Chip Tahan Radiasi Menggerakkan Akselerator CERN

Membangun Elektronik untuk Lingkungan dengan Radiasi Tinggi

Elektronik berada di inti hampir semua teknologi yang diciptakan dalam beberapa dekade terakhir. Seiring dunia semakin mendigitalisasi proses dan data, hal ini menjadi semakin nyata setiap hari.

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

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

Para ilmuwan di CERN, Swiss, menghadapi dilema ini. Pada akselerator partikel LHC di CERN, yang terbesar di dunia, radiasi dipancarkan, membuat pengukuran menjadi sulit.

“Kami menguji komponen standar komersial, dan mereka langsung mati. Radiasinya terlalu intens. Kami menyadari bahwa jika kami menginginkan sesuatu yang berfungsi, kami harus merancangnya sendiri.”

Rui (Ray) Xu, 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 dibangun, sepanjang 46 meter (150 kaki) dan berdiameter 25 meter (82 kaki).

Detektor tersebut memiliki lebih dari 100 juta saluran elektronik sensitif untuk merekam partikel yang dihasilkan oleh tumbukan. Ia mengandung banyak sub‑detektor, masing‑masing memainkan peran terpisah, untuk mendeteksi secara bersamaan foton, elektron, muon, pion, dll.

Sumber: ATLAS

Chip kedua, ADC akuisisi data, baru‑baru ini melewati uji akhir dan kini dalam produksi penuh. Chip ini dijelaskan secara lengkap dalam makalah yang baru dipublikasikan¹ di jurnal IEEE Explore, dengan judul “ADC Tahan Radiasi 8‑Kanal 15‑Bit 40‑MSPS untuk Pembacaan Kalorimeter Argon Cair ATLAS”.

Bagaimana Radiasi Mempengaruhi Elektronik

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

Di antara banyak efek yang dapat ditimbulkan radiasi, yang paling problematik dapat dengan cepat dicantumkan:

• Variasi tegangan pada transistor, yang dapat menyebabkan data salah atau bahkan menghancurkan transistor.
• Flip bit individu (0 &1) pada komponen memori.
• Kebakaran listrik atau termal pada sirkuit terpadu.
• Kerusakan pada detektor optik dan pemancar cahaya yang dapat menghancurkannya secara langsung atau mengurangi umur pakainya.

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

Salah satu opsi untuk menyelesaikan masalah ini adalah dengan menggunakan pelindung yang cukup, menempatkan bagian elektronik di belakang lapisan pelindung, biasanya air atau elemen berat seperti timbal, tergantung pada jenis radiasi.

Opsi lain adalah redundansi dan koreksi kesalahan. Jika sebuah komponen memiliki beberapa salinan, atau sebuah program dijalankan beberapa kali, kesalahan pada satu saja dapat terdeteksi dan kemudian diabaikan.

Opsi terakhir adalah membangun sistem elektronik yang secara alami tahan radiasi, yang merupakan satu‑satunya pilihan untuk sistem elektronik yang harus langsung terpapar radiasi, seperti detektor pada akselerator partikel.

Membangun Elektronik Tahan Radiasi

Kelayakan Komersial

Masalah yang dihadapi insinyur dan ilmuwan CERN adalah komponen siap pakai 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 instrumen mutakhir sangat penting bagi keberhasilan kami. Industri tidak dapat membenarkan upaya tersebut, sehingga akademisi harus turun tangan.”

John Parsons – Profesor fisika dan pemimpin tim Universitas Columbia yang bekerja pada detektor ATLAS

Dalam kasus khusus ini, peneliti harus mengembangkan konverter analog‑ke‑digital (ADC). Tugas perangkat ini adalah menangkap sinyal listrik yang dihasilkan oleh tumbukan partikel di dalam detektor CERN dan mengubahnya menjadi data digital yang dapat dianalisis peneliti.

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

Chip ADC Columbia mengubah sinyal analog yang halus ini menjadi pengukuran digital yang presisi, menangkap detail yang tidak dapat direkam secara andal oleh komponen yang ada.

Kondisi yang Menuntut

Para peneliti dengan cermat memilih dan menyesuaikan komponen serta mengatur arsitektur dan tata letak sirkuit untuk meminimalkan kerusakan radiasi, karena pelindung radiasi tidak realistis di dalam detektor partikel.

Tidak hanya itu, mereka harus mempertimbangkan bahwa papan elektronik yang bersangkutan tidak dapat diakses selama operasi dan hanya dapat diakses untuk pemeliharaan paling banyak sekali per tahun.

