Chip Tahan Radiasi Menggerakkan Akselerator CERN

Elektronika Bangunan untuk Lingkungan Radiasi Tinggi

Elektronik merupakan inti dari hampir semua teknologi yang diciptakan dalam beberapa dekade terakhir. Seiring dunia mendigitalkan semakin banyak proses dan data, hal ini menjadi semakin nyata setiap harinya.

Namun, di beberapa lingkungan, perangkat elektronik standar kesulitan untuk mengimbanginya. Salah satunya adalah akselerator partikel.

Di satu sisi, akselerator partikel menghasilkan begitu banyak terabyte data per detik sehingga dibutuhkan komponen elektronik yang sangat efisien untuk mengimbanginya. Di sisi lain, jumlah radiasi yang dihasilkan cenderung mengacaukan sistem elektronik.

Para ilmuwan di CERN di Swiss menghadapi dilema ini. Di akselerator partikel LHC di CERN, yang merupakan akselerator partikel terbesar di dunia, radiasi dipancarkan, sehingga menyulitkan pengukuran.

"Kami menguji komponen standar komersial, dan semuanya mati begitu saja. Radiasinya terlalu kuat. Kami menyadari bahwa jika kami menginginkan sesuatu yang berfungsi, kami harus merancangnya sendiri."

Rui (Ray) Xu, seorang mahasiswa PhD Teknik Columbia

Chip pertama jenis ini dikembangkan pada tahun 2017 dan diuji pada tahun 2022 untuk eksperimen ATLAS. ATLAS adalah detektor partikel terbesar yang pernah dibuat, dengan panjang 46 meter (150 kaki) dan diameter 25 meter (82 kaki).

Detektor ini berisi lebih dari 100 juta kanal elektronik sensitif untuk merekam partikel yang dihasilkan oleh tumbukan. Detektor ini juga berisi banyak sub-detektor, masing-masing memainkan peran tersendiri, untuk mendeteksi foton, elektron, muon, pion, dan sebagainya secara bersamaan.

Sumber: ATLAS

Chip kedua, ADC akuisisi data, baru-baru ini telah lulus uji coba terakhir dan kini sedang dalam tahap produksi penuh. Hal ini dijelaskan secara lengkap dalam sebuah makalah yang baru-baru ini diterbitkan.¹ di jurnal IEEE Explore, dengan judul “ADC 8-Saluran 15-Bit 40-MSPS Tahan Radiasi untuk Pembacaan Kalorimeter Argon Cair ATLAS".

Bagaimana Radiasi Mempengaruhi Elektronik

Sejak awal mula elektronika, telah diketahui bahwa radiasi cenderung merusak komponen elektronik dan/atau membuatnya mengeluarkan data yang salah.

Di antara sekian banyak dampak yang dapat ditimbulkan radiasi, yang paling bermasalah dapat dengan cepat dicantumkan:

• Variasi tegangan pada transistor, menyebabkan data salah atau kerusakan total pada transistor.
• Membalikkan bit individual (0 &1) dalam komponen memori.
• Kelelahan listrik atau termal pada sirkuit terpadu.
• Kerusakan pada detektor optik dan pemancar cahaya dapat langsung menghancurkannya atau mengurangi masa pakainya.

Ini merupakan masalah serius di lingkungan radiasi tinggi, seperti luar angkasa, akselerator medis (terapi radiasi, radiografi), atau fasilitas nuklir.

Salah satu pilihan untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan pelindung yang cukup, menempatkan komponen elektronik di balik lapisan pelindung, biasanya air atau elemen berat seperti timbal, tergantung pada jenis radiasinya.

Pilihan lainnya adalah redundansi dan koreksi kesalahan. Jika suatu komponen terdapat dalam beberapa salinan, atau suatu program berjalan beberapa kali, kesalahan pada salah satu komponen saja dapat dideteksi dan kemudian diabaikan.

