Chips reforzados contra la radiación impulsan los aceleradores del CERN

Electrónica de construcción para entornos de alta radiación

La electrónica es fundamental en casi todas las tecnologías inventadas en las últimas décadas. A medida que el mundo digitaliza cada vez más procesos y datos, esto se hace cada vez más evidente.

Sin embargo, en algunos entornos, la electrónica estándar tiene dificultades para mantenerse al día. Uno de ellos son los aceleradores de partículas.

Por un lado, los aceleradores de partículas generan tantos terabytes de datos por segundo que se necesitan componentes electrónicos ultraeficientes para mantener el ritmo. Por otro lado, la cantidad de radiación que generan tiende a desestabilizar los sistemas electrónicos.

Los científicos del CERN, en Suiza, se enfrentaron a este dilema. En el acelerador de partículas LHC del CERN, el más grande del mundo, se emitían radiaciones que dificultaban las mediciones.

Probamos componentes comerciales estándar y simplemente fallaron. La radiación era demasiado intensa. Nos dimos cuenta de que si queríamos algo que funcionara, tendríamos que diseñarlo nosotros mismos.

Rui (Ray) Xu, estudiante de doctorado en Ingeniería de Columbia

El primer chip de este tipo se desarrolló en 2017 y se puso a prueba en 2022 para los experimentos ATLAS. ATLAS es el detector de partículas más grande jamás construido, con 46 metros (150 pies) de largo y 25 metros (82 pies) de diámetro.

Los detectores contienen más de 100 millones de canales electrónicos sensibles para registrar las partículas producidas por las colisiones. Contienen numerosos subdetectores, cada uno con una función específica, para detectar simultáneamente fotones, electrones, muones, piones, etc.

Fuente: ATLAS

Un segundo chip, el ADC de adquisición de datos, ha superado recientemente sus pruebas finales y se encuentra en plena producción. Se describe con detalle en un artículo publicado recientemente.¹ en la revista IEEE Explore, bajo el título “Un ADC de 8 canales, 15 bits y 40 MSPS resistente a la radiación para la lectura del calorímetro de argón líquido ATLAS.

Cómo afecta la radiación a la electrónica

Desde los albores de la electrónica, se sabe que la radiación tiende a dañar los componentes electrónicos y/o hacer que proporcionen datos erróneos.

Entre los muchos efectos que puede tener la radiación, los más problemáticos se pueden enumerar rápidamente:

• Variación de voltaje en los transistores, que puede dar lugar a datos erróneos o a la destrucción total de los transistores.
• Inversión de bits individuales (0 y 1) en componentes de memoria.
• Quemadura eléctrica o térmica de circuitos integrados.
• Los daños a los detectores ópticos y emisores de luz pueden destruirlos inmediatamente o reducir su vida útil.

Este es un problema grave en entornos de alta radiación, como el espacio, los aceleradores médicos (radioterapia, radiografía) o las instalaciones nucleares.

Una opción para solucionar el problema es simplemente utilizar suficiente blindaje, poniendo la parte electrónica detrás de una capa protectora, generalmente agua o un elemento pesado como el plomo, dependiendo del tipo de radiación.

Otra opción es la redundancia y la corrección de errores. Si un componente está en varias copias, o un programa se ejecuta varias veces, se puede detectar un error en solo una de ellas y posteriormente ignorarlo.

La última opción es construir sistemas electrónicos que sean naturalmente resistentes a la radiación, que es la única opción para los sistemas electrónicos que tienen que estar expuestos directamente a la radiación, como los detectores de un acelerador de partículas.

Construcción de dispositivos electrónicos a prueba de radiación

Viabilidad comercial

El problema al que se enfrentaron los ingenieros y científicos del CERN fue que los componentes comerciales simplemente no pueden sobrevivir a las duras condiciones dentro del acelerador.

Al mismo tiempo, el mercado de circuitos resistentes a la radiación es demasiado pequeño para atraer inversiones de los fabricantes de chips comerciales.

Desarrollar instrumentación de vanguardia es crucial para nuestro éxito. La industria simplemente no justificaba el esfuerzo, así que la academia tuvo que intervenir.

John Parsons -Profesor de física y líder del equipo de la Universidad de Columbia que trabaja en el detector ATLAS.

En este caso específico, los investigadores necesitaban desarrollar convertidores analógico-digitales (ADC). La función de estos dispositivos es capturar las señales eléctricas producidas por las colisiones de partículas dentro de los detectores del CERN y traducirlas a datos digitales que los investigadores puedan analizar.

Esto se hace mediante un dispositivo llamado calorímetro de argón líquido, que convierte las colisiones de partículas en una señal electrónica.

Los chips ADC de Columbia convierten estas delicadas señales analógicas en mediciones digitales precisas, capturando detalles que ningún componente existente podría registrar de manera confiable.

Condiciones exigentes

Los investigadores eligieron y dimensionaron cuidadosamente los componentes y organizaron las arquitecturas y diseños de los circuitos para minimizar el daño por radiación, ya que el blindaje contra la radiación no es realista en el detector de partículas.

No sólo eso, sino que debían tener en cuenta que las placas electrónicas en cuestión son inaccesibles durante el funcionamiento y se puede acceder a ellas para mantenimiento como máximo una vez al año.

Los niveles de radiación que experimentarán los componentes durante una vida útil de 12 años son los que suelen experimentar los satélites en órbita geoestacionaria.

