Strålningshärdade chip driver CERN-acceleratorer

Bygga elektronik för högstrålningsmiljöer

Elektronik är kärnan i nästan all teknik som uppfunnits under de senaste decennierna. Allt eftersom världen digitaliserar fler processer och data blir detta sannare för varje dag.

Men i vissa miljöer har standardelektronik svårt att hänga med. En av dessa är partikelacceleratorer.

Å ena sidan genererar partikelacceleratorer så många terabyte data per sekund att ultraeffektiva elektroniska komponenter behövs för att hålla takten. Å andra sidan tenderar den mängd strålning de producerar att störa elektroniska system.

Forskare vid CERN i Schweiz stod inför detta dilemma. Vid LHC‑partikelacceleratorn på CERN, världens största, emitterades strålning, vilket gjorde mätning svår.

“Vi testade standard, kommersiella komponenter, och de dog helt enkelt. Strålningen var för intensiv. Vi insåg att om vi ville ha något som fungerade, var vi tvungna att designa det själva.”

Rui (Ray) Xu, en doktorand i Columbia Engineering

Det första chipet av detta slag utvecklades 2017 och testades 2022 för ATLAS‑experimenten. ATLAS är den största partikeldetektorn som någonsin byggts, med en längd på 46 meter (150 fot) och en diameter på 25 meter (82 fot).

Detektorerna innehåller över 100 miljoner känsliga elektroniska kanaler för att registrera partiklarna som produceras av kollisionerna. Den innehåller många underdetektorer, var och en med en separat roll, för att samtidigt detektera fotoner, elektroner, muoner, pioner osv.

Källa: ATLAS

Ett andra chip, dataförvärvs‑ADC:n, har nyligen klarat sina slutgiltiga tester och är nu i full produktion. Det beskrivs utförligt i ett nyligen publicerat papper¹ i tidskriften IEEE Explore, med titeln “A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout”.

Hur strålning påverkar elektronik

Sedan elektronikens begynnelse har man vetat att strålning tenderar att skada elektroniska komponenter och/eller få dem att leverera fel data.

Bland de många effekter som strålning kan ha, kan de mest problematiska snabbt listas:

• Spänningsvariation i transistorer, vilket kan leda till felaktiga data eller direkt förstörelse av transistorerna.
• Växling av enskilda bitar (0 &1) i minneskomponenter.
• Elektrisk eller termisk utsläckning av integrerade kretsar.
• Skador på optiska detektorer och ljusemitterare kan antingen förstöra dem omedelbart eller minska deras livslängd.

Detta är ett allvarligt problem i högstrålningsmiljöer, såsom rymden, medicinska acceleratorer (strålterapi, radiografi) eller kärnanlägg.

Ett alternativ för att lösa problemet är helt enkelt att använda tillräcklig skärmning, genom att placera elektronikdelen bakom ett skyddande lager, vanligtvis vatten eller ett tungt element som bly, beroende på strålningstypen.

Ett annat alternativ är redundans och felkorrigering. Om en komponent finns i flera kopior, eller ett program körs flera gånger, kan ett fel i bara en av dem upptäckas och därefter ignoreras.

Det sista alternativet är att bygga elektroniska system som naturligt är motståndskraftiga mot strålning, vilket är det enda alternativet för elektroniska system som måste exponeras direkt för strålning, såsom detektorerna i en partikelaccelerator.

Bygga strålningssäker elektronik

Kommersiell bärkraft

Problemet som CERN:s ingenjörer och forskare ställdes inför är att standardkomponenter helt enkelt inte kan överleva de hårda förhållandena inne i acceleratorn.

Samtidigt är marknaden för strålningsresistenta kretsar för liten för att locka investeringar från kommersiella chipstillverkare.

“Att utveckla instrumentering i framkant är avgörande för vår framgång. Industrin kunde helt enkelt inte motivera insatsen, så akademin fick gå in.”

