Stralingsbestendige chips leveren energie aan CERN‑versnellers

Elektronica bouwen voor omgevingen met hoge straling

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.

In sommige omgevingen hebben standaard elektronica echter moeite om bij te blijven. Een daarvan zijn deeltjesversnellers.

Enerzijds genereren deeltjesversnellers zo veel terabytes aan data per seconde dat ultra‑efficiënte elektronische componenten nodig zijn om bij te blijven. Anderzijds zorgt de hoeveelheid straling die ze produceren ervoor dat elektronische systemen verstoord raken.

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.

“We hebben standaard, commerciële componenten getest, en ze vielen meteen uit. De straling was te intens. We realiseerden ons dat als we iets wilden dat werkte, we het zelf moesten ontwerpen.”

Rui (Ray) Xu, een PhD‑student aan Columbia Engineering

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.

Bron: 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”.

Hoe straling elektronica beïnvloedt

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:

• Variatie in spanning in transistors, wat leidt tot foutieve gegevens of zelfs volledige vernietiging van de transistors.
• Het omkeren van individuele bits (0 & 1) in geheugencomponenten.
• Elektrische of thermische uitval van geïntegreerde schakelingen.
• Schade aan optische detectoren en lichtemitters kan ze onmiddellijk vernietigen of hun levensduur verkorten.

This is a serious problem in high-radiation environments, like space, medical accelerators (radiation therapy, radiography), or nuclear facilities.

Een optie om het probleem op te lossen is simpelweg voldoende afscherming te gebruiken, waarbij het elektronische onderdeel achter een beschermende laag wordt geplaatst, meestal water of een zwaar element zoals lood, afhankelijk van het type straling.

Een andere optie is redundantie en foutcorrectie. Als een component in meerdere exemplaren aanwezig is, of een programma meerdere keren wordt uitgevoerd, kan een fout in slechts één exemplaar worden gedetecteerd en vervolgens worden genegeerd.

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.

Stralingsbestendige elektronica bouwen

Commerciële levensvatbaarheid

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.

“Het ontwikkelen van geavanceerde instrumentatie is cruciaal voor ons succes. De industrie kon de inspanning simpelweg niet rechtvaardigen, dus moest de academische wereld ingrijpen.”

John Parsons – professor in de natuurkunde en leider van het Columbia University‑team dat werkt aan de ATLAS‑detector

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.

Vereisende omstandigheden

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.

Niet alleen dat, maar ze moesten ook rekening houden met het feit dat de betreffende elektronische kaarten tijdens de werking ontoegankelijk zijn en slechts maximaal één keer per jaar voor onderhoud kunnen worden benaderd.

De stralingsniveaus die de componenten gedurende een levensduur van 12 jaar zullen ervaren, komen doorgaans voor bij satellieten in een geostationaire baan.

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

Bewezen productietechnieken voor halfgeleiders hergebruiken

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.

Daarom gebruikten de onderzoekers commerciële halfgeleiderprocessen die door CERN zijn gevalideerd voor stralingsbestendigheid en pasten ze innovatieve circuit‑niveau technieken toe.

Een belangrijke beslissing in dat opzicht was om te vertrouwen op oudere, beproefde lithografiemethoden, met gebruik van een commercieel, triple‑well 65‑nm CMOS‑proces voor de productie van de ASIC‑aangepaste chip (Application‑Specific Integrated Circuit).

Dit 65‑nm proces staat bekend als van nature stralingsbestendig.

Een andere ontwerpkeuze was om de componenten die niet direct op de chip aanwezig zijn te minimaliseren, waardoor het risico op fouten werd verkleind door de interne klokken, geheugens, enz. van de chip te integreren.

Bron: IEEE Explore

Echter, kalibratieberekeningen worden off‑chip uitgevoerd om stralingsgeïnduceerde fouten in de berekening die foutieve gegevens zouden opleveren, te voorkomen.

Ze keken ook naar condensatoren, die door het ioniserende effect van straling overbelast kunnen raken.

Metal‑insulator‑metal (MiM) condensatoren zijn van nature 30‑ tot 80‑maal dunner dan een meer conventionele metal‑oxide‑metal (MoM), terwijl ze ook de helft van de grootte hebben, waardoor het oppervlak dat mogelijk door straling en hoog‑energetische deeltjes wordt geraakt, wordt verminderd.

Bron: IEEE Explore

Eindontwerp van de chip & testen

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 totaal zullen 45.617 van deze chips worden gebruikt in de ATLAS‑detector.

Bron: IEEE Explore

Achttien apparaten werden gekarakteriseerd voor analoge prestaties; verdere validatie van de lange‑termijn analoge nauwkeurigheid en een uitgebreide stralingstestcampagne werden ondernomen.

Alle resultaten gaven aan dat de chips goed zouden presteren in de omgeving van de ATLAS‑detector.

