Strålingsharde brikker driver CERN-akseleratorer

Bygge elektronikk for høystrålingsmiljøer

Elektronikk er kjernen i nesten all teknologi som er oppfunnet de siste tiårene. Etter hvert som verden digitaliserer stadig flere prosesser og data, blir dette enda mer sannsynlig hver dag.

Imidlertid sliter standard elektronikk i noen miljøer med å holde tritt. Ett av disse er partikkelakseleratorer.

På den ene siden genererer partikkelakseleratorer så mange terabyte data per sekund at ultraeffektive elektroniske komponenter er nødvendige for å holde tritt. På den andre siden har strålingsmengden de produserer en tendens til å forstyrre elektroniske systemer.

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.

“Vi testet standard, kommersielle komponenter, og de døde rett og slett. Strålingen var for intens. Vi innså at hvis vi ønsket noe som fungerte, måtte vi designe det selv.”

Rui (Ray) Xu, en PhD-student ved Columbia Engineering

Den første brikken av denne typen ble utviklet i 2017 og testet i 2022 for ATLAS-eksperimentene. ATLAS er den største partikkeldetektoren som noen gang er bygget, med en lengde på 46 meter (150 fot) og en diameter på 25 meter (82 fot).

Detektorene inneholder over 100 millioner følsomme elektroniske kanaler for å registrere partiklene som produseres av kollisjonene. Den inneholder mange sub-detektorer, hver med en egen rolle, for samtidig å oppdage fotoner, elektroner, myoner, pioni osv.

Kilde: ATLAS

En annen brikke, data‑innsamlings‑ADC‑en, har nylig bestått sine siste tester og er nå i full produksjon. Den er fullt beskrevet i et nylig publisert papir¹ i tidsskriftet IEEE Explore, med tittelen “A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout”.

Hvordan stråling påvirker elektronikk

Siden elektronikkens begynnelse har man visst at stråling har en tendens til å skade elektroniske komponenter og/eller få dem til å levere feil data.

Blant de mange effektene stråling kan ha, er de mest problematiske lett å liste opp:

• Variasjon i spenning i transistorer, som kan føre til enten feil data eller fullstendig ødeleggelse av transistorene.
• Veksling av individuelle biter (0 & 1) i minnekomponenter.
• Elektrisk eller termisk overoppheting av integrerte kretser.
• Skade på optiske detektorer og lysutsendere kan enten ødelegge dem umiddelbart eller redusere levetiden deres.

Dette er et alvorlig problem i høystrålingsmiljøer, som rommet, medisinske akseleratorer (strålebehandling, radiografi) eller kjernekraftverk.

En løsning på problemet er enkelt å bruke tilstrekkelig skjerming, ved å plassere den elektroniske delen bak et beskyttende lag, vanligvis vann eller et tungt element som bly, avhengig av strålingstypen.

Et annet alternativ er redundans og feilkorrigering. Hvis en komponent finnes i flere kopier, eller et program kjøres flere ganger, kan en feil i kun én av dem oppdages og deretter ignoreres.

Det siste alternativet er å bygge elektroniske systemer som er naturlig motstandsdyktige mot stråling, hvilket er det eneste alternativet for elektroniske systemer som må være direkte eksponert for stråling, som detektorene i en partikkelakselerator.

Bygge strålingsbestandig elektronikk

Kommersiell levedyktighet

Problemet CERN-ingeniørene og forskerne sto overfor er at standardkomponenter rett fra hyllen rett og slett ikke kan overleve de tøffe forholdene inne i akseleratoren.

Samtidig er markedet for strålingsresistente kretser for lite til å friste investering fra kommersielle chip‑produsenter.

“Å utvikle instrumentering i verdensklasse er avgjørende for vår suksess. Industrien kunne rett og slett ikke rettferdiggjøre innsatsen, så akademia måtte tre inn.”

John Parsons – professor i fysikk og leder av Columbia University‑teamet som arbeider med ATLAS‑detektoren.

