Expositores e Eletrónica
Chips endurecidos por radiação alimentam aceleradores do CERN
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Construindo Eletrônicos para Ambientes de Alta Radiação
A eletrônica está no cerne de quase todas as tecnologias inventadas nas últimas décadas. À medida que o mundo digitaliza cada vez mais processos e dados, isso se torna mais verdadeiro a cada dia.
No entanto, em alguns ambientes, a eletrônica padrão tem dificuldade para acompanhar. Um deles são os aceleradores de partículas.
Por um lado, os aceleradores de partículas geram tantos terabytes de dados por segundo que componentes eletrônicos ultraeficientes são necessários para acompanhar a velocidade. Por outro lado, a quantidade de radiação que eles geram tende a embaralhar os sistemas eletrônicos.
Cientistas do CERN, na Suíça, enfrentaram esse dilema. No acelerador de partículas LHC do CERN, o maior do mundo, foram emitidas radiações, dificultando as medições.
Testamos componentes comerciais padrão, e eles simplesmente quebraram. A radiação era muito intensa. Percebemos que, se quiséssemos algo que funcionasse, teríamos que projetá-lo nós mesmos.
Rui (Ray) Xu, um estudante de doutorado em engenharia da Columbia
O primeiro chip desse tipo foi desenvolvido em 2017 e testado em 2022 para os experimentos ATLAS. O ATLAS é o maior detector de partículas já construído, com 46 metros de comprimento e 150 metros de diâmetro.
Os detectores contêm mais de 100 milhões de canais eletrônicos sensíveis para registrar as partículas produzidas pelas colisões. Contém muitos subdetectores, cada um desempenhando uma função distinta, para detectar simultaneamente fótons, elétrons, múons, píons, etc.
Fonte: ATLAS
Um segundo chip, o ADC de aquisição de dados, passou recentemente pelos testes finais e agora está em plena produção. Ele é descrito em detalhes em um artigo publicado recentemente.1 na revista IEEE Explore, sob o título “Um conversor A/D de 8 canais, 15 bits e 40 MSPS resistente à radiação para leitura do calorímetro de argônio líquido ATLAS".
Como a radiação afeta a eletrônica
Desde o surgimento da eletrônica, sabe-se que a radiação tende a danificar componentes eletrônicos e/ou fazer com que eles forneçam dados errados.
Entre os muitos efeitos que a radiação pode ter, os mais problemáticos podem ser rapidamente listados:
- Variação na voltagem dos transistores, levando a dados errôneos ou à destruição total dos transistores.
- Invertendo bits individuais (0 e 1) em componentes de memória.
- Queima elétrica ou térmica de circuitos integrados.
- Danos a detectores ópticos e emissores de luz podem destruí-los imediatamente ou reduzir sua vida útil.
Este é um problema sério em ambientes de alta radiação, como o espaço, aceleradores médicos (radioterapia, radiografia) ou instalações nucleares.
Uma opção para resolver o problema é simplesmente usar blindagem suficiente, colocando a parte eletrônica atrás de uma camada protetora, geralmente água ou um elemento pesado como chumbo, dependendo do tipo de radiação.
Outra opção é a redundância e a correção de erros. Se um componente estiver em várias cópias ou um programa for executado várias vezes, um erro em apenas uma delas poderá ser detectado e posteriormente ignorado.
A última opção é construir sistemas eletrônicos que sejam naturalmente resistentes à radiação, o que é a única opção para sistemas eletrônicos que precisam ser expostos diretamente à radiação, como os detectores de um acelerador de partículas.
| Efeito de radiação | Descrição | Impacto |
|---|---|---|
| Mudanças no limite de tensão | A radiação altera o comportamento do transistor | Causa erros lógicos ou falha de componentes |
| Surpresas de Evento Único (SEUs) | Inversões de bits em circuitos de memória ou lógicos | Pode corromper dados ou travar sistemas |
| Travamento | Curto-circuito induzido por partículas carregadas | Pode danificar permanentemente os chips |
| Dose Ionizante Total (TID) | Degradação gradual devido à exposição à radiação | Reduz a vida útil dos dispositivos |
Construindo Eletrônicos à Prova de Radiação
Viabilidade comercial
O problema que os engenheiros e cientistas do CERN enfrentaram é que os componentes prontos para uso simplesmente não conseguem sobreviver às condições adversas dentro do acelerador.
