الإلكترونيات وشاشات العرض الرقمية
رقائق مُقوّاة ضد الإشعاع تُشغّل مُسرّعات سيرن
تلتزم Securities.io بمعايير تحريرية صارمة، وقد تتلقى تعويضات عن الروابط المُراجعة. لسنا مستشارين استثماريين مُسجلين، وهذه ليست نصيحة استثمارية. يُرجى الاطلاع على كشف التابعة لها.
بناء الإلكترونيات في البيئات عالية الإشعاع
تُشكّل الإلكترونيات جوهر معظم التقنيات التي طُوّرت خلال العقود الماضية. ومع تزايد رقمنة العمليات والبيانات في العالم، يتزايد هذا الواقع يومًا بعد يوم.
ومع ذلك، في بعض البيئات، تعجز الإلكترونيات القياسية عن مواكبة هذه التغيرات. ومن هذه البيئات مسرعات الجسيمات.
من ناحية، تُنتج مُسرِّعات الجسيمات كميات هائلة من البيانات في الثانية، مما يتطلب مكونات إلكترونية فائقة الكفاءة لمواكبة هذا الكم الهائل. من ناحية أخرى، تُؤدي كمية الإشعاع التي تُنتجها إلى تشويش الأنظمة الإلكترونية.
واجه علماء المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (سيرن) في سويسرا هذه المعضلة. ففي مسرع الجسيمات LHC بسيرن، وهو الأكبر في العالم، انبعثت إشعاعات، مما جعل القياسات صعبة.
اختبرنا مكونات تجارية قياسية، لكنها تعطلت فجأة. كان الإشعاع شديدًا جدًا. أدركنا أنه إذا أردنا شيئًا فعالًا، فعلينا تصميمه بأنفسنا.
طُوِّرت أول رقاقة من هذا النوع عام ٢٠١٧، وخضعت للاختبار عام ٢٠٢٢ ضمن تجارب أطلس. يُعد أطلس أكبر كاشف جسيمات بُني على الإطلاق، بطول ٤٦ مترًا (١٥٠ قدمًا) وقطر ٢٥ مترًا (٨٢ قدمًا).
تحتوي الكواشف على أكثر من 100 مليون قناة إلكترونية حساسة لتسجيل الجسيمات الناتجة عن التصادمات. وتحتوي على العديد من الكواشف الفرعية، كلٌّ منها يؤدي دورًا منفصلًا، للكشف في الوقت نفسه عن الفوتونات والإلكترونات والميونات والبايونات، إلخ.
المصدر مركز أطلس للعرض التجريبي
شريحة ثانية، وهي شريحة تحويل تناظري إلى رقمي لجمع البيانات، اجتازت مؤخرًا اختباراتها النهائية، وهي الآن في مرحلة الإنتاج الكامل. وقد وُصفت بالتفصيل في ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا.1 في مجلة IEEE Explore، تحت عنوان "محول تناظري رقمي مقاوم للإشعاع، 8 قنوات، 15 بت، 40 ميجابايت في الثانية، لقراءة مقياس السعرات الحرارية السائل بالأرجون ATLAS".
كيف يؤثر الإشعاع على الإلكترونيات
منذ فجر الإلكترونيات، أصبح من المعروف أن الإشعاع يميل إلى إتلاف المكونات الإلكترونية و/أو جعلها تعطي بيانات خاطئة.
من بين التأثيرات العديدة التي يمكن أن يسببها الإشعاع، يمكن سرد التأثيرات الأكثر إشكالية بسرعة:
- اختلاف الجهد في الترانزستورات، مما يؤدي إما إلى بيانات خاطئة أو تدمير الترانزستورات بالكامل.
- قلب البتات الفردية (0 و1) في مكونات الذاكرة.
- الاحتراق الكهربائي أو الحراري للدوائر المتكاملة.
- إن إتلاف أجهزة الكشف البصرية وباعثات الضوء قد يؤدي إلى تدميرها على الفور أو تقليل عمرها الافتراضي.
