מכשירי חשמל
שבבים מוקשי קרינה מפעילים את מאיצי CERN
Securities.io מקפיד על סטנדרטים מחמירים של עריכה ועשוי לקבל פיצוי מקישורים שנבדקו. איננו יועצי השקעות רשומים וזה אינו ייעוץ השקעות. אנא עיינו באתר שלנו גילוי נאות.
אלקטרוניקה לבניין עבור סביבות קרינה גבוהה
אלקטרוניקה היא בליבת כמעט כל טכנולוגיה שהומצאה בעשורים האחרונים. ככל שהעולם הופך לדיגיטלי עוד יותר תהליכים ונתונים, זה הופך להיות נכון יותר ויותר מיום ליום.
עם זאת, בסביבות מסוימות, אלקטרוניקה סטנדרטית מתקשה לעמוד בקצב. אחד מהם הוא מאיצי חלקיקים.
מצד אחד, מאיצי חלקיקים מייצרים כל כך הרבה טרה-בייטים של נתונים בשנייה, עד שנדרשים רכיבים אלקטרוניים יעילים במיוחד כדי לעמוד בקצב. מצד שני, כמות הקרינה שהם מייצרים נוטה לפגוע במערכות אלקטרוניות.
מדענים ב-CERN בשוויץ עמדו בפני הדילמה הזו. במאיץ החלקיקים LHC ב-CERN, הגדול בעולם, נפלטו קרינות, מה שהקשה על המדידה.
"בדקנו רכיבים סטנדרטיים ומסחריים, והם פשוט מתו. הקרינה הייתה עזה מדי. הבנו שאם אנחנו רוצים משהו שיעבוד, נצטרך לתכנן אותו בעצמנו."
השבב הראשון מסוג זה פותח בשנת 2017 והועמד למבחן בשנת 2022 עבור ניסויי ATLAS. ATLAS הוא גלאי החלקיקים הגדול ביותר שנבנה אי פעם, באורך 46 מטרים (150 רגל) ובקוטר 25 מטרים (82 רגל).
הגלאים מכילים מעל 100 מיליון ערוצים אלקטרוניים רגישים כדי לתעד את החלקיקים הנוצרים מההתנגשויות. הם מכילים גלאי משנה רבים, שלכל אחד תפקיד נפרד, כדי לזהות בו זמנית פוטונים, אלקטרונים, מיואונים, פיונים וכו'.
מקור: אטלס
שבב שני, ADC לאיסוף נתונים, עבר לאחרונה את הבדיקות הסופיות שלו וכעת נמצא בייצור מלא. הוא מתואר במלואו במאמר שפורסם לאחרונה.1 בכתב העת IEEE Explore, תחת הכותרת "ממיר ADC בעל 8 ערוצים, 15 סיביות, 40-MSPS, עמיד בפני קרינה עבור קריאת קלורימטר ארגון נוזלי ATLAS".
כיצד קרינה משפיעה על אלקטרוניקה
מאז שחר האלקטרוניקה, ידוע שקרינה נוטה לפגוע ברכיבים אלקטרוניים ו/או לגרום להם למסור נתונים שגויים.
מבין ההשפעות הרבות שיכולות להיות לקרינה, ניתן למנות בקצרה את הבעייתיות ביותר:
- שינוי במתח בטרנזיסטורים, המוביל לנתונים שגויים או להרס מוחלט של הטרנזיסטורים.
- היפוך ביטים בודדים (0 ו-1) ברכיבי זיכרון.
- שחיקה חשמלית או תרמית של מעגלים משולבים.
- נזק לגלאים אופטיים ולפולטי אור יכול להרוס אותם באופן מיידי או לקצר את תוחלת החיים שלהם.
זוהי בעיה חמורה בסביבות עם קרינה גבוהה, כמו חלל, מאיצים רפואיים (טיפול בקרינה, רדיוגרפיה) או מתקנים גרעיניים.
אפשרות אחת לפתרון הבעיה היא פשוט להשתמש במיגון מספיק, תוך הצבת החלק האלקטרוני מאחורי שכבת מגן, בדרך כלל מים או יסוד כבד כמו עופרת, תלוי בסוג הקרינה.
אפשרות נוספת היא יתירות ותיקון שגיאות. אם רכיב נמצא בעותקים מרובים, או שתוכנית רצה מספר פעמים, ניתן לזהות שגיאה רק באחד מהם ולאחר מכן להתעלם ממנה.
