Chip Resistenti alle Radiazioni Alimentano gli Acceleratori del CERN

Costruire Elettronica per Ambienti ad Alta Radiazione

L’elettronica è al centro di quasi tutte le tecnologie inventate negli ultimi decenni. Man mano che il mondo digitalizza sempre più processi e dati, questo diventa sempre più vero ogni giorno.

Tuttavia, in alcuni ambienti, l’elettronica standard fatica a tenere il passo. Uno di questi sono gli acceleratori di particelle.

Da un lato, gli acceleratori di particelle generano così tanti terabyte di dati al secondo che sono necessari componenti elettronici ultra‑efficienti per stare al passo. Dall’altro, la quantità di radiazione che producono tende a disturbare i sistemi elettronici.

Gli scienziati del CERN in Svizzera si sono trovati di fronte a questo dilemma. Nel acceleratore di particelle LHC del CERN, il più grande al mondo, venivano emesse radiazioni, rendendo difficile la misurazione.

“Abbiamo testato componenti standard e commerciali, e sono semplicemente morti. La radiazione era troppo intensa. Abbiamo capito che se volevamo qualcosa che funzionasse, avremmo dovuto progettarlo noi stessi.”

Rui (Ray) Xu, studente di dottorato in ingegneria alla Columbia

Il primo chip di questo tipo è stato sviluppato nel 2017 e messo alla prova nel 2022 per gli esperimenti ATLAS. ATLAS è il più grande rivelatore di particelle mai costruito, lungo 46 metri (150 piedi) e con un diametro di 25 metri (82 piedi).

I rivelatori contengono oltre 100 milioni di canali elettronici sensibili per registrare le particelle prodotte dalle collisioni. Contengono molti sottorivelatori, ognuno con un ruolo distinto, per rilevare simultaneamente fotoni, elettroni, muoni, pioni, ecc.

Fonte: ATLAS

Un secondo chip, l’ADC per l’acquisizione dati, ha recentemente superato i test finali ed è ora in piena produzione. È descritto completamente in un articolo pubblicato di recente¹ nella rivista IEEE Explore, con il titolo “A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout”.

Come la Radiazione Influenza l’Elettronica

Fin dall’alba dell’elettronica, è noto che la radiazione tende a danneggiare i componenti elettronici e/o a far fornire dati errati.

Tra i numerosi effetti che la radiazione può avere, i più problematici possono essere elencati rapidamente:

• Variazione della tensione nei transistor, che porta a dati errati o alla distruzione completa dei transistor.
• Inversione di bit individuali (0 e 1) nei componenti di memoria.
• Bruciatura elettrica o termica dei circuiti integrati.
• Danni ai rivelatori ottici e agli emettitori di luce possono distruggerli immediatamente o ridurne la durata.

Questo è un problema serio negli ambienti ad alta radiazione, come lo spazio, gli acceleratori medici (radioterapia, radiografia) o le strutture nucleari.

Una soluzione al problema è semplicemente utilizzare una schermatura adeguata, posizionando la parte elettronica dietro uno strato protettivo, solitamente acqua o un elemento pesante come il piombo, a seconda del tipo di radiazione.

Un’altra opzione è la ridondanza e la correzione degli errori. Se un componente è presente in più copie, o un programma viene eseguito più volte, un errore in una sola di esse può essere rilevato e successivamente ignorato.

L’ultima opzione è costruire sistemi elettronici naturalmente resistenti alla radiazione, l’unica soluzione per i sistemi elettronici che devono essere direttamente esposti alla radiazione, come i rivelatori di un acceleratore di particelle.

Costruire Elettronica a Prova di Radiazione

Fattibilità Commerciale

Il problema che gli ingegneri e gli scienziati del CERN hanno affrontato è che i componenti pronti all’uso semplicemente non possono sopravvivere alle condizioni estreme all’interno dell’acceleratore.

Allo stesso tempo, il mercato dei circuiti resistenti alle radiazioni è troppo piccolo per attirare investimenti da parte dei produttori commerciali di chip.

“Sviluppare strumenti all’avanguardia è cruciale per il nostro successo. L’industria non poteva giustificare lo sforzo, quindi il mondo accademico è dovuto intervenire.”

