Chips à prova de radiação alimentam aceleradores do CERN

Construindo Eletrônicos para Ambientes de Alta Radiação

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.

No entanto, em alguns ambientes, a eletrônica padrão tem dificuldade em acompanhar. Um desses ambientes são os aceleradores de partículas.

Por um lado, os aceleradores de partículas geram tantos terabytes de dados por segundo que são necessários componentes eletrônicos ultraeficientes para acompanhar. Por outro lado, a quantidade de radiação que eles produzem tende a bagunçar os sistemas eletrônicos.

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.

“Testamos componentes padrão e comerciais, e eles simplesmente falharam. A radiação era muito intensa. Percebemos que, se quiséssemos algo que funcionasse, teríamos que projetá-lo nós mesmos.”

Rui (Ray) Xu, 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 (150 pés) de comprimento e 25 metros (82 pés) de diâmetro.

Os detectores contêm mais de 100 milhões de canais eletrônicos sensíveis para registrar as partículas produzidas pelas colisões. Eles incluem muitos subdetectores, cada um desempenhando um papel separado, para detectar simultaneamente fótons, elétrons, múons, píons, etc.

Fonte: ATLAS

Um segundo chip, o ADC de aquisição de dados, passou recentemente seus testes finais e está agora em produção total. Ele é descrito integralmente em um artigo recentemente publicado¹ na revista IEEE Explore, sob o título “Um ADC resistente à radiação de 8 canais, 15 bits, 40 MSPS para a leitura do calorímetro de argônio líquido do ATLAS”.

Como a Radiação Afeta a Eletrônica

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.

Entre os muitos efeitos que a radiação pode causar, os mais problemáticos podem ser listados rapidamente:

• Variação de tensão em transistores, levando a dados errôneos ou à destruição completa dos transistores.
• Inversão de bits individuais (0 & 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 redundância e correção de erros. Se um componente estiver em múltiplas cópias, ou um programa for executado várias vezes, um erro em apenas um deles pode ser detectado e subsequentemente ignorado.

A última opção é construir sistemas eletrônicos que sejam naturalmente resistentes à radiação, que é a única alternativa para sistemas eletrônicos que precisam estar expostos diretamente à radiação, como os detectores de um acelerador de partículas.

Construindo Eletrônicos à Prova de Radiação

Viabilidade Comercial

O problema que os engenheiros e cientistas do CERN enfrentaram é que componentes prontos de prateleira simplesmente não conseguem sobreviver às condições severas dentro do acelerador.

Ao mesmo tempo, o mercado para circuitos resistentes à radiação é pequeno demais para atrair investimentos de fabricantes comerciais de chips.

“Desenvolver instrumentação de ponta é crucial para o nosso sucesso. A indústria simplesmente não pôde justificar o esforço, então a academia precisou intervir.”

John Parsons – Professor de física e líder da equipe da Universidade Columbia que trabalha no detector ATLAS.

Neste caso específico, os pesquisadores precisaram desenvolver conversores analógico‑digital (ADCs). A tarefa desses dispositivos é capturar os sinais elétricos produzidos pelas 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 arquiteturas e layouts de 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 considerar que as placas eletrônicas em questão são inacessíveis durante a operação e podem ser acessadas para manutenção no máximo uma vez por ano.

Os níveis de radiação que os componentes experimentarão ao longo de uma vida útil de 12 anos são tipicamente encontrados por satélites em órbita geoestacionária.

Erros temporários podem ser tolerados, mas danos permanentes não podem ser aceitos, pois atrapalhariam o trabalho de todos os projetos de pesquisa que dependem do ATLAS.

Reutilizando Técnicas de Fabricação de Semicondutores Comprovadas

Reinventar a forma de produzir semicondutores não seria um caminho viável para criar um dispositivo útil dentro de um orçamento e prazo razoáveis.

Portanto, os pesquisadores usaram processos semicondutores comerciais validados pelo CERN para resistência à radiação e aplicaram técnicas inovadoras ao nível de circuito.

Uma decisão chave nesse sentido foi confiar em métodos de litografia mais antigos, testados e comprovados, usando um processo CMOS comercial de 65 nm triple-well para a produção do chip ASIC personalizado (Circuito Integrado de Aplicação Específica).

Este processo de 65 nm é conhecido por ser inerentemente resistente à radiação.

Outra escolha de design foi minimizar os componentes que não estão diretamente presentes no chip, reduzindo o risco de erros ao integrar os relógios internos, memórias, etc., do chip.