האפשרות האחרונה היא לבנות מערכות אלקטרוניות עמידות באופן טבעי לקרינה, וזו האפשרות היחידה עבור מערכות אלקטרוניות שצריכות להיחשף ישירות לקרינה, כמו גלאים של מאיץ חלקיקים.
| אפקט קרינה | תיאור | פְּגִיעָה |
|---|---|---|
| שינויי סף מתח | קרינה משנה את התנהגות הטרנזיסטור | גורם לשגיאות לוגיות או כשל ברכיבים |
| הפרעות באירוע בודד (SEUs) | ביט-היפוכים בזיכרון או במעגלים לוגיים | עלול לפגוע בנתונים או לקרוס מערכות |
| נצמד | קצר חשמלי שנגרם על ידי חלקיקים טעונים | עלול לגרום נזק קבוע לשבבים |
| מינון מייננן כולל (TID) | הידרדרות הדרגתית מחשיפה לקרינה | מקצר את תוחלת החיים של מכשירים |
בניית אלקטרוניקה חסינת קרינה
כדאיות מסחרית
הבעיה שעמה התמודדו המהנדסים והמדענים של CERN היא שרכיבים מוכנים לשימוש פשוט אינם יכולים לשרוד את התנאים הקשים בתוך המאיץ.
במקביל, שוק המעגלים העמידים בפני קרינה קטן מדי מכדי לפתות השקעות מצד יצרני שבבים מסחריים.
"פיתוח מכשור חדיש הוא קריטי להצלחתנו. התעשייה פשוט לא יכלה להצדיק את המאמץ, ולכן האקדמיה נאלצה להתערב."
ג'ון פרסונס - Pפרופסור לפיזיקה ומנהיג צוות אוניברסיטת קולומביה שעובד על גלאי אטלס.
במקרה הספציפי הזה, החוקרים היו צריכים לפתח ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADCs). משימתם של התקנים אלה היא ללכוד אותות חשמליים המופקים מהתנגשויות חלקיקים בתוך גלאי CERN ולתרגם אותם לנתונים דיגיטליים שהחוקרים יכולים לנתח.
זה נעשה באמצעות מכשיר הנקרא קלורימטר ארגון נוזלי, אשר ממיר התנגשויות חלקיקים לאות אלקטרוני.
שבבי ה-ADC של קולומביה ממירים את האותות האנלוגיים העדינים הללו למדידות דיגיטליות מדויקות, ולוכדים פרטים שאף רכיב קיים לא יכול היה לתעד באופן מהימן.
תנאים תובעניים
החוקרים בחרו ומידו בקפידה רכיבים וסידרו ארכיטקטורות ופריסות של מעגלים כדי למזער נזקי קרינה, מכיוון שמיגון קרינה אינו מציאותי בגלאי החלקיקים.
לא רק זאת, אלא שהם היו צריכים לקחת בחשבון שהלוחות האלקטרוניים המדוברים אינם נגישים במהלך הפעולה וניתן לגשת אליהם לצורך תחזוקה לכל היותר פעם בשנה.
רמות הקרינה שהרכיבים יחוו במהלך 12 שנות חיים פעילות נתקלות בדרך כלל בלוויינים במסלול גיאוסטציונרי.
ניתן לסבול טעויות זמניות, אך לא ניתן לקבל נזק קבוע, שכן הדבר יפריע לעבודתם של כל פרויקטי המחקר הדורשים אטלס.
שימוש חוזר בטכניקות ייצור מוכחות של מוליכים למחצה
המצאה מחדש של אופן ייצור מוליכים למחצה לא הייתה דרך בת קיימא ליצירת מכשיר שימושי במסגרת תקציב וזמן סבירים.
לכן, החוקרים השתמשו בתהליכי מוליכים למחצה מסחריים שאומתו על ידי CERN לעמידות לקרינה ויישמו טכניקות חדשניות ברמת המעגל.
החלטה מרכזית בהקשר זה הייתה להסתמך על שיטות ליתוגרפיה ישנות, מוכחות ומוכחות, תוך שימוש בתהליך CMOS מסחרי של 65 ננומטר, בעל שלוש בארות, לייצור שבב ASIC המותאם אישית (מעגל משולב ספציפי ליישום).
תהליך 65 ננומטר זה ידוע כבעל קשיות קרינה מטבעו.
בחירה עיצובית נוספת הייתה למזער את הרכיבים שאינם קיימים ישירות על השבב, ובכך להפחית את הסיכון לשגיאות על ידי שילוב השעונים הפנימיים, הזיכרונות וכו' של השבב.
