Thiết bị điện tử
Chip chịu bức xạ cung cấp năng lượng cho máy gia tốc CERN
Securities.io duy trì các tiêu chuẩn biên tập nghiêm ngặt và có thể nhận được khoản bồi thường từ các liên kết được đánh giá. Chúng tôi không phải là cố vấn đầu tư đã đăng ký và đây không phải là lời khuyên đầu tư. Vui lòng xem công bố liên kết.
Xây dựng thiết bị điện tử cho môi trường bức xạ cao
Điện tử là cốt lõi của hầu hết mọi công nghệ được phát minh trong những thập kỷ qua. Khi thế giới số hóa ngày càng nhiều quy trình và dữ liệu, điều này càng trở nên đúng đắn hơn mỗi ngày.
Tuy nhiên, trong một số môi trường, các thiết bị điện tử tiêu chuẩn khó có thể theo kịp. Một trong số đó là máy gia tốc hạt.
Một mặt, máy gia tốc hạt tạo ra hàng terabyte dữ liệu mỗi giây đến mức cần các linh kiện điện tử siêu hiệu quả để theo kịp. Mặt khác, lượng bức xạ mà chúng tạo ra có xu hướng làm nhiễu loạn các hệ thống điện tử.
Các nhà khoa học tại CERN ở Thụy Sĩ đã phải đối mặt với tình huống khó xử này. Tại máy gia tốc hạt LHC của CERN, máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, bức xạ đã được phát ra, khiến việc đo lường trở nên khó khăn.
“Chúng tôi đã thử nghiệm các linh kiện thương mại tiêu chuẩn, và chúng đều hỏng. Bức xạ quá mạnh. Chúng tôi nhận ra rằng nếu muốn thứ gì đó hoạt động, chúng tôi phải tự thiết kế nó.”
Rui (Ray) Xu, một nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành Kỹ thuật tại Đại học Columbia
Con chip đầu tiên thuộc loại này được phát triển vào năm 2017 và được đưa vào thử nghiệm vào năm 2022 cho các thí nghiệm ATLAS. ATLAS là máy dò hạt lớn nhất từng được chế tạo, dài 46 mét (150 feet) và đường kính 25 mét (82 feet).
Các máy dò chứa hơn 100 triệu kênh điện tử nhạy cảm để ghi lại các hạt được tạo ra bởi va chạm. Nó chứa nhiều máy dò phụ, mỗi máy đảm nhiệm một vai trò riêng biệt, để phát hiện đồng thời photon, electron, muon, pion, v.v.
Nguồn: ATLAS
Con chip thứ hai, ADC thu thập dữ liệu, gần đây đã vượt qua các bài kiểm tra cuối cùng và hiện đang được sản xuất hàng loạt. Nó được mô tả đầy đủ trong một bài báo mới xuất bản.1 trong tạp chí IEEE Explore, dưới tiêu đề “Bộ chuyển đổi ADC 8 kênh 15-bit 40-MSPS chống bức xạ cho phép đọc nhiệt lượng kế Argon lỏng ATLAS".
Bức xạ ảnh hưởng đến thiết bị điện tử như thế nào
Kể từ khi ngành điện tử ra đời, người ta đã biết rằng bức xạ có xu hướng làm hỏng các linh kiện điện tử và/hoặc khiến chúng đưa ra dữ liệu sai.
Trong số nhiều tác động mà bức xạ có thể gây ra, những tác động gây nhiều vấn đề nhất có thể được liệt kê nhanh chóng như sau:
- Sự thay đổi điện áp trong bóng bán dẫn, dẫn đến dữ liệu sai hoặc bóng bán dẫn bị phá hủy hoàn toàn.
- Đảo ngược từng bit (0 và 1) trong các thành phần bộ nhớ.
- Sự cháy điện hoặc cháy nhiệt của mạch tích hợp.
- Hư hỏng ở các bộ phận dò quang và bộ phát sáng có thể phá hủy chúng ngay lập tức hoặc làm giảm tuổi thọ của chúng.
Đây là vấn đề nghiêm trọng trong môi trường bức xạ cao, như không gian, máy gia tốc y tế (xạ trị, chụp X-quang) hoặc cơ sở hạt nhân.
Một giải pháp để giải quyết vấn đề này đơn giản là sử dụng đủ lớp chắn, đặt bộ phận điện tử phía sau một lớp bảo vệ, thường là nước hoặc một nguyên tố nặng như chì, tùy thuộc vào loại bức xạ.