Pilihan terakhir adalah membangun sistem elektronik yang secara alami tahan terhadap radiasi, yang merupakan satu-satunya pilihan untuk sistem elektronik yang harus terkena radiasi secara langsung, seperti detektor akselerator partikel.

Membangun Elektronik Anti Radiasi

Viabilitas Komersial

Masalah yang dihadapi para insinyur dan ilmuwan CERN adalah komponen-komponen yang tersedia di pasaran tidak dapat bertahan dalam kondisi keras di dalam akselerator.

Pada saat yang sama, pasar untuk sirkuit tahan radiasi terlalu kecil untuk menarik investasi dari produsen chip komersial.

"Mengembangkan instrumentasi mutakhir sangat penting bagi kesuksesan kami. Industri tidak mampu membenarkan upaya tersebut, sehingga akademisi harus turun tangan."

John Parsons - Pprofesor fisika dan pemimpin tim Universitas Columbia yang bekerja pada detektor ATLAS.

Dalam kasus spesifik ini, para peneliti perlu mengembangkan konverter analog-ke-digital (ADC). Perangkat ini bertugas menangkap sinyal listrik yang dihasilkan oleh tumbukan partikel di dalam detektor CERN dan menerjemahkannya menjadi data digital yang dapat dianalisis oleh para peneliti.

Hal ini dilakukan melalui alat yang disebut kalorimeter argon cair, yang mengubah tumbukan partikel menjadi sinyal elektronik.

Chip ADC Columbia mengubah sinyal analog yang rumit ini menjadi pengukuran digital yang presisi, menangkap detail yang tidak dapat direkam oleh komponen lain mana pun dengan andal.

Kondisi yang Menuntut

Para peneliti dengan hati-hati memilih dan menentukan ukuran komponen serta mengatur arsitektur dan tata letak sirkuit untuk meminimalkan kerusakan radiasi, karena perisai radiasi tidak realistis dalam detektor partikel.

Tidak hanya itu, mereka harus memperhitungkan bahwa papan elektronik yang dimaksud tidak dapat diakses selama pengoperasian dan dapat diakses untuk pemeliharaan maksimal satu kali per tahun.

Tingkat radiasi yang akan dialami komponen dalam masa operasi 12 tahun biasanya ditemui oleh satelit dalam orbit geostasioner.

Kesalahan sementara dapat ditoleransi, tetapi kerusakan permanen tidak dapat diterima, karena akan menghambat pekerjaan semua proyek penelitian yang membutuhkan ATLAS.

Menggunakan Kembali Teknik Manufaktur Semikonduktor yang Terbukti

Menemukan kembali cara memproduksi semikonduktor bukanlah jalan yang layak untuk menciptakan perangkat yang berguna dengan anggaran dan jangka waktu yang wajar.

Jadi para peneliti menggunakan proses semikonduktor komersial yang divalidasi oleh CERN untuk ketahanan radiasi dan menerapkan teknik tingkat sirkuit yang inovatif.

Keputusan utama dalam hal itu adalah mengandalkan metode litografi lama yang telah teruji dan teruji, menggunakan proses CMOS 65-nm tiga sumur komersial untuk produksi chip khusus ASIC (Application-Specific Integrated Circuit).

Proses 65 nm ini diketahui secara inheren tahan terhadap radiasi.

Pilihan desain lainnya adalah meminimalkan komponen yang tidak hadir langsung pada chip, mengurangi risiko kesalahan dengan mengintegrasikan jam internal chip, memori, dll.

Sumber: Jelajahi IEEE

Namun, perhitungan kalibrasi dilakukan di luar chip untuk mencegah kesalahan perhitungan akibat radiasi yang dapat menghasilkan data keliru.

Mereka juga mengamati kapasitor, yang dapat terisi daya berlebih akibat efek pengionan radiasi.