وهذه مشكلة خطيرة في البيئات ذات الإشعاع العالي، مثل الفضاء، أو المسرعات الطبية (العلاج الإشعاعي، والتصوير الشعاعي)، أو المنشآت النووية.
أحد الخيارات لحل المشكلة هو ببساطة استخدام قدر كافٍ من الحماية، ووضع الجزء الإلكتروني خلف طبقة واقية، وعادة ما تكون من الماء أو عنصر ثقيل مثل الرصاص، اعتمادًا على نوع الإشعاع.
خيار آخر هو التكرار وتصحيح الأخطاء. إذا كان أحد المكونات في نسخ متعددة، أو تم تشغيل البرنامج عدة مرات، فيمكن اكتشاف خطأ في نسخة واحدة فقط وتجاهله لاحقًا.
الخيار الأخير هو بناء أنظمة إلكترونية مقاومة للإشعاع بشكل طبيعي، وهو الخيار الوحيد للأنظمة الإلكترونية التي يتعين أن تتعرض للإشعاع بشكل مباشر، مثل أجهزة الكشف في مسرع الجسيمات.
| تأثير الإشعاع | الوصف | التأثير |
|---|---|---|
| تحولات عتبة الجهد | الإشعاع يغير سلوك الترانزستور | يسبب أخطاء منطقية أو فشل المكونات |
| أحداث مفاجئة من حدث واحد (SEUs) | انعكاسات البت في دوائر الذاكرة أو المنطق | قد يؤدي إلى إتلاف البيانات أو تعطل الأنظمة |
| الالتصاق | ماس كهربائي ناتج عن جسيمات مشحونة | قد يؤدي إلى تلف الرقائق بشكل دائم |
| إجمالي الجرعة المؤينة (TID) | التدهور التدريجي الناجم عن التعرض للإشعاع | يقلل من عمر الأجهزة |
بناء إلكترونيات مقاومة للإشعاع
الجدوى التجارية
المشكلة التي واجهها مهندسو وعلماء سيرن هي أن المكونات الجاهزة لا تستطيع ببساطة تحمل الظروف القاسية داخل المسرع.
وفي الوقت نفسه، فإن سوق الدوائر المقاومة للإشعاع صغير للغاية بحيث لا يجذب الاستثمار من جانب مصنعي الرقائق التجارية.
يُعدّ تطوير أحدث الأجهزة أمرًا بالغ الأهمية لنجاحنا. لم تستطع الصناعة تبرير هذا الجهد، لذا كان على الأوساط الأكاديمية التدخل.
جون بارسونز - Pأستاذ الفيزياء وقائد فريق جامعة كولومبيا الذي يعمل على كاشف ATLAS.
في هذه الحالة تحديدًا، احتاج الباحثون إلى تطوير مُحوِّلات تناظرية إلى رقمية (ADCs). تتمثل مهمة هذه الأجهزة في التقاط الإشارات الكهربائية الناتجة عن تصادمات الجسيمات داخل كواشف سيرن، وترجمتها إلى بيانات رقمية يمكن للباحثين تحليلها.
ويتم ذلك من خلال جهاز يسمى مقياس السعرات الحرارية بالأرجون السائل، والذي يحول تصادمات الجسيمات إلى إشارة إلكترونية.
تقوم شرائح ADC من كولومبيا بتحويل هذه الإشارات التناظرية الدقيقة إلى قياسات رقمية دقيقة، مما يؤدي إلى التقاط التفاصيل التي لا يمكن لأي مكون موجود تسجيلها بشكل موثوق.
الشروط الصعبة
قام الباحثون باختيار المكونات وتحديد أحجامها بعناية وترتيب هياكل الدوائر وتخطيطاتها لتقليل الضرر الإشعاعي، حيث أن الحماية من الإشعاع ليست واقعية في كاشف الجسيمات.
