Mga Chip na Matibay sa Radiation Nagpapalakas sa mga Akselerador ng CERN

Pagbuo ng Elektronika para sa mga Kapaligirang Mataas ang Radiation

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.

Gayunpaman, sa ilang kapaligiran, nahihirapan ang karaniwang elektronika na makasabay. Isa sa mga ito ay ang mga particle accelerator.

Sa isang banda, ang mga particle accelerator ay lumilikha ng napakaraming terabytes ng datos bawat segundo kaya’t kinakailangan ang napakaepektibong mga komponenteng elektroniko upang makasabay. Sa kabilang banda, ang dami ng radiation na kanilang nililikha ay nagdudulot ng kaguluhan sa mga sistemang elektroniko.

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.

“Sinubukan namin ang mga karaniwang, komersyal na komponent, at sila ay agad na nasira. Ang radiation ay masyadong matindi. Napagtanto namin na kung nais naming magkaroon ng gumaganang bagay, kailangan naming idisenyo ito mismo.”

Rui (Ray) Xu, isang mag-aaral ng PhD sa Columbia Engineering

The first chip of this kind was developed in 2017 and put to the test in 2022 for the ATLAS experiments. ATLAS is the largest particle detector ever built, at 46 meters (150 feet) long and 25 meters (82 feet) in diameter.

Ang unang chip ng ganitong uri ay binuo noong 2017 at sinubukan noong 2022 para sa mga eksperimento ng ATLAS. Ang ATLAS ay ang pinakamalaking particle detector na kailanman naitayo, na may habang 46 metro (150 talampakan) at diyametro na 25 metro (82 talampakan).

Ang mga detector ay may higit sa 100 milyong sensitibong elektronikong channel upang irekord ang mga particle na nabuo mula sa mga banggaan. Ito ay binubuo ng maraming sub-detector, bawat isa ay may hiwalay na tungkulin, upang sabay-sabay na matukoy ang mga photon, electron, muon, pion, atbp.

Pinagmulan: ATLAS

A second chip, the data acquisition ADC, has recently passed its final tests and is now in full production. It is fully described in a recently published paper¹ in the journal IEEE Explore, under the title “A Radiation-Hard 8-Channel 15-Bit 40-MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout”.

Paano Nakaaapekto ang Radiation sa Elektronika

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.

Mula pa noong pagsisimula ng elektronika, alam na na ang radiation ay nagdudulot ng pinsala sa mga komponenteng elektronik at/o nagiging sanhi ng maling datos.

Sa pagitan ng maraming epekto na maaaring idulot ng radiation, ang pinaka-problemado ay maaaring ilista agad:

• Pagbabago sa boltahe ng mga transistor, na nagdudulot ng maling datos o ganap na pagkasira ng mga transistor.
• Pagbabago ng indibidwal na mga bit (0 at 1) sa mga memory component.
• Elektrikal o thermal na pagkasunog ng mga integrated circuit.
• Pinsala sa mga optical detector at light emitter na maaaring magdulot ng agarang pagkasira o magpababa ng kanilang buhay.

Ito ay isang seryosong problema sa mga kapaligirang mataas ang radiation, tulad ng kalawakan, medikal na accelerator (radiation therapy, radiography), o mga pasilidad nuklear.

Isang opsyon upang lutasin ang isyu ay simpleng gumamit ng sapat na proteksyon, ilalagay ang bahagi ng elektronika sa likod ng isang proteksiyon na patong, karaniwang tubig o mabigat na elemento tulad ng tingga, depende sa uri ng radiation.

Isa pang opsyon ay redundancy at error correction. Kung ang isang komponent ay nasa maraming kopya, o ang isang programa ay tumatakbo nang ilang ulit, ang error sa isa lamang sa mga ito ay maaaring matukoy at pagkatapos ay balewalain.

Ang huling opsyon ay magtayo ng mga sistemang elektronika na likas na tumatagal sa radiation, na siyang tanging opsyon para sa mga elektronikong sistemang kailangang direktang ma-expose sa radiation, tulad ng mga detector ng particle accelerator.

Pagbuo ng Elektronika na Ligtas sa Radiation

Komerasyonal na Kakayahang Kumita

The problem the CERN engineers and scientists faced is that off-the-shelf components simply can’t survive the harsh conditions inside the accelerator.

Kasabay nito, ang merkado para sa mga radiation-resistant na circuit ay napakaliit upang makahikayat ng pamumuhunan mula sa mga komersyal na tagagawa ng chip.

“Ang pag-develop ng makabagong instrumentation ay mahalaga sa aming tagumpay. Hindi kayang bigyang-katwiran ng industriya ang pagsisikap, kaya kinailangan ng akademya na sumabak.”

John Parsons – Propesor ng pisika at pinuno ng pangkat ng Columbia University na nagtatrabaho sa detector ng ATLAS.