Kapasitor logam-isolator-logam (MiM) secara alami 30x-80x lebih tipis daripada kapasitor logam-oksida-logam (MoM) yang lebih konvensional, sementara ukurannya juga setengahnya, mengurangi permukaan yang berpotensi terkena radiasi dan partikel berenergi tinggi.

Sumber: Jelajahi IEEE

Desain & Pengujian Chip Akhir

Chip terakhir adalah desain elektronik yang secara khusus dirancang agar optimal terhadap radiasi, bukannya berkecepatan tinggi, mudah diproduksi, atau meningkatkan kinerja seperti produk komersial.

Secara total, 45,617 chip ini akan digunakan dalam detektor ATLAS.

Sumber: Jelajahi IEEE

Delapan belas perangkat dikarakterisasi untuk kinerja analog; validasi lebih lanjut terhadap akurasi analog jangka panjang dan kampanye pengujian radiasi ekstensif dilakukan.

Semua hasil menunjukkan bahwa chip akan berkinerja baik di lingkungan detektor ATLAS.

Namun, betapapun kerasnya, tingkat radiasi ini akan menyebabkan beberapa kesalahan dan masalah pada sistem elektronik apa pun. Oleh karena itu, para peneliti kemudian membangun sistem digital yang secara otomatis mendeteksi dan mengoreksi kesalahan secara real-time.

Kesalahan bit ganda dan tiga bit, yang lebih bermasalah, dideteksi dengan membaca kembali semua register memori secara berkala dan membandingkannya dengan pemrograman awal. Setiap pengukuran yang dilakukan ketika kesalahan ganda dan tiga bit tersebut terjadi juga diabaikan.

Kesimpulan

Proyek penelitian ini akan memungkinkan analisis lanjutan terhadap partikel berenergi tinggi yang dihasilkan oleh LHC.

Ini juga akan menjadi komponen penting dari peningkatan besar akselerator dengan “LHC Luminositas Tinggi” (HL–LHC), peningkatan yang dimaksudkan untuk meningkatkan luminositas LHC sebesar 10x.

Misalnya, LHC Luminositas Tinggi akan menghasilkan sedikitnya 15 juta boson Higgs per tahun, dibandingkan dengan sekitar tiga juta dari LHC pada tahun 2017.

Sumber: CERN

Kemungkinan besar proyek CERN selanjutnya, seperti Penumbuk Sirkular Masa Depan (FFC), dengan percobaan pertama dimulai pada pertengahan tahun 2040-an, juga akan memerlukan perangkat elektronik anti radiasi yang serupa atau bahkan lebih canggih.

Terakhir, proyek semacam ini, yang didanai melalui anggaran akademis dalam fisika fundamental, dapat menjadi inspirasi untuk versi komersial elektronik anti-radiasi.

Karena umat manusia ingin menjelajahi luar angkasa, termasuk pangkalan bulan dan Mars yang berpotensi permanen, atau penambangan asteroid, perangkat elektronik yang lebih tahan lama dan anti radiasi akan sangat berguna.

Berinvestasi pada Sensor Canggih

CEVA

CEVA adalah perusahaan sensor dan mitra CERN yang menggunakan algoritma lembaga tersebut untuk meningkatkan efisiensi dan konsumsi daya sensornya. Solusi CEVA dan IP (200 paten) terintegrasi ke dalam 18 miliar perangkat.

Solusi perusahaan ini digunakan oleh banyak merek elektronik terkemuka di seluruh dunia.

Sumber: CEVA

Aplikasi utama dari kolaborasi antara CEVA dan CERN adalah “Edge AI”, atau aplikasi kecerdasan buatan yang diterapkan pada perangkat yang jauh dari pusat data (cloud) dan lebih dekat ke konsumen (edge).

Mungkin tidak mengherankan melihat algoritme fisika partikel digunakan kembali dalam aplikasi AI, seperti jaringan saraf, misalnya, yang digunakan dalam menemukan partikel boson Higgs. Analisis data akselerator partikel perlu dilakukan di tempat, bukan di cloud, karena banyaknya volume data yang diproduksi dengan sangat cepat.