I dette spesifikke tilfellet måtte forskerne utvikle analog‑til‑digital‑omformere (ADC‑er). Disse enhetenes oppgave er å fange opp elektriske signaler produsert av partikkelkollisjoner inne i CERN‑detektorene og oversette dem til digitale data som forskerne kan analysere.

Dette gjøres via en enhet kalt en flytende‑argon‑kalorimeter, som konverterer partikkelkollisjoner til et elektronisk signal.

Columbias ADC‑brikker konverterer disse delikate analoge signalene til presise digitale målinger, og fanger detaljer som ingen eksisterende komponent pålitelig kunne registrere.

Krevende forhold

Forskerne valgte og dimensjonerte komponenter nøye og ordnet kretsarkitekturer og layout for å minimere strålingsskade, siden strålingsskjerming ikke er realistisk i partikkeldetektoren.

Ikke bare det, men de måtte ta i betraktning at de aktuelle elektroniske kortene er utilgjengelige under drift og kun kan vedlikeholdes maksimalt én gang i året.

Strålingsnivåene komponentene vil oppleve i en 12‑års driftsperiode er vanligvis de som satellitter i geostasjonær bane møter.

Midlertidige feil kan tolereres, men permanent skade kan ikke aksepteres, da det vil hindre arbeidet til alle forskningsprosjektene som krever ATLAS.

Gjenbruk av velprøvde halvlederproduksjonsteknikker

Å finne på nytt hvordan man produserer halvledere var ikke en levedyktig vei for å lage en nyttig enhet innen rimelig budsjett og tidsramme.

Dermed brukte forskerne kommersielle halvlederprosesser som er validert av CERN for strålingsmotstand, og anvendte innovative kretsnivå‑teknikker.

En viktig beslutning i den forbindelse var å stole på eldre, velprøvde litografimetoder, ved å bruke en kommersiell, triple‑well 65‑nm CMOS‑prosess for produksjon av den tilpassede ASIC‑brikken (Application‑Specific Integrated Circuit).

Denne 65 nm‑prosessen er kjent for å være iboende strålingshard.

Et annet designvalg var å minimere komponentene som ikke er direkte på brikken, og dermed redusere risikoen for feil ved å integrere brikkens interne klokker, minne osv.

Kilde: IEEE Explore

Imidlertid utføres kalibreringsberegninger utenfor brikken for å forhindre strålingsinduserte feil i beregningene som ville gi feil data.

De undersøkte også kondensatorer, som kan bli overladet av den ioniserende effekten av stråling.

Metal‑insulator‑metal (MiM)‑kondensatorer er naturlig 30‑80 ganger tynnere enn en mer konvensjonell metal‑oksid‑metal (MoM), samtidig som de er halv så store, noe som reduserer overflaten som potensielt kan treffes av stråling og høy‑energi‑partikler.

Kilde: IEEE Explore

Siste brikkedesign & testing

Den endelige brikken er et elektronisk design spesielt laget for å være optimal mot stråling, i stedet for høy hastighet, enkel produksjon eller økt ytelse som kommersielle produkter.

Totalt vil 45 617 av disse brikkene bli brukt i ATLAS‑detektoren.

Kilde: IEEE Explore

Atten enheter ble karakterisert for analog ytelse; ytterligere validering av langsiktig analog nøyaktighet og en omfattende strålingsprøvekampanje ble gjennomført.

Alle resultater indikerte at brikkene ville fungere godt i miljøet til ATLAS‑detektoren.

Likevel, uansett hvor hardt de er, vil disse strålingsnivåene forårsake noen feil og problemer i ethvert elektronisk system. Derfor bygde forskerne digitale systemer som automatisk oppdager og korrigerer feil i sanntid.

Dobbel‑ og trippel‑bit‑feil, som er mer problematiske, oppdages ved periodisk å lese tilbake alle minne‑registere og sammenligne dem med den opprinnelige programmeringen. Enhver måling tatt når slike dobbel‑ og trippel‑feil oppstår blir også forkastet.