Một lựa chọn khác là dự phòng và sửa lỗi. Nếu một thành phần nằm trong nhiều bản sao, hoặc một chương trình chạy nhiều lần, lỗi chỉ có thể được phát hiện và sau đó bị bỏ qua.
Lựa chọn cuối cùng là xây dựng các hệ thống điện tử có khả năng chống bức xạ tự nhiên, đây là lựa chọn duy nhất cho các hệ thống điện tử phải tiếp xúc trực tiếp với bức xạ, như máy dò của máy gia tốc hạt.
| Hiệu ứng bức xạ | Mô tả Chi tiết | Va chạm |
|---|---|---|
| Ngưỡng điện áp thay đổi | Bức xạ thay đổi hành vi của bóng bán dẫn | Gây ra lỗi logic hoặc lỗi thành phần |
| Sự kiện đảo ngược đơn lẻ (SEU) | Đảo bit trong bộ nhớ hoặc mạch logic | Có thể làm hỏng dữ liệu hoặc làm sập hệ thống |
| Chốt cửa | Chập mạch do các hạt tích điện gây ra | Có thể làm hỏng chip vĩnh viễn |
| Tổng liều ion hóa (TID) | Sự suy thoái dần dần do tiếp xúc với bức xạ | Giảm tuổi thọ của thiết bị |
Xây dựng thiết bị điện tử chống bức xạ
Tính khả thi về mặt thương mại
Vấn đề mà các kỹ sư và nhà khoa học CERN gặp phải là các linh kiện bán sẵn không thể chịu được điều kiện khắc nghiệt bên trong máy gia tốc.
Đồng thời, thị trường mạch chống bức xạ còn quá nhỏ để thu hút đầu tư từ các nhà sản xuất chip thương mại.
“Việc phát triển các thiết bị đo lường hiện đại là yếu tố then chốt cho thành công của chúng tôi. Ngành công nghiệp không thể biện minh cho nỗ lực này, vì vậy giới học thuật phải vào cuộc.”
Trong trường hợp cụ thể này, các nhà nghiên cứu cần phát triển bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC). Nhiệm vụ của các thiết bị này là thu thập các tín hiệu điện được tạo ra bởi các va chạm hạt bên trong các máy dò của CERN và chuyển đổi chúng thành dữ liệu số để các nhà nghiên cứu có thể phân tích.
Điều này được thực hiện thông qua một thiết bị gọi là nhiệt lượng kế argon lỏng, có chức năng chuyển đổi các va chạm của hạt thành tín hiệu điện tử.
Chip ADC của Columbia chuyển đổi các tín hiệu tương tự tinh vi này thành các phép đo kỹ thuật số chính xác, ghi lại các chi tiết mà không có thành phần hiện tại nào có thể ghi lại một cách đáng tin cậy.
Điều kiện đòi hỏi
Các nhà nghiên cứu đã cẩn thận lựa chọn và định cỡ các thành phần cũng như sắp xếp kiến trúc và bố cục mạch để giảm thiểu thiệt hại do bức xạ, vì việc che chắn bức xạ không thực tế trong máy dò hạt.
Không chỉ vậy, họ còn phải tính đến việc các bảng điện tử nói trên không thể tiếp cận được trong quá trình vận hành và chỉ có thể tiếp cận để bảo trì nhiều nhất một lần mỗi năm.
Mức độ bức xạ mà các thành phần sẽ trải qua trong suốt thời gian hoạt động 12 năm thường xảy ra với các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh.
Có thể chấp nhận lỗi tạm thời, nhưng không thể chấp nhận thiệt hại lâu dài vì nó sẽ cản trở công việc của tất cả các dự án nghiên cứu yêu cầu ATLAS.
Tái sử dụng các kỹ thuật sản xuất chất bán dẫn đã được chứng minh
Việc tái tạo cách sản xuất chất bán dẫn sẽ không phải là con đường khả thi để tạo ra một thiết bị hữu ích trong phạm vi ngân sách và thời gian hợp lý.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các quy trình bán dẫn thương mại được CERN xác nhận về khả năng chống bức xạ và áp dụng các kỹ thuật cấp mạch cải tiến.
Một quyết định quan trọng trong khía cạnh đó là dựa vào các phương pháp quang khắc cũ đã được thử nghiệm và kiểm tra, sử dụng quy trình CMOS 65 nm ba giếng thương mại để sản xuất chip tùy chỉnh ASIC (Mạch tích hợp ứng dụng cụ thể).
Quá trình 65 nm này được biết là có bản chất là quá trình cứng hóa bằng bức xạ.
