by periodically reading back all memory registers and comparing them to the initial programming. Any measurement taken when such double and triple errors occur is also discarded.

निष्कर्ष

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

It will also be a vital component of a major upgrade of the accelerator with the “High Luminosity LHC” (HL–LHC, an upgrade intended to boost the luminosity of the LHC by 10x.

For example, the High-Luminosity LHC will produce at least 15 million Higgs bosons per year, compared to around three million from the LHC in 2017.

स्रोत: CERN

It is likely that later CERN’s projects, like the Future Circular Collider (FFC), with first experiments starting in the mid-2040s, will also require similar or even more advanced radiation-proof electronics.

Lastly, this sort of project, funded through academic budgets in fundamental physics, can be an inspiration for a commercial version of radiation-proof electronics.

As mankind is looking to explore deep space, including potentially permanent lunar and Martian bases, or asteroid mining, more durable and radiation-proof electronics will be very useful.

उन्नत सेंसर में निवेश

CEVA

CEVA एक सेंसर कंपनी है और CERN के साथ साझेदार है ताकि संस्थान के एल्गोरिदम का उपयोग करके उसके सेंसर की दक्षता और पावर खपत को बेहतर बनाया जा सके। CEVA समाधान और IP (200 पेटेंट) 18 अरब डिवाइसों में एकीकृत हैं।

कंपनी के समाधान विश्व भर के कई प्रमुख इलेक्ट्रॉनिक ब्रांडों द्वारा उपयोग किए जाते हैं।

स्रोत: CEVA

CEVA और CERN के बीच सहयोग का मुख्य अनुप्रयोग “Edge AI” है, अर्थात् क्लाउड डेटा सेंटरों से दूर और उपभोक्ताओं (एज) के करीब डिवाइसों पर लागू कृत्रिम बुद्धिमत्ता।

कण भौतिकी के एल्गोरिदम को AI अनुप्रयोगों में पुन: उपयोग होते देखना आश्चर्यजनक नहीं है, क्योंकि न्यूरल नेटवर्क का उपयोग, उदाहरण के लिए, हिग्स बोसॉन कण को खोजने में किया गया था। कण त्वरक डेटा का विश्लेषण साइट पर ही किया जाना चाहिए, क्योंकि डेटा की मात्रा बहुत तेज़ी से उत्पन्न होती है।

CEVA ने CERN को नए संपीड़न एल्गोरिदम बनाने में मदद की जो भविष्य के प्रयोगों में उपयोग किए जा सकते हैं और यह नई तकनीक अपने उत्पादों में एकीकृत कर सकेगा।

“CERN के साथ हमारे सहयोग के कारण, हम एक नवाचारी दृष्टिकोण विकसित करने में सक्षम हुए जिससे नेटवर्क 16-बिट बेसलाइन मॉडलों की तुलना में 15 गुना तेज़ चल सकते हैं।

यह नेटवर्क गति को बढ़ाता है और ऊर्जा खपत को 90% तक कम करता है जबकि तुलनीय सटीकता बनाए रखता है।”

Olya Sirkin – Ceva में वरिष्ठ डीप लर्निंग शोधकर्ता

This is but one of CEVA’s technological progresses, with the company active in wireless connectivity, sensors (vision, audio, motion), and neural network algorithms.

स्रोत: CEVA

CEVA 5G कनेक्टिविटी (उपग्रह 5G सहित) और IoT (इंटरनेट ऑफ थिंग्स) के संयुक्त रुझान से बहुत लाभान्वित होता है, जिसमें एम्बेडेड AI समाधान दोनों औद्योगिक और घरेलू उपयोग के लिए हैं। यह WiFi 6 समाधान में भी अग्रणी है और WiFi 7 में प्रमुख स्थिति रखता है।

स्रोत: Ruije

एक सॉफ्टवेयर और IP कंपनी के रूप में, CEVA इंजीनियरों के बीच अच्छी तरह से जाना जाता है और अक्सर IoT और 5G क्षेत्रों में रुचि रखने वाले निवेशकों द्वारा अनदेखा किया जाता है।

यह डेटा प्रोसेसिंग और एज AI में तकनीकी प्रगति के अत्यंत किनारे पर स्थित एक रोचक कंपनी हो सकती है, जैसा कि CERN द्वारा इसे मानव इतिहास में किए गए सबसे जटिल डेटा विश्लेषणों में से कुछ में मदद करने के लिए चुना गया है।

नवीनतम CEVA (CEVA) स्टॉक समाचार और विकास

उद्धृत अध्ययन:

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