CEVA membantu CERN menciptakan algoritma kompresi baru yang dapat digunakan dalam eksperimen masa depan dan akan dapat mengintegrasikan teknologi baru ini ke dalam produknya.

Berkat kolaborasi kami dengan CERN, kami mampu mengembangkan pendekatan inovatif yang memungkinkan jaringan berjalan hingga 15 kali lebih cepat dibandingkan model dasar 16-bit.

Ini meningkatkan kecepatan jaringan dan mengurangi konsumsi energi hingga 90% sambil mempertahankan akurasi yang sebanding.”

Olya Sirkin – Peneliti Senior Pembelajaran Mendalam di Ceva

Ini hanyalah salah satu kemajuan teknologi CEVA, dengan perusahaan yang aktif dalam konektivitas nirkabel, sensor (penglihatan, audio, gerak), dan algoritma jaringan saraf.

Sumber: CEVA

CEVA sangat diuntungkan oleh tren gabungan konektivitas 5G (termasuk 5G satelit) dan IoT (Internet of Things) dengan solusi AI tertanam, baik untuk solusi industri maupun rumah. CEVA juga merupakan pemimpin dalam solusi WiFi 6 dan memiliki posisi terdepan dalam WiFi 7.

Sumber: Ruije

Sebagai perusahaan perangkat lunak dan IP, CEVA terkenal di kalangan insinyur dan sering terlewatkan oleh investor yang tertarik pada sektor IoT dan 5G.

Ini dapat menjadi perusahaan menarik yang berada di garis depan kemajuan teknologi dalam pemrosesan data dan AI, seperti yang diilustrasikan oleh pemilihan CERN untuk membantu beberapa analisis data paling rumit yang pernah dilakukan oleh umat manusia.

Berita dan Perkembangan Saham CEVA (CEVA) Terbaru

Referensi Studi:

^{1Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. ADC 8-Kanal 15-Bit 40-MSPS Tahan Radiasi untuk Pembacaan Kalorimeter Argon Cair ATLAS. IEEE Explore. 28 Mei 2025. Pp 180 - 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}

{
“@konteks”: “https://schema.org”,
“@type”: “Halaman FAQ”,
“entitas utama”: [
{
“@type”: “Pertanyaan”,
“nama”: “Mengapa elektronik anti radiasi penting untuk akselerator partikel?”,
“Jawaban yang diterima”: {
“@type”: “Jawab”,
“teks”: “Elektronik anti-radiasi sangat penting untuk akselerator partikel seperti LHC CERN karena tingkat radiasi yang tinggi dapat merusak chip standar dan mendistorsi data. Chip khusus memastikan kinerja yang andal dan pengukuran yang akurat di lingkungan ekstrem ini.”
}
},
{
“@type”: “Pertanyaan”,
“nama”: “Apa yang membuat chip ADC yang dikembangkan CERN unik?”,
“Jawaban yang diterima”: {
“@type”: “Jawab”,
"teks": "Chip ADC yang dikembangkan untuk CERN dibuat menggunakan proses CMOS 65 nm yang terkenal akan ketahanan radiasinya. Chip ini mengintegrasikan koreksi kesalahan, kapasitor MiM, dan arsitektur khusus untuk bertahan di lingkungan radiasi tinggi selama lebih dari satu dekade."
}
},
{
“@type”: “Pertanyaan”,
“nama”: “Apa peran CEVA dalam eksperimen CERN?”,
“Jawaban yang diterima”: {
“@type”: “Jawab”,
“teks”: “CEVA berkolaborasi dengan CERN untuk mengoptimalkan AI edge dan algoritma kompresi untuk memproses data partikel. Kontribusi mereka meningkatkan efisiensi energi dan kecepatan komputasi dalam analisis data real-time.”
}
}
]
}