מקור: IEEE חקור
עם זאת, חישובי הכיול מבוצעים מחוץ לשבב כדי למנוע שגיאות הנגרמות מקרינה בחישוב, אשר יניבו נתונים שגויים.
הם גם בחנו קבלים, אשר יכולים להיטען יתר על המידה עקב ההשפעה המייננת של קרינה.
קבלים מסוג מתכת-מבודד-מתכת (MiM) דקים באופן טבעי פי 30-80 מקבלי מתכת-תחמוצת-מתכת (MoM) קונבנציונליים יותר, ובמקביל הם גם חצי מגודלם, מה שמקטין את פני השטח שעלולים להיפגע מקרינה וחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה.
מקור: IEEE חקור
עיצוב ובדיקה סופיים של שבבים
השבב הסופי הוא עיצוב אלקטרוני שתוכנן במיוחד להיות אופטימלי כנגד קרינה, במקום מהירות גבוהה, קלות ייצור או ביצועים משופרים כמו מוצרים מסחריים.
בסך הכל, 45,617 מהשבבים הללו ישמשו בגלאי ATLAS.
מקור: IEEE חקור
שמונה עשר התקנים אופיינו מבחינת ביצועים אנלוגיים; בוצע אימות נוסף של דיוק אנלוגי לטווח ארוך ונערך קמפיין בדיקות קרינה נרחב.
כל התוצאות הצביעו על כך שהשבבים יפעלו היטב בסביבת גלאי ATLAS.
ובכל זאת, לא משנה כמה הן חזקות, רמות קרינה אלו יגרמו לשגיאות ובעיות בכל מערכת אלקטרונית. לכן, החוקרים בנו מערכות דיגיטליות שמזהות ומתקנות שגיאות באופן אוטומטי בזמן אמת.
שגיאות כפולות ומשולשות, שהן בעייתיות יותר, מזוהות על ידי קריאה תקופתית של כל אוגרי הזיכרון והשוואתם לתכנות הראשוני. כל מדידה שנעשית כאשר מתרחשות שגיאות כפולות ומשולשות כאלה נשכחת גם היא.
סיכום
פרויקט מחקר זה יאפשר ניתוח מתקדם של חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה הנוצרים על ידי ה-LHC.
זה יהיה גם מרכיב חיוני בשדרוג משמעותי של המאיץ עם ה- "LHC בעל עוצמת בהירות גבוהה" (HL–LHC), שדרוג שנועד להגביר את עוצמת האור של ה-LHC פי 10.
לדוגמה, ה-LHC בעל הארה גבוהה ייצר לפחות 15 מיליון בוזוני היגס בשנה, בהשוואה לכשלושה מיליון מה-LHC בשנת 2017.
מקור: CERN
סביר להניח שפרויקטים מאוחרים יותר של CERN, כמו ה- מאיץ מעגלי עתידי (FFC), כאשר הניסויים הראשונים יתחילו באמצע שנות ה-2040, ידרוש גם אלקטרוניקה דומה או אף מתקדמת יותר העמידה בפני קרינה.
לבסוף, פרויקט מסוג זה, הממומן באמצעות תקציבים אקדמיים בפיזיקה בסיסית, יכול לשמש השראה לגרסה מסחרית של אלקטרוניקה חסינת קרינה.
ככל שהאנושות מבקשת לחקור את החלל העמוק, כולל בסיסים קבועים על הירח ועל מאדים, או כריית אסטרואידים, אלקטרוניקה עמידה ועמידה יותר בפני קרינה תהיה שימושית מאוד.
השקעה בחיישנים מתקדמים
סיוה
(CEVA )
CEVA היא חברת חיישנים ושותפה עם CERN לשימוש באלגוריתם של המוסד כדי לשפר את היעילות וצריכת החשמל של החיישנים שלו. פתרונות CEVA ו-IP (200 פטנטים) משולבים ב-18 מיליארד מכשירים.
פתרונות החברה משמשים רבים ממותגי האלקטרוניקה המובילים ברחבי העולם.
מקור: סיוה
היישום העיקרי של שיתוף הפעולה בין CEVA וה-CERN הוא "Edge AI", או יישומי בינה מלאכותית הפרוסים במכשירים הרחק ממרכזי הנתונים (הענן) וקרובים יותר לצרכנים (הקצה).
