Strålingsherdede brikker driver CERN-akseleratorer

Bygningselektronikk for miljøer med høy stråling

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

I noen miljøer sliter imidlertid standardelektronikk med å holde tritt. En av disse er partikkelakseleratorer.

På den ene siden genererer partikkelakseleratorer så mange terabyte med data per sekund at det trengs ultraeffektive elektroniske komponenter for å holde tritt. På den annen side har mengden stråling de genererer en tendens til å forstyrre elektroniske systemer.

Forskere ved CERN i Sveits sto overfor dette dilemmaet. Ved LHC-partikkelakseleratoren på CERN, verdens største, ble det sendt ut stråling, noe som gjorde måling vanskelig.

«Vi testet standard, kommersielle komponenter, og de bare døde. Strålingen var for intens. Vi innså at hvis vi ville ha noe som fungerte, måtte vi designe det selv.»

Rui (Ray) Xu, en doktorgradsstudent i ingeniørfag ved Columbia

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

Detektorene inneholder over 100 millioner følsomme elektroniske kanaler for å registrere partiklene som produseres av kollisjonene. Den inneholder mange underdetektorer, som hver spiller en egen rolle, for å oppdage fotoner, elektroner, myoner, pioner osv. samtidig.

kilde: ATLAS

En annen brikke, datainnsamlings-ADC-en, har nylig bestått sine siste tester og er nå i full produksjon. Den er beskrevet i sin helhet i en nylig publisert artikkel.¹ i tidsskriftet IEEE Explore, under tittelen «En strålingsbestandig 8-kanals 15-bits 40-MSPS ADC for ATLAS flytende argon kalorimeteravlesning".

Hvordan stråling påvirker elektronikk

Helt siden elektronikkens begynnelse har det vært kjent at stråling har en tendens til å skade elektroniske komponenter og/eller få dem til å gi ut feil data.

Blant de mange effektene stråling kan ha, kan de mest problematiske raskt listes opp:

• Variasjon i spenning i transistorer, som fører til enten feilaktige data eller fullstendig ødeleggelse av transistorene.
• Å snu individuelle biter (0 og 1) i minnekomponenter.
• Elektrisk eller termisk utbrenthet av integrerte kretser.
• Skade på optiske detektorer og lyssendere kan enten ødelegge dem umiddelbart eller redusere levetiden deres.

Dette er et alvorlig problem i miljøer med høy stråling, som i verdensrommet, medisinske akseleratorer (strålebehandling, radiografi) eller kjernefysiske anlegg.

Et alternativ for å løse problemet er ganske enkelt å bruke nok skjerming, og legge elektronikkdelen bak et beskyttende lag, vanligvis vann eller et tungt grunnstoff som bly, avhengig av typen stråling.

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

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

Bygge strålingssikker elektronikk

Kommersiell levedyktighet

Problemet CERNs ingeniører og forskere sto overfor er at standardkomponenter rett og slett ikke tåler de tøffe forholdene inne i akseleratoren.

Samtidig er markedet for strålingsbestandige kretser for lite til å lokke til investeringer fra kommersielle brikkeprodusenter.

«Å utvikle toppmoderne instrumentering er avgjørende for vår suksess. Industrien kunne rett og slett ikke rettferdiggjøre innsatsen, så akademia måtte trå til.»

John Parsons - Pprofessor 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 CERNs detektorer og oversette dem til digitale data som forskere kan analysere.

Dette gjøres gjennom en enhet kalt et flytende argonkalorimeter, som konverterer partikkelkollisjoner til et elektronisk signal.

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

Krevende forhold

Forskerne valgte og dimensjonerte komponenter nøye og arrangerte kretsarkitekturer og -oppsett for å minimere strålingsskader, ettersom strålingsskjerming ikke er realistisk i partikkeldetektoren.

Ikke bare det, men de måtte ta hensyn til at de aktuelle elektroniske kortene er utilgjengelige under drift og kan nås for vedlikehold maksimalt én gang per år.

Strålingsnivåene komponentene vil oppleve i løpet av en 12-årig levetid, møter vanligvis satellitter i geostasjonær bane.

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

Gjenbruk av velprøvde teknikker for halvlederproduksjon

Å gjenoppfinne hvordan man produserer halvledere ville ikke være en levedyktig vei til å lage en nyttig enhet innenfor et rimelig budsjett og en rimelig tidsramme.

Så brukte forskerne kommersielle halvlederprosesser validert av CERN for strålingsmotstand og innovative teknikker på kretsnivå.

En viktig avgjørelse i så måte var å stole på eldre, velprøvde litografimetoder, ved å bruke en kommersiell 65-nm CMOS-prosess med tre brønner for produksjon av den spesialtilpassede ASIC-brikken (applikasjonsspesifikk integrert krets).

Denne 65 nm-prosessen er kjent for å være iboende strålingsherdet.

Et annet designvalg var å minimere komponentene som ikke er direkte tilstede på brikken, noe som reduserer risikoen for feil ved å integrere brikkens interne klokker, minner osv.

kilde: IEEE Utforsk

Kalibreringsberegninger gjøres imidlertid utenfor brikken for å forhindre strålingsinduserte feil i beregningen som ville gitt feilaktige data.