Một lựa chọn thiết kế khác là giảm thiểu các thành phần không có trực tiếp trên chip, giảm nguy cơ lỗi bằng cách tích hợp đồng hồ, bộ nhớ, v.v. bên trong chip.
Nguồn: IEEE Khám phá
Tuy nhiên, các phép tính hiệu chuẩn được thực hiện ngoài chip để ngăn ngừa các lỗi do bức xạ gây ra trong quá trình tính toán có thể đưa ra dữ liệu sai.
Họ cũng xem xét các tụ điện, có thể bị sạc quá mức do tác động ion hóa của bức xạ.
Tụ điện kim loại-chất cách điện-kim loại (MiM) mỏng hơn 30-80 lần so với tụ điện kim loại-oxit-kim loại (MoM) thông thường, đồng thời có kích thước chỉ bằng một nửa, giúp giảm diện tích bề mặt có khả năng bị bức xạ và các hạt năng lượng cao tấn công.
Nguồn: IEEE Khám phá
Thiết kế và thử nghiệm chip cuối cùng
Con chip cuối cùng là một thiết kế điện tử được thiết kế đặc biệt để chống lại bức xạ, thay vì tốc độ cao, dễ sản xuất hoặc hiệu suất được tăng cường như các sản phẩm thương mại.
Tổng cộng, 45,617 con chip này sẽ được sử dụng trong máy dò ATLAS.
Nguồn: IEEE Khám phá
Mười tám thiết bị đã được mô tả về hiệu suất tương tự; xác nhận thêm về độ chính xác tương tự lâu dài và một chiến dịch thử nghiệm bức xạ mở rộng đã được tiến hành.
Tất cả kết quả đều cho thấy các con chip sẽ hoạt động tốt trong môi trường của máy dò ATLAS.
Tuy nhiên, dù có được xử lý kỹ lưỡng đến đâu, mức độ bức xạ này vẫn sẽ gây ra một số lỗi và vấn đề trong bất kỳ hệ thống điện tử nào. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã xây dựng các hệ thống kỹ thuật số tự động phát hiện và sửa lỗi theo thời gian thực.
Lỗi bit đôi và bit ba, vốn phức tạp hơn, được phát hiện bằng cách đọc lại định kỳ tất cả các thanh ghi bộ nhớ và so sánh chúng với lập trình ban đầu. Bất kỳ phép đo nào được thực hiện khi xảy ra lỗi bit đôi và bit ba này cũng sẽ bị loại bỏ.
Kết luận
Dự án nghiên cứu này sẽ cho phép phân tích nâng cao các hạt năng lượng cao được tạo ra bởi LHC.
Nó cũng sẽ là một thành phần quan trọng của một nâng cấp lớn của máy gia tốc với “LHC độ sáng cao” (HL–LHC), một bản nâng cấp nhằm mục đích tăng độ sáng của LHC lên 10 lần.
Ví dụ, LHC có độ sáng cao sẽ sản xuất ít nhất 15 triệu boson Higgs mỗi năm, so với khoảng ba triệu boson từ LHC vào năm 2017.
Nguồn: CERN
Có khả năng là các dự án sau này của CERN, như Máy va chạm tròn tương lai (FFC), với các thí nghiệm đầu tiên bắt đầu vào giữa những năm 2040, cũng sẽ yêu cầu các thiết bị điện tử chống bức xạ tương tự hoặc thậm chí tiên tiến hơn.
Cuối cùng, loại dự án này, được tài trợ thông qua ngân sách học thuật về vật lý cơ bản, có thể là nguồn cảm hứng cho phiên bản thương mại của thiết bị điện tử chống bức xạ.
Khi loài người đang tìm cách khám phá không gian sâu thẳm, bao gồm cả các căn cứ có khả năng tồn tại lâu dài trên Mặt Trăng và Sao Hỏa, hoặc khai thác tiểu hành tinh, thì các thiết bị điện tử bền hơn và chống bức xạ sẽ rất hữu ích.
Đầu tư vào cảm biến tiên tiến
CEVA
(CEVA )
CEVA là một công ty cảm biến và là đối tác của CERN để sử dụng thuật toán của tổ chức này nhằm cải thiện hiệu suất và mức tiêu thụ điện năng của các cảm biến. Các giải pháp và IP của CEVA (200 bằng sáng chế) được tích hợp vào 18 tỷ thiết bị.
Các giải pháp của công ty được nhiều thương hiệu điện tử hàng đầu trên thế giới sử dụng.
Nguồn: CEVA
Ứng dụng chính của sự hợp tác giữa CEVA và CERN là “Edge AI” hoặc các ứng dụng trí tuệ nhân tạo được triển khai trên các thiết bị xa trung tâm dữ liệu (đám mây) và gần với người tiêu dùng hơn (biên).