Sa partikular na kasong ito, kailangan ng mga mananaliksik na bumuo ng analog-to-digital converters (ADCs). Ang tungkulin ng mga aparatong ito ay kunin ang mga signal na elektrikal na nilikha ng mga banggaan ng particle sa loob ng mga detector ng CERN at isalin ito sa digital na datos na maaaring suriin ng mga mananaliksik.

Ginagawa ito sa pamamagitan ng isang aparato na tinatawag na liquid argon calorimeter, na nagko-convert ng mga banggaan ng particle sa isang elektronikong signal.

Ang mga ADC chip ng Columbia ay nagko-convert ng mga maselang analog signal sa tumpak na digital na sukat, na kumukuha ng mga detalye na walang kasalukuyang komponent na kayang maitala nang maaasahan.

Mapanghamong Kundisyon

Ang mga mananaliksik ay maingat na pumili at sukatin ang mga komponent at inayos ang mga arkitektura at layout ng circuit upang mabawasan ang pinsala ng radiation, dahil ang radiation shielding ay hindi praktikal sa particle detector.

Hindi lamang iyon, kailangan din nilang isaalang-alang na ang mga elektronikong board na tinutukoy ay hindi maaabot habang nagpapatakbo at maaaring ma-access para sa maintenance nang hindi hihigit sa isang beses kada taon.

Ang antas ng radiation na mararanasan ng mga komponent sa loob ng 12-taong buhay-operasyon ay karaniwang nararanasan ng mga satelayt sa geostationary orbit.

Maaaring tiisin ang pansamantalang mga error, ngunit hindi maaaring tanggapin ang permanenteng pinsala, dahil ito ay makakaapekto sa lahat ng proyektong pananaliksik na nangangailangan ng ATLAS.

Muling Paggamit ng Napatunayang Teknik sa Paggawa ng Semiconductor

Ang muling pag-imbento kung paano gumawa ng mga semiconductor ay hindi magiging praktikal na landas upang lumikha ng kapaki-pakinabang na aparato sa loob ng makatwirang badyet at oras.

Kaya ginamit ng mga mananaliksik ang mga komersyal na proseso ng semiconductor na pinatunayan ng CERN para sa radiation resistance at nag-apply ng mga makabagong teknik sa antas ng circuit.

Isang mahalagang desisyon sa aspetong ito ay ang pag-asa sa mas lumang, subok at nasubukang mga pamamaraan ng lithography, gamit ang isang komersyal, triple-well 65-nm CMOS process para sa paggawa ng ASIC custom chip (Application-Specific Integrated Circuit).

Ang prosesong 65 nm na ito ay kilala na likas na matibay sa radiation.

Isa pang pagpili sa disenyo ay ang pag-minimize ng mga komponent na hindi direktang nasa chip, na nagbabawas ng panganib ng mga error sa pamamagitan ng pagsasama ng internal na mga orasan, memorya, atbp. ng chip.

Pinagmulan: IEEE Explore

Gayunpaman, ang mga kalkulasyon ng kalibrasyon ay ginagawa off-chip upang maiwasan ang mga error na dulot ng radiation sa kalkulasyon na magdudulot ng maling datos.

Tiningnan din nila ang mga capacitor, na maaaring ma-overcharge dahil sa ionizing effect ng radiation.

Ang mga Metal-insulator-metal (MiM) capacitor ay natural na 30x-80x mas manipis kaysa sa mas karaniwang metal-oxide–metal (MoM), habang kalahati rin ng laki, na nagbabawas ng ibabaw na maaaring tamaan ng radiation at mga high-energy particle.

Pinagmulan: IEEE Explore

Panghuling Disenyo ng Chip at Pagsusuri

Ang panghuling chip ay isang elektronikong disenyo na partikular na ginawa upang maging optimal laban sa radiation, sa halip na mataas na bilis, kadalian ng paggawa, o pinahusay na performance tulad ng mga komersyal na produkto.

Sa kabuuan, 45,617 sa mga chip na ito ang gagamitin sa detector ng ATLAS.

Pinagmulan: IEEE Explore

Labing-walong aparato ang na-characterize para sa analog performance; karagdagang pag-validate ng pangmatagalang analog accuracy at isang masusing kampanya ng radiation testing ang isinagawa.

Lahat ng resulta ay nagpakita na ang mga chip ay magtatanghal nang maayos sa kapaligiran ng detector ng ATLAS.

Gayunpaman, kahit gaano pa man katibay, ang mga antas ng radiation na ito ay magdudulot ng ilang error at problema sa anumang sistemang elektronik. Kaya’t nagbuo ang mga mananaliksik ng mga digital system na awtomatikong natutuklasan at inaayos ang mga error sa real time.

Ang double- at triple-bit na mga error, na mas problematiko, ay natutuklasan sa pamamagitan ng periodikong pagbasa muli ng lahat ng memory register at paghahambing nito sa orihinal na programming. Anumang sukat na kinuha kapag nangyari ang ganitong double at triple na mga error ay itinatapon din.