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

Metall-isolator-metall (MiM) kondensatorer er naturlig 30–80 ganger tynnere enn mer konvensjonelle metall-oksid-metall (MoM), samtidig som de er halvparten så store, noe som reduserer overflaten som potensielt kan bli truffet av stråling og høyenergipartikler.

kilde: IEEE Utforsk

Endelig chipdesign og testing

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

Totalt vil 45,617 XNUMX av disse brikkene bli brukt i ATLAS-detektoren.

kilde: IEEE Utforsk

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

Alle resultatene indikerte at brikkene ville fungere bra i miljøet til ATLAS-detektoren.

Uansett hvor hardt det er, vil disse strålingsnivåene forårsake feil og problemer i alle elektroniske systemer. Så forskerne bygde digitale systemer som automatisk oppdager og korrigerer feil i sanntid.

Dobbelt- og trippelbitfeil, som er mer problematiske, oppdages ved regelmessig å lese tilbake alle minneregistre og sammenligne dem med den opprinnelige programmeringen. Enhver måling som tas når slike dobbelt- og trippelfeil oppstår, forkastes også.

Konklusjon

Dette forskningsprosjektet vil muliggjøre avansert analyse av høyenergipartikler generert av LHC.

Det vil også være en viktig del av en større oppgradering av akseleratoren med «LHC med høy lysstyrke» (HL–LHC), en oppgradering som har som mål å øke LHCs lysstyrke 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 Fremtidens sirkulære kollider (FFC), med de første eksperimentene som starter midt på 2040-tallet, vil også kreve lignende eller enda mer avansert strålingssikker elektronikk.

Til slutt kan denne typen prosjekt, finansiert gjennom akademiske budsjetter i grunnleggende fysikk, være en inspirasjon for en kommersiell versjon av strålingssikker elektronikk.

Ettersom menneskeheten ønsker å utforske verdensrommet, inkludert potensielt permanente måne- og Marsbaser, eller asteroideutvinning, vil mer holdbar og strålingssikker elektronikk være svært nyttig.

Investering 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 sensorene sine. CEVA-løsninger og IP (200 patenter) er integrert i 18 milliarder enheter.

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

kilde: CEVA

Hovedapplikasjonen for samarbeidet mellom CEVA og CERN er "Edge AI", eller kunstig intelligens-applikasjoner distribuert på enheter borte fra datasentrene (skyen) og nærmere forbrukerne (kanten).

Det er kanskje ikke overraskende å se partikkelfysikkalgoritmer bli gjenbrukt i AI-applikasjoner, ettersom nevrale nettverk for eksempel ble brukt til å finne Higgs-bosonpartikkelen. Analysering av partikkelakseleratordata må gjøres på stedet i stedet for i skyen, på grunn av det store datavolumet som produseres veldig raskt.

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

«Takket være samarbeidet vårt med CERN kunne vi utvikle en innovativ tilnærming som gjør at nettverkene kan kjøre opptil 15 ganger raskere sammenlignet med 16-bits basismodeller.»

Det forbedrer nettverkshastigheten og reduserer energiforbruket med opptil 90 %, samtidig som det opprettholder sammenlignbar nøyaktighet.»

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher ved Ceva

Dette er bare ett av CEVAs teknologiske fremskritt, med selskapet aktivt innen trådløs tilkobling, sensorer (visjon, 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 hjemmebaserte løsninger. De 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 velkjent blant ingeniører og blir ofte oversett av investorer som er interessert i IoT- og 5G-sektorene.

Det kan bli et interessant selskap helt i forkant av den teknologiske utviklingen innen databehandling og edge AI, noe som illustreres av CERNs valg av det til å hjelpe med noen av de mest komplekse dataanalysene menneskeheten noensinne har utført.

Siste CEVA (CEVA) aksjenyheter og utvikling

Studie referert til:

^{1Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. En strålingsbestandig 8-kanals 15-bits 40-MSPS ADC for ATLAS flytende argon-kalorimeteravlesning. IEEE Explore. 28 mai 2025. sp 180 - 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}

{
"@context": "https://schema.org",
"@type": "FAQPage",
"mainEntity": [
{
"@type": "Spørsmål",
«navn»: «Hvorfor er strålingssikker elektronikk viktig for partikkelakseleratorer?»
"acceptedAnswer": {
"@type": "Svar",
«tekst»: «Strålesikker elektronikk er avgjørende for partikkelakseleratorer som CERNs LHC fordi høye strålingsnivåer kan skade standardbrikker og forvrenge data. Spesialiserte brikker sikrer pålitelig ytelse og nøyaktige målinger i disse ekstreme miljøene.»
}
},
{
"@type": "Spørsmål",
«navn»: «Hva gjør den CERN-utviklede ADC-brikken unik?»
"acceptedAnswer": {
"@type": "Svar",
«tekst»: «ADC-brikken som er utviklet for CERN er bygget med en 65 nm CMOS-prosess kjent for strålingshardhet. Den integrerer feilretting, MiM-kondensatorer og tilpasset arkitektur for å overleve i miljøer med høy stråling i over et tiår.»
}
},
{
"@type": "Spørsmål",
«navn»: «Hvilken rolle spiller CEVA i CERN-eksperimenter?»
"acceptedAnswer": {
"@type": "Svar",
«tekst»: «CEVA samarbeider med CERN for å optimalisere kant-AI og komprimeringsalgoritmer for behandling av partikkeldata. Deres bidrag forbedrer energieffektivitet og beregningshastigheter i sanntidsdataanalyse.»
}
}
]
}