John Parsons – professor i fysik och ledare för Columbia University‑teamet som arbetar med ATLAS‑detektorn

I detta specifika fall behövde forskarna utveckla analog‑till‑digital‑omvandlare (ADC). Dessa enheters uppgift är att fånga de elektriska signalerna som produceras av partikelkollisioner i CERN:s detektorer och omvandla dem till digital data som forskarna kan analysera.

Detta görs via en enhet som kallas en flytande argon‑kalorimeter, som omvandlar partikelkollisioner till en elektronisk signal.

Columbias ADC‑chip konverterar dessa känsliga analoga signaler till precisa digitala mätningar, och fångar detaljer som ingen befintlig komponent på ett tillförlitligt sätt kunde registrera.

Krävande förhållanden

Forskarnas valde och dimensionerade komponenter noggrant samt arrangerade kretsarkitekturer och layouter för att minimera strålningsskador, eftersom strålskydd inte är realistiskt i partikeldetektorn.

Inte bara det, utan de var tvungna att ta hänsyn till att de elektroniska korten i fråga är oåtkomliga under drift och bara kan nås för underhåll högst en gång per år.

Strålningsnivåerna som komponenterna kommer att utsättas för under en 12‑årig driftstid är vanligtvis de som satelliter i geostationär bana möter.

Tillfälliga fel kan tolereras, men permanent skada kan inte accepteras, eftersom det skulle hindra arbetet för alla forskningsprojekt som kräver ATLAS.

Återanvända beprövade tillverkningstekniker för halvledare

Att uppfinna hur man producerar halvledare på nytt var inte en hållbar väg för att skapa en användbar enhet inom en rimlig budget och tidsram.

Så forskarna använde kommersiella halvledarprocesser som validerats av CERN för strålningsresistens och tillämpade innovativa kretsnivåtekniker.

Ett viktigt beslut i detta avseende var att förlita sig på äldre, beprövade litografimetoder, med en kommersiell, triple‑well 65‑nm CMOS‑process för produktion av det anpassade ASIC‑chipet (Application‑Specific Integrated Circuit).

Denna 65‑nm‑process är känd för att vara inneboende strålningshärdad.

Ett annat designval var att minimera komponenterna som inte finns direkt på chipet, vilket minskar risken för fel genom att integrera chipets interna klockor, minnen osv.

Källa: IEEE Explore

Dock utförs kalibreringsberäkningar externt från chipet för att förhindra strålningsinducerade fel i beräkningarna som skulle ge felaktiga data.

De undersökte också kondensatorer, som kan överladdas av den joniserande effekten av strålning.

Metal‑insulator‑metal (MiM)-kondensatorer är naturligt 30‑80 gånger tunnare än en mer konventionell metal‑oxide‑metal (MoM), samtidigt som de är hälften så stora, vilket minskar ytan som potentiellt kan träffas av strålning och högenergiapartiklar.

Källa: IEEE Explore

Slutlig chipdesign och testning

Det slutliga chipet är en elektronisk design som specifikt är utformad för att vara optimal mot strålning, snarare än hög hastighet, enkel tillverkning eller förbättrad prestanda som kommersiella produkter.

Totalt kommer 45 617 av dessa chip att användas i ATLAS‑detektorn.

Källa: IEEE Explore

Arton enheter karakteriserades för analog prestanda; ytterligare validering av långsiktig analog noggrannhet och en omfattande strålningstestkampanj genomfördes.

Alla resultat indikerade att chipen skulle fungera bra i ATLAS‑detektorns miljö.

Ändå, oavsett hur härdade, kommer dessa nivåer av strålning att orsaka vissa fel och problem i alla elektroniska system. Så forskarna byggde sedan digitala system som automatiskt upptäcker och korrigerar fel i realtid.