Desondanks, ongeacht hoe hard ze zijn, zullen deze stralingsniveaus enkele fouten en problemen veroorzaken in elk elektronisch systeem. Daarom bouwden de onderzoekers digitale systemen die fouten automatisch in realtime detecteren en corrigeren.

Dubbele en drievoudige bit‑fouten, die problematischer zijn, worden gedetecteerd door periodiek alle geheugenregisters uit te lezen en te vergelijken met de oorspronkelijke programmering. Elke meting die wordt uitgevoerd wanneer dergelijke dubbele of drievoudige fouten optreden, wordt eveneens verworpen.

Conclusie

Dit onderzoeksproject zal de geavanceerde analyse van door de LHC gegenereerde hoog‑energetische deeltjes mogelijk maken.

Het zal ook een essentieel onderdeel zijn van een grote upgrade van de versneller met de “High Luminosity LHC” (HL‑LHC), een upgrade die bedoeld is de luminositeit van de LHC met een factor 10 te verhogen.

Bijvoorbeeld, de High‑Luminosity LHC zal minstens 15 miljoen Higgs‑bosonen per jaar produceren, vergeleken met ongeveer drie miljoen van de LHC in 2017.

Bron: CERN

Het is waarschijnlijk dat latere projecten van CERN, zoals de Future Circular Collider (FFC), met de eerste experimenten die beginnen halverwege de jaren 2040, ook vergelijkbare of zelfs meer geavanceerde stralingsbestendige elektronica zullen vereisen.

Ten slotte kan dit soort project, gefinancierd via academische budgetten in fundamentele fysica, een inspiratie vormen voor een commerciële versie van stralingsbestendige elektronica.

Aangezien de mensheid de diepe ruimte wil verkennen, inclusief mogelijk permanente maan‑ en Mars‑bases, of asteroïd‑mijnbouw, zullen duurzamere en stralingsbestendige elektronica zeer nuttig zijn.

Investeren in geavanceerde sensoren

CEVA is een sensorbedrijf en een partner van CERN om het algoritme van de instelling te gebruiken om de efficiëntie en het stroomverbruik van haar sensoren te verbeteren. CEVA‑oplossingen en IP (200 patenten) zijn geïntegreerd in 18 miljard apparaten.

De oplossingen van het bedrijf worden gebruikt door veel van de toonaangevende elektronicamerken wereldwijd.

Bron: CEVA

De belangrijkste toepassing van de samenwerking tussen CEVA en CERN is “Edge AI”, oftewel kunstmatige‑intelligentie‑toepassingen die op apparaten worden ingezet buiten de datacenters (de cloud) en dichter bij de eindgebruikers (de edge).

Het is misschien niet verrassend dat algoritmen uit de deeltjesfysica worden hergebruikt in AI‑toepassingen, aangezien neurale netwerken bijvoorbeeld werden gebruikt bij het vinden van het Higgs‑boson. Het analyseren van data van deeltjesversnellers moet ter plaatse gebeuren in plaats van in de cloud, vanwege de enorme hoeveelheid data die zeer snel wordt geproduceerd.

CEVA heeft CERN geholpen nieuwe compressie‑algoritmen te creëren die in toekomstige experimenten kunnen worden gebruikt en die in haar producten kunnen worden geïntegreerd.

“Dankzij onze samenwerking met CERN konden we een innovatieve benadering ontwikkelen die de netwerken tot 15 x sneller laat draaien vergeleken met 16‑bit baseline‑modellen.

Het verbetert de netwerksnelheid en vermindert het energieverbruik met tot 90 % terwijl de nauwkeurigheid vergelijkbaar blijft.”

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher bij Ceva

Dit is slechts een van CEVA’s technologische vooruitgangen, waarbij het bedrijf actief is op het gebied van draadloze connectiviteit, sensoren (visie, audio, beweging) en neurale‑netwerkalgoritmen.

Bron: CEVA

CEVA profiteert sterk van de gecombineerde trend van 5G‑connectiviteit (inclusief satelliet‑5G) en IoT (Internet of Things) met ingebedde AI‑oplossingen, zowel voor industriële als thuisoplossingen. Het is ook een leider op het gebied van WiFi 6‑oplossingen en heeft een leidende positie in WiFi 7.

Bron: Ruije

Als software‑ en IP‑bedrijf is CEVA goed bekend onder ingenieurs en wordt het vaak over het hoofd gezien door investeerders die geïnteresseerd zijn in de IoT‑ en 5G‑sectoren.

Het kan een interessant bedrijf zijn aan de voorhoede van technologische vooruitgang in gegevensverwerking en edge‑AI, zoals geïllustreerd door de keuze van CERN om het in te schakelen voor enkele van de meest complexe data‑analyses die de mensheid ooit heeft uitgevoerd.

Laatste CEVA (CEVA) aandelen‑nieuws en ontwikkelingen

Studie geraadpleegd:

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