Ao mesmo tempo, o mercado de circuitos resistentes à radiação é pequeno demais para atrair investimentos de fabricantes de chips comerciais.
Desenvolver instrumentação de ponta é crucial para o nosso sucesso. A indústria simplesmente não conseguia justificar o esforço, então a academia teve que intervir.
Neste caso específico, os pesquisadores precisaram desenvolver conversores analógico-digitais (ADCs). A função desses dispositivos é capturar sinais elétricos produzidos por colisões de partículas dentro dos detectores do CERN e traduzi-los em dados digitais que os pesquisadores podem analisar.
Isso é feito por meio de um dispositivo chamado calorímetro de argônio líquido, que converte colisões de partículas em um sinal eletrônico.
Os chips ADC da Columbia convertem esses delicados sinais analógicos em medições digitais precisas, capturando detalhes que nenhum componente existente poderia registrar de forma confiável.
Condições Exigentes
Os pesquisadores escolheram e dimensionaram cuidadosamente os componentes e organizaram as arquiteturas e layouts dos circuitos para minimizar os danos causados pela radiação, já que a blindagem contra radiação não é realista no detector de partículas.
Além disso, eles tiveram que levar em conta que as placas eletrônicas em questão ficam inacessíveis durante a operação e podem ser acessadas para manutenção no máximo uma vez por ano.
Os níveis de radiação que os componentes sofrerão durante uma vida útil operacional de 12 anos são normalmente encontrados por satélites em órbita geoestacionária.
Erros temporários podem ser tolerados, mas danos permanentes não podem ser aceitos, pois isso prejudicaria o trabalho de todos os projetos de pesquisa que exigem o ATLAS.
Reutilizando técnicas comprovadas de fabricação de semicondutores
Reinventar como produzir semicondutores não seria um caminho viável para criar um dispositivo útil dentro de um orçamento e prazo razoáveis.
Então, os pesquisadores usaram processos comerciais de semicondutores validados pelo CERN para resistência à radiação e aplicaram técnicas inovadoras em nível de circuito.
Uma decisão fundamental nesse sentido foi confiar em métodos de litografia mais antigos e testados, usando um processo CMOS comercial de 65 nm de poço triplo para a produção do chip ASIC personalizado (Circuito Integrado de Aplicação Específica).
Sabe-se que esse processo de 65 nm é inerentemente resistente à radiação.
Outra escolha de design foi minimizar os componentes não diretamente presentes no chip, reduzindo o risco de erros ao integrar os relógios internos do chip, memórias, etc.
Fonte: Explorar IEEE
No entanto, os cálculos de calibração são feitos fora do chip para evitar erros induzidos por radiação no cálculo, o que geraria dados errôneos.
Eles também analisaram capacitores, que podem ser sobrecarregados pelo efeito ionizante da radiação.
Os capacitores metal-isolante-metal (MiM) são naturalmente 30x-80x mais finos do que os capacitores metal-óxido-metal (MoM) mais convencionais, além de terem metade do tamanho, reduzindo a superfície potencialmente atingida por radiação e partículas de alta energia.
Fonte: Explorar IEEE
Projeto e teste final do chip
O chip final é um projeto eletrônico criado especificamente para ser otimizado contra radiação, em vez de alta velocidade, facilidade de fabricação ou desempenho aprimorado como produtos comerciais.
No total, 45,617 desses chips serão usados no detector ATLAS.
Fonte: Explorar IEEE
Dezoito dispositivos foram caracterizados quanto ao desempenho analógico; foi realizada uma validação adicional da precisão analógica de longo prazo e uma extensa campanha de testes de radiação.
Todos os resultados indicaram que os chips teriam bom desempenho no ambiente do detector ATLAS.
Ainda assim, por mais endurecidos que sejam, esses níveis de radiação causarão alguns erros e problemas em qualquer sistema eletrônico. Por isso, os pesquisadores construíram sistemas digitais que detectam e corrigem erros automaticamente em tempo real.