Có thể không ngạc nhiên khi thấy các thuật toán vật lý hạt được tái sử dụng trong các ứng dụng AI, chẳng hạn như mạng nơ-ron được sử dụng để tìm hạt boson Higgs. Phân tích dữ liệu máy gia tốc hạt cần được thực hiện tại chỗ thay vì trên đám mây, do khối lượng dữ liệu được tạo ra rất nhanh.
CEVA đã giúp CERN tạo ra các thuật toán nén mới có thể được sử dụng trong các thí nghiệm trong tương lai và có thể tích hợp công nghệ mới này vào các sản phẩm của mình.
“Nhờ sự hợp tác với CERN, chúng tôi đã có thể phát triển một phương pháp tiếp cận sáng tạo cho phép mạng chạy nhanh hơn tới 15 lần so với các mô hình cơ sở 16 bit.
Nó giúp tăng tốc độ mạng và giảm mức tiêu thụ năng lượng lên đến 90% trong khi vẫn duy trì độ chính xác tương đương.”
Đây chỉ là một trong những tiến bộ công nghệ của CEVA, khi công ty này hoạt động trong lĩnh vực kết nối không dây, cảm biến (hình ảnh, âm thanh, chuyển động) và thuật toán mạng nơ-ron.
Nguồn: CEVA
CEVA được hưởng lợi rất nhiều từ xu hướng kết hợp giữa kết nối 5G (bao gồm cả vệ tinh 5G) và IoT (Internet vạn vật) với các giải pháp AI nhúng, dành cho cả giải pháp công nghiệp và gia đình. CEVA cũng là đơn vị dẫn đầu về giải pháp WiFi 6 và dẫn đầu về WiFi 7.
Nguồn: Ruije
Là một công ty phần mềm và IP, CEVA rất nổi tiếng trong giới kỹ sư và thường bị các nhà đầu tư quan tâm đến lĩnh vực IoT và 5G bỏ qua.
Đây có thể là một công ty thú vị đang ở đỉnh cao của tiến bộ công nghệ trong xử lý dữ liệu và AI tiên tiến, như được minh họa bằng việc CERN lựa chọn công ty này để hỗ trợ một số phân tích dữ liệu phức tạp nhất mà loài người từng thực hiện.
Tin tức và diễn biến chứng khoán CEVA (CEVA) mới nhất
Nghiên cứu được tham khảo:
1. Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. Bộ chuyển đổi ADC 8 kênh 15-bit 40-MSPS chịu bức xạ cho máy đo lượng nhiệt Argon lỏng ATLAS. IEEE Explore. 28 Tháng năm, 2025. Pp 180 - 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904
{
“@context”: “https://schema.org”,
“@type”: “Trang Câu hỏi thường gặp”,
“Thực thể chính”: [
{
“@type”: “Câu hỏi”,
“tên”: “Tại sao thiết bị điện tử chống bức xạ lại quan trọng đối với máy gia tốc hạt?”,
“Câu trả lời được chấp nhận”: {
"@viết câu trả lời",
“text”: “Thiết bị điện tử chống bức xạ rất cần thiết cho các máy gia tốc hạt như LHC của CERN vì mức bức xạ cao có thể làm hỏng chip tiêu chuẩn và làm sai lệch dữ liệu. Chip chuyên dụng đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy và đo lường chính xác trong những môi trường khắc nghiệt này.”
}
},
{
“@type”: “Câu hỏi”,
“tên”: “Điều gì làm cho chip ADC do CERN phát triển trở nên độc đáo?”,
“Câu trả lời được chấp nhận”: {
"@viết câu trả lời",
“text”: “Chip ADC được phát triển cho CERN được chế tạo bằng quy trình CMOS 65nm nổi tiếng về độ cứng bức xạ. Nó tích hợp tính năng sửa lỗi, tụ điện MiM và kiến trúc tùy chỉnh để tồn tại trong môi trường bức xạ cao trong hơn một thập kỷ.”
}
},
{
“@type”: “Câu hỏi”,
“tên”: “CEVA đóng vai trò gì trong các thí nghiệm của CERN?”,
“Câu trả lời được chấp nhận”: {
"@viết câu trả lời",
“text”: “CEVA hợp tác với CERN để tối ưu hóa AI biên và các thuật toán nén để xử lý dữ liệu hạt. Những đóng góp của họ giúp cải thiện hiệu suất năng lượng và tốc độ tính toán trong phân tích dữ liệu thời gian thực.”
}
}
]
}
