Radyasyon-Dayanıklı Çipler CERN Hızlandırıcılarını Güçlendiriyor

Yüksek Radyasyonlu Ortamlara Elektronik Tasarlamak

Electronics, son on yıllarda icat edilen neredeyse tüm teknolojilerin çekirdeğinde yer alır. Dünya süreçleri ve verileri giderek daha fazla dijitalleştikçe, bu durum her geçen gün daha da doğru hâle geliyor.

Ancak bazı ortamlarda, standart elektronik yeterli gelmekte zorlanır. Bunlardan biri parçacık hızlandırıcılarıdır.

Bir yandan, parçacık hızlandırıcıları saniyede terabaytlarca veri üretir, bu da ayak uydurmak için ultra-verimli elektronik bileşenler gerektirir. Diğer yandan, ürettikleri radyasyon miktarı elektronik sistemleri karıştırma eğilimindedir.

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.

“Standart, ticari bileşenleri test ettik ve hepsi öldü. Radyasyon çok yoğundu. Çalışan bir şey istiyorsak, kendimizin tasarlaması gerektiğini fark ettik.”

Rui (Ray) Xu, Columbia Engineering’den bir doktora öğrencisi

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.

Dedektörler, çarpışmalar sonucu üretilen parçacıkları kaydetmek için 100 milyondan fazla hassas elektronik kanal içerir. Birçok alt-dedektör barındırır; her biri ayrı bir rol oynayarak aynı anda foton, elektron, müon, pion vb. tespit eder.

Source: 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”.

Radyasyonun Elektroniği Nasıl Etkilediği

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.

Among the many effects radiation can have, the most problematic ones can be quickly listed:

• Transistörlerde voltaj dalgalanması, hatalı veri ya da transistörlerin tamamen yok olmasına yol açar.
• Bellek bileşenlerinde tek tek bitlerin (0 &1) tersine dönmesi.
• Entegre devrelerin elektriksel ya da termal yanması.
• Optik dedektörler ve ışık vericilere verilen zarar, onları anında yok edebilir ya da ömürlerini kısaltabilir.

This is a serious problem in high-radiation environments, like space, medical accelerators (radiation therapy, radiography), or nuclear facilities.

Sorunu çözmenin bir yolu, yeterli koruma sağlamak; elektronik parçayı genellikle su ya da kurşun gibi ağır bir elementin arkasına yerleştirmek, radyasyon tipine bağlı olarak.

Bir diğer seçenek ise yedeklilik ve hata düzeltme. Bir bileşen birden fazla kopyada bulunuyorsa ya da bir program birkaç kez çalıştırılıyorsa, yalnızca birinde oluşan hata tespit edilip göz ardı edilebilir.

The last option is to build electronics systems that are naturally resistant to radiation, which is the only option for electronic systems that have to be directly exposed to radiation, like the detectors of a particle accelerator.

Radyasyon-Dirençli Elektronik İnşa Etmek

Ticari Yaşanabilirlik

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

At the same time, the market for radiation-resistant circuits is too small to entice investment from commercial chip manufacturers.

“En son teknoloji enstrümantasyon geliştirmek başarımız için kritik öneme sahiptir. Endüstri çabayı haklı çıkaramıyordu, bu yüzden akademi devreye girmek zorunda kaldı.”

John Parsons – Fizik profesörü ve ATLAS dedektörü üzerinde çalışan Columbia Üniversitesi ekibinin lideri

In this specific case, the researchers needed to develop analog-to-digital converters (ADCs). These devices’ task is capturing electrical signals produced by particle collisions inside CERN’s detectors and translating them into digital data that researchers can analyze.

This, parçacık çarpışmalarını elektronik sinyale dönüştüren sıvı argon kalorimetresi adlı bir cihaz aracılığıyla yapılır.

Columbia’nın ADC çipleri bu hassas analog sinyalleri kesin dijital ölçümlere dönüştürür, mevcut hiçbir bileşenin güvenilir bir şekilde kaydedemeyeceği detayları yakalar.

Zorlu Koşullar

The researchers, radyasyon korumasının parçacık dedektöründe gerçekçi olmadığı için, bileşenleri özenle seçip boyutlandırdı ve devre mimarileri ile yerleşimlerini radyasyon hasarını en aza indirecek şekilde düzenledi.

Bunun yanı sıra, söz konusu elektronik kartların çalışma sırasında erişilemez olduğunu ve bakım için en fazla yılda bir kez erişilebileceğini de göz önünde bulundurmaları gerekiyordu.

Bileşenlerin 12 yıllık çalışma ömrü boyunca maruz kalacağı radyasyon seviyeleri, genellikle jeostasyoner yörüngedeki uydularda görülür.

Geçici hatalar tolere edilebilir, ancak kalıcı hasar kabul edilemez; çünkü bu, ATLAS’ı gerektiren tüm araştırma projelerinin çalışmalarını engeller.

Kanıtlanmış Yarı İletken Üretim Tekniklerini Yeniden Kullanma

Reinventing how to produce semiconductors was not going to be a viable path to create a useful device within a reasonable budget and time frame.

So the researchers used commercial semiconductor processes validated by CERN for radiation resistance and applied innovative circuit-level techniques.