ولم يقتصر الأمر على ذلك، بل كان عليهم أن يأخذوا في الاعتبار أن اللوحات الإلكترونية المعنية لا يمكن الوصول إليها أثناء التشغيل، ولا يمكن الوصول إليها للصيانة إلا مرة واحدة في السنة على الأكثر.
إن مستويات الإشعاع التي تتعرض لها المكونات خلال عمر تشغيلي يبلغ 12 عامًا عادة ما تتعرض لها الأقمار الصناعية في مدار ثابت بالنسبة للأرض.
يمكن التسامح مع الأخطاء المؤقتة، ولكن لا يمكن قبول الضرر الدائم، لأنه من شأنه أن يعيق عمل جميع مشاريع البحث التي تتطلب ATLAS.
إعادة استخدام تقنيات تصنيع أشباه الموصلات المُجرّبة
إن إعادة اختراع كيفية إنتاج أشباه الموصلات لم يكن من الممكن أن يكون طريقًا قابلاً للتطبيق لإنشاء جهاز مفيد ضمن ميزانية وإطار زمني معقولين.
ولهذا السبب استخدم الباحثون عمليات أشباه الموصلات التجارية المعتمدة من قبل منظمة سيرن لمقاومة الإشعاع، وطبقوا تقنيات مبتكرة على مستوى الدائرة.
كان أحد القرارات الرئيسية في هذا الصدد هو الاعتماد على طرق الطباعة الحجرية القديمة والمجربة والمختبرة، باستخدام عملية CMOS 65 نانومتر ثلاثية الآبار التجارية لإنتاج شريحة ASIC المخصصة (الدائرة المتكاملة المخصصة للتطبيق).
ومن المعروف أن هذه العملية التي تبلغ 65 نانومترًا يتم تصلبها إشعاعيًا بطبيعتها.
وكان أحد خيارات التصميم الأخرى هو تقليل المكونات غير الموجودة مباشرة على الشريحة، مما يقلل من خطر الأخطاء من خلال دمج الساعات الداخلية للشريحة والذاكرة وما إلى ذلك.
المصدر استكشاف IEEE
ومع ذلك، يتم إجراء حسابات المعايرة خارج الشريحة لمنع الأخطاء الناجمة عن الإشعاع في الحساب والتي من شأنها أن تؤدي إلى بيانات خاطئة.
كما نظروا أيضًا إلى المكثفات، التي يمكن أن تتعرض للشحن الزائد بسبب التأثير المؤين للإشعاع.
تعتبر المكثفات المعدنية العازلة المعدنية (MiM) أرق بشكل طبيعي من المكثفات المعدنية أكسيد المعدن (MoM) التقليدية بمقدار 30-80 مرة، بينما يبلغ حجمها نصف الحجم أيضًا، مما يقلل من السطح الذي قد يتعرض للإشعاع والجسيمات عالية الطاقة.
المصدر استكشاف IEEE
التصميم النهائي للرقاقة واختبارها
الشريحة النهائية عبارة عن تصميم إلكتروني تم تصميمه خصيصًا ليكون مثاليًا ضد الإشعاع، بدلاً من السرعة العالية، أو سهولة التصنيع، أو الأداء المعزز مثل المنتجات التجارية.
وفي المجمل، سيتم استخدام 45,617 من هذه الرقائق في كاشف ATLAS.
المصدر استكشاف IEEE
وقد تم توصيف ثمانية عشر جهازًا من حيث الأداء التناظري؛ وتم إجراء مزيد من التحقق من دقة الأداء التناظري على المدى الطويل، كما تم إجراء حملة اختبار إشعاعية واسعة النطاق.
وأشارت كافة النتائج إلى أن الرقائق ستعمل بشكل جيد في بيئة كاشف ATLAS.
ومع ذلك، مهما بلغت درجة قسوتها، ستُسبب هذه المستويات من الإشعاع بعض الأخطاء والمشاكل في أي أنظمة إلكترونية. لذلك، طوّر الباحثون أنظمة رقمية تكتشف الأخطاء وتُصحّحها تلقائيًا وبشكل آني.