Konklusyon

Ang proyektong pananaliksik na ito ay magpapahintulot sa advanced na pagsusuri ng mga high-energy particle na nilikha ng LHC.

Ito rin ay magiging mahalagang bahagi ng isang malaking upgrade ng accelerator kasama ang “High Luminosity LHC” (HL–LHC, isang upgrade na layuning pataasin ang luminosity ng LHC ng 10 beses.

Halimbawa, ang High-Luminosity LHC ay magpoproduce ng hindi bababa sa 15 milyong Higgs boson bawat taon, kumpara sa humigit-kumulang tatlong milyong mula sa LHC noong 2017.

Pinagmulan: CERN

Malamang na ang mga susunod na proyekto ng CERN, tulad ng Future Circular Collider (FFC), na magsisimula ng unang mga eksperimento sa kalagitnaan ng 2040s, ay mangangailangan din ng katulad o mas advanced na radiation-proof na elektronik.

Sa huli, ang ganitong uri ng proyekto, na pinondohan sa pamamagitan ng akademikong badyet sa pundamental na pisika, ay maaaring magsilbing inspirasyon para sa isang komersyal na bersyon ng radiation-proof na elektronik.

Habang ang sangkatauhan ay naghahangad na tuklasin ang malalim na kalawakan, kabilang ang posibleng permanenteng mga base sa buwan at Mars, o pagmimina ng asteroid, mas matibay at radiation-proof na elektronik ang magiging napaka-kapaki-pakinabang.

Pamumuhunan sa Advanced na Sensor

CEVA

Ang CEVA ay isang kumpanya ng sensor at kasosyo ng CERN upang gamitin ang algorithm ng institusyon upang mapabuti ang kahusayan at konsumo ng enerhiya ng mga sensor nito. Ang mga solusyon at IP ng CEVA (200 na patente) ay isinasama sa 18 bilyong aparato.

Ang mga solusyon ng kumpanya ay ginagamit ng marami sa mga nangungunang tatak ng elektronik sa buong mundo.

Pinagmulan: CEVA

Ang pangunahing aplikasyon ng kolaborasyon sa pagitan ng CEVA at CERN ay “Edge AI”, o mga aplikasyon ng artificial intelligence na inilalagay sa mga device na malayo sa mga data center (cloud) at mas malapit sa mga konsyumer (ang edge).

Hindi nakakagulat na makita ang mga algorithm ng particle physics na muling ginagamit sa mga AI application, dahil ang mga neural network ay, halimbawa, ginamit sa paghahanap ng particle na Higgs boson. Ang pagsusuri ng datos ng particle accelerator ay kailangang gawin sa site mismo sa halip na sa cloud, dahil sa napakalaking dami ng datos na mabilis na nalilikha.

Tinulungan ng CEVA ang CERN na lumikha ng mga bagong compression algorithm na maaaring magamit sa mga susunod na eksperimento at magagawang isama ang bagong teknolohiyang ito sa mga produkto nito.

“Salamat sa aming kolaborasyon sa CERN, nagawa naming mag-develop ng isang makabagong pamamaraan na nagpapahintulot sa mga network na tumakbo nang hanggang 15x mas mabilis kumpara sa 16-bit baseline models.

Pinapabuti nito ang bilis ng network at binabawasan ang konsumo ng enerhiya ng hanggang 90% habang pinapanatili ang katulad na katumpakan.”

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher sa Ceva

Isa ito lamang sa mga teknolohikal na pag-unlad ng CEVA, kung saan ang kumpanya ay aktibo sa wireless connectivity, mga sensor (vision, audio, motion), at mga neural network algorithm.

Pinagmulan: CEVA

Malaki ang pakinabang ng CEVA mula sa pinagsamang trend ng 5G connectivity (kasama ang satellite 5G) at IoT (Internet of Things) na may nakapaloob na AI solutions, pareho para sa industriyal at pang-bahay na solusyon. Ito rin ay nangunguna sa mga solusyon ng WiFi 6 at may nangungunang posisyon sa WiFi 7.

Pinagmulan: Ruije

Bilang isang kumpanya ng software at IP, kilala ang CEVA sa mga inhinyero at madalas na napapabayaan ng mga mamumuhunan na interesado sa mga sektor ng IoT at 5G.

Maaaring maging isang kawili-wiling kumpanya ito sa pinakapatimog ng pag-unlad ng teknolohiya sa pagproseso ng datos at edge AI, tulad ng ipinapakita ng pagpili ng CERN sa kanila upang tumulong sa ilan sa pinaka-komplikadong pagsusuri ng datos na kailanman ginawa ng sangkatauhan.

Pinakabagong Balita at Pag-unlad sa Stock ng CEVA (CEVA)

Pag-aaral na Binanggit:

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