John Parsons – Professore di fisica e leader del team dell’Università Columbia che lavora sul rivelatore ATLAS.
In questo caso specifico, i ricercatori hanno dovuto sviluppare convertitori analogico-digitale (ADC). Il compito di questi dispositivi è catturare i segnali elettrici prodotti dalle collisioni di particelle all’interno dei rivelatori del CERN e tradurli in dati digitali che i ricercatori possono analizzare.

Ciò avviene tramite un dispositivo chiamato calorimetro a argon liquido, che converte le collisioni di particelle in un segnale elettronico.

Gli ADC di Columbia convertono questi delicati segnali analogici in misurazioni digitali precise, catturando dettagli che nessun componente esistente poteva registrare in modo affidabile.

Condizioni Esigenti

I ricercatori hanno scelto e dimensionato con cura i componenti e hanno organizzato le architetture e i layout dei circuiti per minimizzare i danni da radiazione, poiché la schermatura contro le radiazioni non è realistica nel rivelatore di particelle.

Non solo, ma hanno dovuto considerare che le schede elettroniche in questione sono inaccessibili durante il funzionamento e possono essere sottoposte a manutenzione al massimo una volta all’anno.

I livelli di radiazione che i componenti sperimenteranno durante una vita operativa di 12 anni sono tipicamente quelli incontrati dai satelliti in orbita geostazionaria.

Gli errori temporanei possono essere tollerati, ma i danni permanenti non possono essere accettati, poiché ostacolerebbero il lavoro di tutti i progetti di ricerca che richiedono ATLAS.

Riutilizzo di Tecniche di Produzione di Semiconduttori Provate

Reinventare il modo di produrre semiconduttori non sarebbe stato un percorso praticabile per creare un dispositivo utile entro un budget e un tempo ragionevoli.

Quindi i ricercatori hanno utilizzato processi semiconduttori commerciali convalidati dal CERN per la resistenza alle radiazioni e hanno applicato tecniche innovative a livello di circuito.

Una decisione chiave in tal senso è stata fare affidamento su metodi di litografia più vecchi, collaudati, utilizzando un processo CMOS a tripla pozzetta da 65 nm commerciale per la produzione del chip ASIC personalizzato (Circuito Integrato Specifico per Applicazione).

Questo processo da 65 nm è noto per essere intrinsecamente resistente alle radiazioni.

Un’altra scelta di progettazione è stata minimizzare i componenti non presenti direttamente sul chip, riducendo il rischio di errori integrando gli orologi interni, le memorie, ecc. del chip.

Fonte: IEEE Explore

Tuttavia, i calcoli di calibrazione vengono eseguiti fuori dal chip per prevenire errori indotti dalla radiazione nei calcoli che fornirebbero dati errati.

Hanno anche esaminato i condensatori, che possono essere sovraccaricati dall’effetto ionizzante della radiazione.

I condensatori metal-insulator-metal (MiM) sono naturalmente da 30 a 80 volte più sottili rispetto a un più convenzionale metal-oxide–metal (MoM), oltre ad essere metà della dimensione, riducendo la superficie potenzialmente colpita da radiazioni e particelle ad alta energia.

Fonte: IEEE Explore

Progettazione Finale del Chip e Test

Il chip finale è un progetto elettronico specificamente concepito per essere ottimale contro le radiazioni, anziché per alta velocità, facilità di produzione o prestazioni potenziate come i prodotti commerciali.

In totale, 45.617 di questi chip saranno utilizzati nel rivelatore ATLAS.

Fonte: IEEE Explore

Diciotto dispositivi sono stati caratterizzati per le prestazioni analogiche; è stata effettuata una ulteriore validazione della precisione analogica a lungo termine e una ampia campagna di test di radiazione.

Tutti i risultati hanno indicato che i chip avrebbero funzionato bene nell’ambiente del rivelatore ATLAS.

Tuttavia, indipendentemente dal livello di protezione, questi livelli di radiazione causeranno alcuni errori e problemi in qualsiasi sistema elettronico. Perciò i ricercatori hanno poi costruito sistemi digitali che rilevano e correggono automaticamente gli errori in tempo reale.