يتم اكتشاف أخطاء البتات الثنائية والثلاثية، وهي الأكثر إشكالية، من خلال قراءة جميع سجلات الذاكرة دوريًا ومقارنتها بالبرمجة الأولية. كما يتم تجاهل أي قياس يُجرى عند حدوث هذه الأخطاء الثنائية والثلاثية.
خاتمة
سيسمح هذا المشروع البحثي بإجراء تحليل متقدم للجسيمات عالية الطاقة التي يولدها LHC.
وسوف يكون أيضًا مكونًا حيويًا للترقية الرئيسية للمسرع مع "LHC عالي السطوع" (HL–LHC)، وهو ترقية تهدف إلى تعزيز سطوع LHC بمقدار 10 أضعاف.
على سبيل المثال، سوف ينتج مصادم الهدرونات الكبير عالي السطوع ما لا يقل عن 15 مليون بوزونات هيغز سنويا، مقارنة بنحو ثلاثة ملايين من مصادم الهدرونات الكبير في عام 2017.
المصدر CERN
ومن المرجح أن مشاريع سيرن اللاحقة، مثل المصادم الدائري المستقبلي (FFC)وسوف يتطلب تطوير تكنولوجيا جديدة، مع بدء التجارب الأولى في منتصف أربعينيات القرن الحادي والعشرين، استخدام إلكترونيات مماثلة أو حتى أكثر تقدماً ومقاومة للإشعاع.
وأخيرا، فإن هذا النوع من المشاريع، الذي يتم تمويله من خلال الميزانيات الأكاديمية في الفيزياء الأساسية، يمكن أن يكون مصدر إلهام لإصدار تجاري من الإلكترونيات المقاومة للإشعاع.
وبينما تتطلع البشرية إلى استكشاف الفضاء العميق، بما في ذلك إنشاء قواعد دائمة على سطح القمر والمريخ، أو استخراج المعادن من الكويكبات، فإن الإلكترونيات الأكثر متانة ومقاومة للإشعاع ستكون مفيدة للغاية.
الاستثمار في أجهزة الاستشعار المتقدمة
CEVA
(CEVA )
CEVA شركة متخصصة في أجهزة الاستشعار، وهي شريكة لـ CERN لاستخدام خوارزمية المؤسسة لتحسين كفاءة أجهزة الاستشعار واستهلاكها للطاقة. وتُدمج حلول CEVA وحقوق الملكية الفكرية (200 براءة اختراع) في 18 مليار جهاز.
يتم استخدام حلول الشركة من قبل العديد من العلامات التجارية الإلكترونية الرائدة في جميع أنحاء العالم.
المصدر CEVA
التطبيق الرئيسي للتعاون بين CEVA وCERN هو "Edge AI"، أو تطبيقات الذكاء الاصطناعي المنشورة على أجهزة بعيدة عن مراكز البيانات (السحابة) وأقرب إلى المستهلكين (الحافة).
قد لا يكون من المستغرب أن نرى إعادة استخدام خوارزميات فيزياء الجسيمات في تطبيقات الذكاء الاصطناعي، كما تم استخدام الشبكات العصبية، على سبيل المثال، في العثور على جسيم بوزون هيغز. يجب أن يتم تحليل بيانات مسرع الجسيمات في الموقع بدلاً من السحابة، بسبب الحجم الهائل للبيانات المنتجة بسرعة كبيرة.
ساعدت شركة CEVA منظمة CERN في إنشاء خوارزميات ضغط جديدة يمكن استخدامها في التجارب المستقبلية وستكون قادرة على دمج هذه التكنولوجيا الجديدة في منتجاتها.
"بفضل تعاوننا مع منظمة سيرن، تمكنا من تطوير نهج مبتكر يمكّن الشبكات من العمل بسرعة تصل إلى 15 مرة أسرع مقارنة بنماذج الأساس المكونة من 16 بت.
"إنه يعمل على تعزيز سرعة الشبكة وتقليل استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 90% مع الحفاظ على دقة قابلة للمقارنة."