A key decision in that respect was to rely on older, tried and tested lithography methods, using a commercial, triple-well 65-nm CMOS process for production of the ASIC custom chip (Application-Specific Integrated Circuit).

This 65 nm process is known to be inherently radiation hardened.

Another design choice was to minimize the components not directly present on the chip, reducing the risk of errors by integrating the chip’s internal clocks, memories, etc.

Source: IEEE Explore

However, calibration calculations are done off-chip to prevent radiation-induced errors in the calculation that would give erroneous data.

They also looked at capacitors, which can be overcharged by the ionizing effect of radiation.

Metal-insulator-metal (MiM) capacitors are naturally 30x-80x thinner than a more conventional metal-oxide–metal (MoM), while also being half the size, reducing the surface potentially hit by radiation and high-energy particles.

Source: IEEE Explore

Son Çip Tasarımı ve Testi

The final chip is an electronic design specifically designed to be optimal against radiation, instead of high-speed, ease of manufacturing, or boosted performance like commercial products.

In total, 45,617 of these chips will be used in the ATLAS detector.

Source: IEEE Explore

Eighteen devices were characterized for analog performance; further validation of long-term analog accuracy and an extensive radiation testing campaign was undertaken.

All results indicated that the chips would perform well in the environment of the ATLAS detector.

Still, no matter how hardened, these levels of radiation will cause some errors and problems in any electronic systems. So the researchers then built digital systems that automatically detect and correct errors in real time.

Double- and triple-bit errors, which are more problematic, are detected by periodically reading back all memory registers and comparing them to the initial programming. Any measurement taken when such double and triple errors occur is also discarded.

Sonuç

This research project will enable the advanced analysis of high-energy particles generated by the LHC.

It will also be a vital component of a major upgrade of the accelerator with the “High Luminosity LHC” (HL–LHC, an upgrade intended to boost the luminosity of the LHC by 10x.

For example, the High-Luminosity LHC will produce at least 15 million Higgs bosons per year, compared to around three million from the LHC in 2017.

Source: CERN

It is likely that later CERN’s projects, like the Future Circular Collider (FFC), with first experiments starting in the mid-2040s, will also require similar or even more advanced radiation-proof electronics.

Lastly, this sort of project, funded through academic budgets in fundamental physics, can be an inspiration for a commercial version of radiation-proof electronics.

As mankind is looking to explore deep space, including potentially permanent lunar and Martian bases, or asteroid mining, more durable and radiation-proof electronics will be very useful.

Gelişmiş Sensörlere Yatırım

CEVA

CEVA, sensör şirketi ve CERN ile ortaklık yaparak kurumun algoritmasını sensörlerinin verimliliğini ve enerji tüketimini artırmak için kullanıyor. CEVA çözümleri ve IP (200 patent) 18 milyar cihazda entegre edilmiştir.

Şirketin çözümleri, dünya çapında önde gelen birçok elektronik marka tarafından kullanılmaktadır.

Source: CEVA

CEVA ve CERN arasındaki iş birliğinin ana uygulaması “Edge AI”dır; yani veri merkezlerinden (bulut) uzakta ve tüketicilere (kenara) daha yakın cihazlarda kullanılan yapay zeka uygulamaları.

Parçacık fiziği algoritmalarının AI uygulamalarında yeniden kullanılmasını görmek şaşırtıcı olmayabilir; örneğin sinir ağları Higgs bozonu keşfinde kullanılmıştır. Parçacık hızlandırıcı verilerinin çok hızlı üretilen büyük hacmi nedeniyle, bulutta değil sahada analiz edilmesi gerekir.

CEVA, CERN’in gelecekteki deneylerde kullanılabilecek yeni sıkıştırma algoritmaları oluşturmasına yardımcı oldu ve bu yeni teknolojiyi ürünlerine entegre edebilecek.

“CERN ile iş birliğimiz sayesinde, ağların 16-bit temel modellere göre 15 kat daha hızlı çalışmasını sağlayan yenilikçi bir yaklaşım geliştirebildik.

Bu, ağ hızını artırırken enerji tüketimini %90’a kadar azaltıyor ve benzer bir doğruluk seviyesini koruyor.”

Olya Sirkin – Ceva’da Kıdemli Derin Öğrenme Araştırmacısı

This is but one of CEVA’s technological progresses, with the company active in wireless connectivity, sensors (vision, audio, motion), and neural network algorithms.

Source: CEVA

CEVA, gömülü AI çözümleriyle 5G bağlantısı (uydu 5G dahil) ve IoT (Nesnelerin İnterneti) trendlerinin birleşiminden büyük ölçüde faydalanıyor; hem endüstriyel hem de ev çözümleri için. Ayrıca WiFi 6 çözümlerinde lider ve WiFi 7’de de öncü bir konuma sahiptir.

Source: Ruije

Yazılım ve IP şirketi olarak CEVA, mühendisler arasında iyi bilinir ve IoT ve 5G sektörlerine ilgi duyan yatırımcılar tarafından sıkça göz ardı edilir.

İnsanlık tarihindeki en karmaşık veri analizlerinden bazılarına yardımcı olması için CERN’in seçimiyle, veri işleme ve kenar AI konularında teknolojik ilerlemenin tam sınırında ilginç bir şirket olabilir.

CEVA (CEVA) Hisse Senedi Haberleri ve Gelişmeleri

Referans Çalışma:

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