Erros de bit duplo e triplo, que são mais problemáticos, são detectados pela leitura periódica de todos os registradores de memória e sua comparação com a programação inicial. Qualquer medição realizada quando esses erros duplos e triplos ocorrem também é descartada.
Conclusão
Este projeto de pesquisa permitirá a análise avançada de partículas de alta energia geradas pelo LHC.
Também será um componente vital de uma grande atualização do acelerador com o “LHC de alta luminosidade” (HL–LHC), uma atualização destinada a aumentar a luminosidade do LHC em 10x.
Por exemplo, o LHC de alta luminosidade produzirá pelo menos 15 milhões de bósons de Higgs por ano, em comparação com cerca de três milhões do LHC em 2017.
Fonte: CERN
É provável que projetos posteriores do CERN, como o Colisor Circular Futuro (FFC), com os primeiros experimentos começando em meados da década de 2040, também exigirá eletrônicos à prova de radiação semelhantes ou até mais avançados.
Por fim, esse tipo de projeto, financiado por orçamentos acadêmicos em física fundamental, pode servir de inspiração para uma versão comercial de eletrônicos à prova de radiação.
À medida que a humanidade busca explorar o espaço profundo, incluindo bases lunares e marcianas potencialmente permanentes, ou mineração de asteroides, eletrônicos mais duráveis e à prova de radiação serão muito úteis.
Investindo em sensores avançados
CEVA
(CEVA )
A CEVA é uma empresa de sensores parceira do CERN que utiliza o algoritmo da instituição para melhorar a eficiência e o consumo de energia de seus sensores. As soluções e a propriedade intelectual da CEVA (200 patentes) estão integradas em 18 bilhões de dispositivos.
As soluções da empresa são usadas por muitas das principais marcas de eletrônicos do mundo.
Fonte: CEVA
A principal aplicação da colaboração entre CEVA e CERN é a “Edge AI”, ou aplicações de inteligência artificial implantadas em dispositivos distantes dos data centers (a nuvem) e mais próximos dos consumidores (a borda).
Pode não ser surpreendente ver algoritmos de física de partículas sendo reutilizados em aplicações de IA, como redes neurais foram, por exemplo, usadas para encontrar a partícula bóson de Higgs. A análise de dados do acelerador de partículas precisa ser feita no local em vez de na nuvem, devido ao grande volume de dados produzidos muito rapidamente.
O CEVA ajudou o CERN a criar novos algoritmos de compressão que podem ser usados em experimentos futuros e será capaz de integrar essa nova tecnologia em seus produtos.
“Graças à nossa colaboração com o CERN, conseguimos desenvolver uma abordagem inovadora que permite que as redes funcionem até 15 vezes mais rápido em comparação aos modelos básicos de 16 bits.
Ele está melhorando a velocidade da rede e reduzindo o consumo de energia em até 90%, mantendo uma precisão comparável.”
Este é apenas um dos avanços tecnológicos da CEVA, com a empresa atuando em conectividade sem fio, sensores (visão, áudio, movimento) e algoritmos de rede neural.
Fonte: CEVA
A CEVA se beneficia significativamente da tendência combinada de conectividade 5G (incluindo 5G via satélite) e IoT (Internet das Coisas) com soluções de IA incorporadas, tanto para soluções industriais quanto residenciais. Também é líder em soluções WiFi 6 e ocupa posição de destaque em WiFi 7.
Fonte: Ruije
Como uma empresa de software e propriedade intelectual, a CEVA é bem conhecida entre engenheiros e muitas vezes passa despercebida por investidores interessados nos setores de IoT e 5G.
Pode ser uma empresa interessante na vanguarda do progresso tecnológico em processamento de dados e IA de ponta, como ilustrado pela seleção dela pelo CERN para ajudar com algumas das análises de dados mais complexas já realizadas pela humanidade.
Últimas notícias e desenvolvimentos sobre ações da CEVA (CEVA)
Estudo referenciado:
1Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. Um conversor analógico-digital de 8 canais, 15 bits e 40 MSPS, resistente à radiação, para a leitura do calorímetro de argônio líquido ATLAS. IEEE Explore. 28 de maio de 2025. pp 180 - 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904
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