أوليا سيركين - باحثة أولى في مجال التعلم العميق في شركة Ceva
وهذا مجرد أحد التطورات التكنولوجية التي حققتها شركة CEVA، حيث تعمل الشركة في مجال الاتصال اللاسلكي، وأجهزة الاستشعار (الرؤية، والصوت، والحركة)، وخوارزميات الشبكات العصبية.
المصدر CEVA
تستفيد شركة CEVA بشكل كبير من التوجه المشترك لتقنيات اتصال الجيل الخامس (بما في ذلك الجيل الخامس عبر الأقمار الصناعية) وإنترنت الأشياء (IoT) مع حلول الذكاء الاصطناعي المدمجة، سواءً للحلول الصناعية أو المنزلية. كما أنها رائدة في حلول WiFi 5، ولها مكانة رائدة في WiFi 5.
المصدر رويجي
باعتبارها شركة برمجيات وملكية فكرية، تتمتع شركة CEVA بشهرة واسعة بين المهندسين وغالبًا ما يغفل عنها المستثمرون المهتمون بقطاعي إنترنت الأشياء و5G.
يمكن أن تكون شركة مثيرة للاهتمام على حافة التقدم التكنولوجي في معالجة البيانات والذكاء الاصطناعي الحافة، كما يتضح من اختيار CERN لها للمساعدة في بعض تحليلات البيانات الأكثر تعقيدًا التي أجراها البشر على الإطلاق.
آخر أخبار وتطورات أسهم CEVA (CEVA).
الدراسة المشار إليها:
1روي شو؛ ياروسلاف بان؛ سارثاك كالاني؛ تشين-كاي هسو؛ سوبهاجيت راي؛ برايان كيربي. محول تناظري رقمي مقاوم للإشعاع، ثماني قنوات، 8 بت، 15 ميجابت في الثانية، لقراءة مقياس حرارة الأرجون السائل ATLAS. IEEE Explore. 28 مايو 2025. صp 180 - 199 دوى:10.1109/OJSSCS.2025.3573904
{
“context”: “https://schema.org” ،
"type": "FAQPage" ،
"الكيان الرئيسي": [
{
"type": "سؤال" ،
"الاسم": "لماذا تُعد الإلكترونيات المقاومة للإشعاع مهمة لمسرعات الجسيمات؟"
"AcceptAnswer": {
"@اكتب الاجابة"،
"النص": "تُعدّ الإلكترونيات المقاومة للإشعاع أساسيةً لمسرّعات الجسيمات، مثل مصادم الهدرونات الكبير التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، لأن مستويات الإشعاع العالية قد تُلحق الضرر بالرقائق القياسية وتُشوّه البيانات. تضمن الرقائق المتخصصة أداءً موثوقًا وقياسات دقيقة في هذه البيئات القاسية."
}
},
{
"type": "سؤال" ،
"الاسم": "ما الذي يجعل شريحة المحول التناظري الرقمي التي طورتها سيرن فريدة من نوعها؟"
"AcceptAnswer": {
"@اكتب الاجابة"،
نص: "شريحة التحويل التناظري الرقمي (ADC) المُطوّرة لـ CERN مبنية باستخدام عملية CMOS 65 نانومتر، المعروفة بصلابة الإشعاع. وهي تدمج تصحيح الأخطاء، ومكثفات MiM، وبنية مُخصصة لتتحمل البيئات عالية الإشعاع لأكثر من عقد."
}
},
{
"type": "سؤال" ،
"الاسم": "ما هو الدور الذي يلعبه CEVA في تجارب CERN؟"
"AcceptAnswer": {
"@اكتب الاجابة"،
"النص": "تتعاون شركة CEVA مع سيرن لتحسين الذكاء الاصطناعي الطرفي وخوارزميات الضغط لمعالجة بيانات الجسيمات. تُحسّن مساهماتهما كفاءة الطاقة وسرعات الحوسبة في تحليل البيانات في الوقت الفعلي."
}
}
]
}