זה אולי לא מפתיע לראות באלגוריתמים של פיזיקת חלקיקים נעשה שימוש חוזר ביישומי בינה מלאכותית, שכן רשתות עצביות שימשו, למשל, במציאת חלקיק הבוזון של היגס. ניתוח נתוני מאיץ החלקיקים צריך להיעשות באתר במקום בענן, בשל נפח הנתונים העצום המופק מהר מאוד.
CEVA סייעה ל-CERN ליצור אלגוריתמי דחיסה חדשים שניתן להשתמש בהם בניסויים עתידיים, ויוכלו לשלב טכנולוגיה חדשה זו במוצריה.
"הודות לשיתוף הפעולה שלנו עם CERN, הצלחנו לפתח גישה חדשנית המאפשרת לרשתות לפעול מהר יותר עד פי 15 בהשוואה למודלים בסיסיים של 16 סיביות."
זה משפר את מהירות הרשת ומפחית את צריכת האנרגיה בעד 90% תוך שמירה על דיוק דומה."
זוהי רק אחת מההתקדמות הטכנולוגית של CEVA, כאשר החברה פעילה בתחומי קישוריות אלחוטית, חיישנים (ראייה, אודיו, תנועה) ואלגוריתמים של רשתות עצביות.
מקור: סיוה
CEVA נהנית רבות מהמגמה המשולבת של קישוריות 5G (כולל 5G דרך לוויין) ו-IoT (האינטרנט של הדברים) עם פתרונות בינה מלאכותית משובצים, הן עבור פתרונות תעשייתיים והן עבור פתרונות ביתיים. היא גם מובילה בפתרונות WiFi 6 ובעלת מעמד מוביל ב-WiFi 7.
מקור: Ruije
כחברת תוכנה ו-IP, CEVA ידועה בקרב מהנדסים ולעתים קרובות פוסחת על ידי משקיעים המתעניינים במגזרי האינטרנט של הדברים וה-5G.
זוהי יכולה להיות חברה מעניינת ממש בקצה ההתקדמות הטכנולוגית בעיבוד נתונים ובינה מלאכותית, כפי שמודגם על ידי בחירתה של CERN כדי לסייע בכמה מניתוחי הנתונים המורכבים ביותר שבוצעו אי פעם על ידי האנושות.
חדשות והתפתחויות אחרונות במניות CEVA (CEVA).
מחקר שאליו התייחסו:
1רוי שו; ירוסלב באן; סרתק קלאני; צ'ן-קאי הסו; סובהאג'יט ריי; בריאן קירבי. ממיר ADC בעל 8 ערוצים, 15 סיביות, 40-MSPS, עמיד בפני קרינה עבור קריאת קלורימטר ארגון נוזלי ATLAS. IEEE Explore. 28 מאי 2025. עp 180 - 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904
{
"@context": "https://schema.org",
"@type": "FAQPage",
"ישות ראשית": [
{
"@type": "שאלה",
"שם": "מדוע אלקטרוניקה עמידה בפני קרינה חשובה למאיצי חלקיקים?",
"acceptedAnswer": {
"@type": "תשובה",
"טקסט": "אלקטרוניקה חסינת קרינה חיונית למאיצי חלקיקים כמו LHC של CERN מכיוון שרמות קרינה גבוהות עלולות לפגוע בשבבים סטנדרטיים ולעוות נתונים. שבבים ייעודיים מבטיחים ביצועים אמינים ומדידות מדויקות בסביבות קיצוניות אלה."
}
},
{
"@type": "שאלה",
"שם": "מה מייחד את שבב ה-ADC שפותח על ידי CERN?",
"acceptedAnswer": {
"@type": "תשובה",
"טקסט": "שבב ה-ADC שפותח עבור CERN בנוי באמצעות תהליך CMOS של 65 ננומטר הידוע בקשיחות הקרינה שלו. הוא משלב תיקון שגיאות, קבלי MiM וארכיטקטורה מותאמת אישית כדי לשרוד בסביבות קרינה גבוהה במשך למעלה מעשור."
}
},
{
"@type": "שאלה",
"שם": "איזה תפקיד ממלא CEVA בניסויי CERN?",
"acceptedAnswer": {
"@type": "תשובה",
"טקסט": "CEVA משתפת פעולה עם CERN כדי לייעל אלגוריתמי דחיסה ובינה מלאכותית לעיבוד נתוני חלקיקים. תרומתם משפרת את יעילות האנרגיה ואת מהירויות החישוב בניתוח נתונים בזמן אמת."
}
}
]
}