Konklusjon

Dette forskningsprosjektet vil muliggjøre avansert analyse av høyenergi‑partikler generert av LHC.

Det vil også være en viktig komponent i en stor oppgradering av akseleratoren med “High Luminosity LHC” (HL–LHC), en oppgradering ment å øke LHC‑luminositeten med 10 ganger.

For eksempel vil High‑Luminosity LHC produsere minst 15 millioner Higgs‑bosoner per år, sammenlignet med rundt tre millioner fra LHC i 2017.

Kilde: CERN

Det er sannsynlig at senere CERN‑prosjekter, som Future Circular Collider (FFC), med de første eksperimentene som starter på midten av 2040‑årene, også vil kreve lignende eller enda mer avansert strålingsbestandig elektronikk.

Til slutt kan dette slags prosjekt, finansiert gjennom akademiske budsjetter i grunnleggende fysikk, være en inspirasjon for en kommersiell versjon av strålingsbestandig elektronikk.

Ettersom menneskeheten ser mot å utforske dyprommet, inkludert potensielt permanente måne‑ og Mars‑baser, eller asteroidegruvedrift, vil mer holdbar og strålingsbestandig elektronikk være svært nyttig.

Investere i avanserte sensorer

CEVA

CEVA er et sensorselskap og en partner med CERN for å bruke institusjonens algoritme til å forbedre effektiviteten og strømforbruket til sine sensorer. CEVA‑løsninger og IP (200 patenter) er integrert i 18 milliarder enheter.

Selskapets løsninger brukes av mange av de ledende elektronikkmerkene verden over.

Kilde: CEVA

Hovedapplikasjonen av samarbeidet mellom CEVA og CERN er “Edge AI”, eller kunstig intelligens‑applikasjoner som distribueres på enheter utenfor datasentre (skyen) og nærmere forbrukerne (kanten).

Det er kanskje ikke overraskende at partikkelfysikk‑algoritmer gjenbrukes i AI‑applikasjoner, ettersom nevrale nettverk for eksempel ble brukt til å finne Higgs‑boson‑partikkelen. Analyse av data fra partikkelakseleratorer må gjøres på stedet i stedet for i skyen, på grunn av den enorme mengden data som produseres svært raskt.

CEVA hjalp CERN med å lage nye komprimeringsalgoritmer som kan brukes i fremtidige eksperimenter og vil kunne integrere denne nye teknologien i sine produkter.

“Takket være vårt samarbeid med CERN, klarte vi å utvikle en innovativ tilnærming som gjør at nettverkene kan kjøre opptil 15 ganger raskere sammenlignet med 16‑bit basismodeller.

Den forbedrer nettverkshastigheten og reduserer energiforbruket med opptil 90 % samtidig som den opprettholder sammenlignbar nøyaktighet.

Olya Sirkin – senior deep learning‑forsker hos Ceva

Dette er bare ett av CEVA‑s teknologiske fremskritt, med selskapet aktivt innen trådløs tilkobling, sensorer (syn, lyd, bevegelse) og nevrale nettverksalgoritmer.

Kilde: CEVA

CEVA drar stor nytte av den kombinerte trenden med 5G‑tilkobling (inkludert satellitt‑5G) og IoT (Internet of Things) med innebygde AI‑løsninger, både for industrielle og hjemme‑løsninger. Det er også en leder innen WiFi 6‑løsninger og har en ledende posisjon innen WiFi 7.

Kilde: Ruije

Som et programvare‑ og IP‑selskap er CEVA godt kjent blant ingeniører og blir ofte oversett av investorer som er interessert i IoT‑ og 5G‑sektorene.

Det kan være et interessant selskap i den aller fremste kanten av teknologisk fremgang innen databehandling og edge AI, som illustrert av CERNs valg av dem for å hjelpe med noen av de mest komplekse dataanalysene som noen gang er utført av menneskeheten.

Siste CEVA (CEVA) aksje‑nyheter og utviklinger

Studie referert:

^{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. mai 2025. s. 180 – 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}