Gli errori a doppio e triplo bit, più problematici, vengono rilevati leggendo periodicamente tutti i registri di memoria e confrontandoli con la programmazione iniziale. Qualsiasi misura effettuata quando si verificano tali errori doppi o tripli viene anche scartata.

Conclusione

Questo progetto di ricerca consentirà l’analisi avanzata delle particelle ad alta energia generate dal LHC.

Sarà anche un componente vitale di un importante aggiornamento dell’acceleratore con l’“High Luminosity LHC” (HL–LHC), un aggiornamento destinato a aumentare la luminosità del LHC di 10 volte.

Ad esempio, l’High-Luminosity LHC produrrà almeno 15 milioni di bosoni di Higgs all’anno, rispetto a circa tre milioni prodotti dal LHC nel 2017.

Fonte: CERN

È probabile che i futuri progetti del CERN, come il Future Circular Collider (FCC), con i primi esperimenti a partire dalla metà degli anni 2040, richiederanno anche elettronica a prova di radiazione simile o ancora più avanzata.

Infine, questo tipo di progetto, finanziato tramite budget accademici nella fisica fondamentale, può essere un’ispirazione per una versione commerciale di elettronica a prova di radiazione.

Poiché l’umanità sta cercando di esplorare lo spazio profondo, inclusi potenziali basi permanenti sulla Luna e su Marte, o l’estrazione di asteroidi, elettronica più durevole e a prova di radiazione sarà molto utile.

Investire in Sensori Avanzati

CEVA è un’azienda di sensori e partner del CERN per utilizzare l’algoritmo dell’istituzione al fine di migliorare l’efficienza e il consumo energetico dei suoi sensori. Le soluzioni e la proprietà intellettuale di CEVA (200 brevetti) sono integrate in 18 miliardi di dispositivi.

Le soluzioni dell’azienda sono utilizzate da molti dei principali marchi elettronici a livello mondiale.

Fonte: CEVA

L’applicazione principale della collaborazione tra CEVA e il CERN è “Edge AI”, ovvero applicazioni di intelligenza artificiale distribuite su dispositivi lontani dai data center (cloud) e più vicini ai consumatori (edge).

Potrebbe non sorprendere vedere gli algoritmi della fisica delle particelle riutilizzati in applicazioni AI, poiché le reti neurali sono state, ad esempio, impiegate nella scoperta del bosone di Higgs. L’analisi dei dati degli acceleratori di particelle deve essere effettuata in loco anziché nel cloud, a causa dell’enorme volume di dati prodotti molto rapidamente.

CEVA ha aiutato il CERN a creare nuovi algoritmi di compressione che possono essere utilizzati in futuri esperimenti e sarà in grado di integrare questa nuova tecnologia nei suoi prodotti.

“Grazie alla nostra collaborazione con il CERN, siamo stati in grado di sviluppare un approccio innovativo che consente alle reti di funzionare fino a 15 volte più velocemente rispetto ai modelli di base a 16 bit.

Sta migliorando la velocità della rete e riducendo il consumo energetico fino al 90% mantenendo un’accuratezza comparabile.”

Olya Sirkin – Ricercatrice Senior di Deep Learning presso Ceva

Questo è solo uno dei progressi tecnologici di CEVA, con l’azienda attiva nella connettività wireless, nei sensori (visione, audio, movimento) e negli algoritmi di reti neurali.

Fonte: CEVA

CEVA beneficia notevolmente dalla combinazione delle tendenze della connettività 5G (inclusa la 5G satellitare) e dell’IoT (Internet of Things) con soluzioni AI integrate, sia per soluzioni industriali che domestiche. È anche leader nelle soluzioni WiFi 6 e detiene una posizione di leadership nel WiFi 7.

Fonte: Ruije

Come azienda di software e proprietà intellettuale, CEVA è ben nota tra gli ingegneri ed è spesso trascurata dagli investitori interessati ai settori IoT e 5G.

Può essere un’azienda interessante al limite del progresso tecnologico nell’elaborazione dei dati e nell’Edge AI, come dimostra la scelta del CERN di coinvolgerla per aiutare con alcune delle analisi di dati più complesse mai eseguite dall’umanità.

Ultime Notizie e Sviluppi delle Azioni CEVA (CEVA)

Studio di Riferimento:

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