Fonte: IEEE Explore

No entanto, os cálculos de calibração são feitos fora do chip para evitar erros induzidos por radiação nos cálculos que gerariam dados errôneos.

Eles também analisaram capacitores, que podem ser sobrecarregados pelo efeito ionizante da radiação.

Capacitores metal‑isolante‑metal (MiM) são naturalmente de 30 a 80 vezes mais finos que os mais convencionais metal‑óxido‑metal (MoM), além de serem metade do tamanho, reduzindo a superfície potencialmente atingida por radiação e partículas de alta energia.

Fonte: IEEE Explore

Design Final do Chip & Teste

O chip final é um design eletrônico especificamente projetado para ser otimizado contra radiação, em vez de alta velocidade, facilidade de fabricação ou desempenho aprimorado como os produtos comerciais.

Ao todo, 45.617 desses chips serão usados no detector ATLAS.

Fonte: IEEE Explore

Dezoito dispositivos foram caracterizados quanto ao desempenho analógico; foi realizada 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, não importa o quão resistentes, esses níveis de radiação causarão alguns erros e problemas em quaisquer sistemas eletrônicos. Portanto, os pesquisadores construíram sistemas digitais que detectam e corrigem automaticamente os erros em tempo real.

Erros de dois e três bits, que são mais problemáticos, são detectados ao ler periodicamente todos os registradores de memória e compará‑los com a programação inicial. Qualquer medição feita quando tais erros duplos ou 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 “High Luminosity LHC” (HL–LHC, uma atualização destinada a aumentar a luminosidade do LHC em 10 vezes.

Por exemplo, o High-Luminosity LHC produzirá pelo menos 15 milhões de bósons de Higgs por ano, comparado a cerca de três milhões produzidos pelo LHC em 2017.

Fonte: CERN

É provável que projetos futuros do CERN, como o Future Circular Collider (FFC), com os primeiros experimentos iniciando em meados da década de 2040, também exijam eletrônicos à prova de radiação semelhantes ou ainda mais avançados.

Por fim, esse tipo de projeto, financiado por orçamentos acadêmicos em física fundamental, pode ser uma 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 é uma empresa de sensores e parceira do CERN para usar o algoritmo da instituição a fim de melhorar a eficiência e o consumo de energia de seus sensores. As soluções e IP da CEVA (200 patentes) são integradas em 18 bilhões de dispositivos.

As soluções da empresa são usadas por muitas das principais marcas eletrônicas em todo o mundo.

Fonte: CEVA

A principal aplicação da colaboração entre a CEVA e o CERN é “Edge AI”, ou aplicações de inteligência artificial implantadas em dispositivos afastados dos data centers (a nuvem) e mais próximos dos consumidores (a borda).

Não é surpreendente ver algoritmos de física de partículas sendo reutilizados em aplicações de IA, já que redes neurais foram, por exemplo, usadas na descoberta da partícula bóson de Higgs. Analisar dados de aceleradores de partículas precisa ser feito no local, em vez de na nuvem, devido ao enorme volume de dados produzidos rapidamente.

A 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 com modelos de referência de 16 bits.

Isso aumenta a velocidade da rede e reduz o consumo de energia em até 90% enquanto mantém precisão comparável.

Olya Sirkin – Pesquisadora Sênior de Deep Learning na Ceva

Este é apenas um dos avanços tecnológicos da CEVA, com a empresa atuando em conectividade sem fio, sensores (visão, áudio, movimento) e algoritmos de redes neurais.

Fonte: CEVA

A CEVA se beneficia enormemente da tendência combinada de conectividade 5G (incluindo 5G via satélite) e IoT (Internet das Coisas) com soluções de IA incorporada, tanto para soluções industriais quanto residenciais. Também é líder em soluções WiFi 6 e possui posição de destaque no WiFi 7.

Fonte: Ruije

Como empresa de software e IP, a CEVA é bem conhecida entre engenheiros e muitas vezes é negligenciada por investidores interessados nos setores de IoT e 5G.

Pode ser uma empresa interessante na vanguarda do progresso tecnológico em processamento de dados e Edge AI, como ilustrado pela escolha do CERN de utilizá‑la para ajudar em algumas das análises de dados mais complexas já realizadas pela humanidade.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da CEVA (CEVA)

Estudo Referenciado:

^{1. Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. Um ADC resistente à radiação de 8 canais, 15 bits, 40 MSPS para a leitura do calorímetro de argônio líquido do ATLAS. IEEE Explore. 28 maio de 2025. pp 180 – 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}