Dubbel‑ och trippel‑bitfel, som är mer problematiska, upptäcks genom att periodiskt läsa tillbaka alla minnesregister och jämföra dem med den ursprungliga programmeringen. Alla mätningar som tas när sådana dubbel‑ och trippel‑fel uppstår kasseras också.

Slutsats

Detta forskningsprojekt kommer att möjliggöra avancerad analys av högenergi‑partiklar som genereras av LHC.

Det kommer också att vara en viktig komponent i en stor uppgradering av acceleratorn med “High Luminosity LHC” (HL–LHC, en uppgradering avsedd att öka LHC:s luminositet med 10‑fald.

Till exempel kommer High‑Luminosity LHC att producera minst 15 miljoner Higgs‑bosoner per år, jämfört med omkring tre miljoner från LHC år 2017.

Källa: CERN

Det är sannolikt att senare CERN‑projekt, som Future Circular Collider (FFC), med de första experimenten som startar i mitten av 2040‑talen, också kommer att kräva liknande eller ännu mer avancerad strålningssäker elektronik.

Slutligen kan detta slags projekt, finansierat genom akademiska budgetar inom grundfysik, vara en inspiration för en kommersiell version av strålningssäker elektronik.

När mänskligheten ser mot att utforska djup rymd, inklusive potentiellt permanenta baser på månen och Mars, eller asteroidbrytning, kommer mer hållbar och strålningssäker elektronik att vara mycket användbar.

Investera i avancerade sensorer

CEVA

CEVA är ett sensorföretag och en partner till CERN för att använda institutionens algoritm för att förbättra effektiviteten och energiförbrukningen hos sina sensorer. CEVA‑lösningar och IP (200 patent) är integrerade i 18 miljarder enheter.

Företagets lösningar används av många av de ledande elektronikvarumärkena världen över.

Källa: CEVA

Den huvudsakliga tillämpningen av samarbetet mellan CEVA och CERN är “Edge AI”, eller artificiella intelligens‑applikationer som distribueras på enheter bort från datacentra (molnet) och närmare konsumenterna (kanten).

Det är kanske inte förvånande att se partikelfysikalgoritmer återanvändas i AI‑applikationer, eftersom neurala nätverk exempelvis användes för att hitta Higgs‑bosonpartikeln. Analys av data från partikelacceleratorer måste göras på plats istället för i molnet, på grund av den enorma mängden data som produceras mycket snabbt.

CEVA hjälpte CERN att skapa nya komprimeringsalgoritmer som kan användas i framtida experiment och som kan integreras i deras produkter.

“Tack vare vårt samarbete med CERN kunde vi utveckla ett innovativt tillvägagångssätt som gör att nätverken kan köras upp till 15‑ gånger snabbare jämfört med 16‑bit basmodeller.

Det förbättrar nätverkshastigheten och minskar energiförbrukningen med upp till 90 % samtidigt som den bibehåller jämförbar noggrannhet.”

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher på Ceva

Detta är bara ett av CEVA:s teknologiska framsteg, där företaget är aktivt inom trådlös anslutning, sensorer (vision, audio, rörelse) och neurala nätverksalgoritmer.

Källa: CEVA

CEVA drar stor nytta av den kombinerade trenden av 5G‑anslutning (inklusive satellit‑5G) och IoT (Internet of Things) med inbäddade AI‑lösningar, både för industriella och hemmalösningar. Företaget är också en ledare inom WiFi 6‑lösningar och har en ledande position inom WiFi 7.

Källa: Ruije

Som ett mjukvaru‑ och IP‑företag är CEVA välkänt bland ingenjörer och förbises ofta av investerare som är intresserade av IoT‑ och 5G‑sektorerna.

Det kan vara ett intressant företag i framkanten av teknologisk utveckling inom databehandling och edge‑AI, vilket illustreras av CERN:s val av dem för att hjälpa till med några av de mest komplexa dataanalyserna som någonsin utförts av mänskligheten.

Senaste CEVA (CEVA) aktienyheter och utvecklingar

Studie refererad:

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