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

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

Memanfaatkan Teknik Manufaktur Semikonduktor yang Terbukti

Menciptakan kembali cara memproduksi semikonduktor tidak akan menjadi jalur yang layak untuk membuat perangkat yang berguna dalam anggaran dan kerangka waktu yang wajar.

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

Keputusan kunci dalam hal ini adalah mengandalkan metode litografi lama yang telah teruji, menggunakan proses CMOS 65‑nm triple‑well komersial untuk produksi chip khusus ASIC (Application‑Specific Integrated Circuit).

Proses 65 nm ini dikenal secara inheren tahan radiasi.

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

Sumber: IEEE Explore

Namun, perhitungan kalibrasi dilakukan di luar chip untuk mencegah kesalahan yang diinduksi radiasi dalam perhitungan yang dapat menghasilkan data salah.

Mereka juga meneliti kapasitor, yang dapat terisi berlebih oleh efek ionisasi radiasi.

Kapasitor metal‑insulator‑metal (MiM) secara alami 30‑80 x lebih tipis daripada metal‑oxide‑metal (MoM) konvensional, sekaligus setengah ukuran, mengurangi permukaan yang berpotensi terkena radiasi dan partikel berenergi tinggi.

Sumber: IEEE Explore

Desain & Pengujian Chip Akhir

Chip akhir adalah desain elektronik yang secara khusus dirancang agar optimal terhadap radiasi, bukan untuk kecepatan tinggi, kemudahan manufaktur, atau peningkatan kinerja seperti produk komersial.

Secara total, 45.617 chip ini akan digunakan dalam detektor ATLAS.

Sumber: IEEE Explore

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

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

Namun, tidak peduli seberapa keras chip tersebut, tingkat radiasi ini akan menyebabkan beberapa kesalahan dan masalah pada sistem elektronik apa pun. Oleh karena itu, peneliti kemudian membangun sistem digital yang secara otomatis mendeteksi dan memperbaiki kesalahan secara real‑time.

Kesalahan ganda dan tiga‑bit, yang lebih problematik, terdeteksi dengan secara periodik membaca kembali semua register memori dan membandingkannya dengan program awal. Setiap pengukuran yang diambil ketika kesalahan ganda atau tiga‑bit terjadi juga dibuang.

Kesimpulan

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

Ini juga akan menjadi komponen vital dari peningkatan besar akselerator dengan “High Luminosity LHC” (HL–LHC), sebuah upgrade yang dimaksudkan untuk meningkatkan luminositas LHC sebesar 10×.

Misalnya, High‑Luminosity LHC akan menghasilkan setidaknya 15 juta bos Higgs per tahun, dibandingkan sekitar tiga juta dari LHC pada 2017.

Sumber: CERN

Kemungkinan proyek CERN di masa depan, seperti Future Circular Collider (FFC), dengan eksperimen pertama dimulai pertengahan 2040‑an, juga akan memerlukan elektronik tahan radiasi yang serupa atau bahkan lebih maju.

Akhirnya, jenis proyek ini, yang dibiayai melalui anggaran akademik dalam fisika fundamental, dapat menjadi inspirasi untuk versi komersial dari elektronik tahan radiasi.

Seiring umat manusia berupaya menjelajahi ruang angkasa dalam, termasuk kemungkinan basis permanen di Bulan dan Mars, atau penambangan asteroid, elektronik yang lebih tahan lama dan tahan radiasi akan sangat berguna.

Berinvestasi dalam Sensor Canggih

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

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

Sumber: CEVA

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

Tidak mengherankan bahwa algoritma fisika partikel dipakai kembali dalam aplikasi AI, karena jaringan saraf, misalnya, digunakan dalam penemuan partikel Higgs. Analisis data akselerator partikel harus dilakukan di lokasi, bukan di cloud, karena volume data yang sangat besar 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 produk mereka.

“Berkat kolaborasi kami dengan CERN, kami dapat mengembangkan pendekatan inovatif yang memungkinkan jaringan berjalan hingga 15× 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 Deep Learning di Ceva

Ini hanyalah salah satu kemajuan teknologi CEVA, dengan perusahaan yang aktif dalam konektivitas nirkabel, sensor (visi, 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 terintegrasi, baik untuk solusi industri maupun rumah tangga. Ia juga merupakan pemimpin dalam solusi WiFi 6 dan memiliki posisi terdepan dalam WiFi 7.

Sumber: Ruije

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

Ia dapat menjadi perusahaan menarik di ujung terdepan kemajuan teknologi dalam pemrosesan data dan Edge AI, seperti yang ditunjukkan oleh pemilihan CERN untuk membantu beberapa analisis data paling kompleks yang pernah dilakukan manusia.

Berita & Perkembangan Saham CEVA (CEVA) Terbaru

Studi yang Dirujuk:

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