Se pueden tolerar errores temporales, pero no se pueden aceptar daños permanentes, ya que obstaculizarían el trabajo de todos los proyectos de investigación que requieren ATLAS.

Reutilización de técnicas probadas de fabricación de semiconductores

Reinventar la forma de producir semiconductores no iba a ser un camino viable para crear un dispositivo útil dentro de un presupuesto y plazo razonables.

Para ello, los investigadores utilizaron procesos de semiconductores comerciales validados por el CERN en cuanto a resistencia a la radiación y aplicaron técnicas innovadoras a nivel de circuito.

Una decisión clave a este respecto fue confiar en métodos de litografía más antiguos y probados, utilizando un proceso CMOS comercial de 65 nm de triple pocillo para la producción del chip ASIC personalizado (circuito integrado de aplicación específica).

Se sabe que este proceso de 65 nm es inherentemente resistente a la radiación.

Otra opción de diseño fue minimizar los componentes que no están directamente presentes en el chip, reduciendo el riesgo de errores al integrar los relojes internos del chip, las memorias, etc.

Fuente: Explorar IEEE

Sin embargo, los cálculos de calibración se realizan fuera del chip para evitar errores inducidos por la radiación en el cálculo que darían datos erróneos.

También se analizaron los condensadores, que pueden sobrecargarse por el efecto ionizante de la radiación.

Los condensadores de metal-aislante-metal (MiM) son naturalmente entre 30 y 80 veces más delgados que los de óxido de metal-metal (MoM) más convencionales, y al mismo tiempo tienen la mitad del tamaño, lo que reduce la superficie potencialmente alcanzada por la radiación y partículas de alta energía.

Fuente: Explorar IEEE

Diseño y pruebas del chip final

El chip final es un diseño electrónico creado específicamente para ser óptimo contra la radiación, en lugar de ser de alta velocidad, fácil fabricación o rendimiento mejorado como los productos comerciales.

En total, 45,617 de estos chips se utilizarán en el detector ATLAS.

Fuente: Explorar IEEE

Se caracterizaron dieciocho dispositivos por su rendimiento analógico; se realizó una validación adicional de la precisión analógica a largo plazo y una extensa campaña de pruebas de radiación.

Todos los resultados indicaron que los chips funcionarían bien en el entorno del detector ATLAS.

Aun así, por muy resistentes que sean, estos niveles de radiación causarán errores y problemas en cualquier sistema electrónico. Por ello, los investigadores construyeron sistemas digitales que detectan y corrigen errores automáticamente en tiempo real.

Los errores de doble y triple bit, que son más problemáticos, se detectan leyendo periódicamente todos los registros de memoria y comparándolos con la programación inicial. Cualquier medición realizada cuando se producen estos errores también se descarta.

Conclusión

Este proyecto de investigación permitirá el análisis avanzado de partículas de alta energía generadas por el LHC.

También será un componente vital de una importante actualización del acelerador con el “LHC de alta luminosidad” (HL–LHC), una actualización destinada a aumentar la luminosidad del LHC en 10x.

Por ejemplo, el LHC de alta luminosidad producirá al menos 15 millones de bosones de Higgs por año, en comparación con los alrededor de tres millones del LHC en 2017.

Fuente: CERN

Es probable que proyectos posteriores del CERN, como el Futuro Colisionador Circular (FFC), cuyos primeros experimentos comenzarán a mediados de la década de 2040, también requerirán una electrónica a prueba de radiación similar o incluso más avanzada.

Por último, este tipo de proyectos, financiados a través de presupuestos académicos en física fundamental, pueden servir de inspiración para una versión comercial de electrónica a prueba de radiación.

A medida que la humanidad busca explorar el espacio profundo, incluidas potencialmente bases lunares y marcianas permanentes, o la minería de asteroides, una electrónica más duradera y a prueba de radiación será muy útil.

Invertir en sensores avanzados

CEVA

CEVA es una empresa de sensores y colabora con el CERN para utilizar el algoritmo de la institución y mejorar la eficiencia y el consumo energético de sus sensores. Las soluciones y la propiedad intelectual de CEVA (200 patentes) están integradas en 18 XNUMX millones de dispositivos.

Las soluciones de la empresa son utilizadas por muchas de las marcas electrónicas líderes en todo el mundo.

Fuente: CEVA

La principal aplicación de la colaboración entre CEVA y el CERN es “Edge AI”, o aplicaciones de inteligencia artificial implementadas en dispositivos alejados de los centros de datos (la nube) y más cerca de los consumidores (el borde).

No es sorprendente que los algoritmos de física de partículas se reutilicen en aplicaciones de IA, como se hizo, por ejemplo, con las redes neuronales para encontrar la partícula del bosón de Higgs. El análisis de los datos del acelerador de partículas debe realizarse in situ en lugar de en la nube, debido al gran volumen de datos que se produce muy rápidamente.

CEVA ayudó al CERN a crear nuevos algoritmos de compresión que podrán utilizarse en futuros experimentos y podrá integrar esta nueva tecnología en sus productos.

“Gracias a nuestra colaboración con el CERN, pudimos desarrollar un enfoque innovador que permite que las redes funcionen hasta 15 veces más rápido en comparación con los modelos de referencia de 16 bits.

“Está mejorando la velocidad de la red y reduciendo el consumo de energía hasta en un 90% manteniendo una precisión comparable”.

Olya Sirkin – Investigadora sénior de aprendizaje profundo en Ceva

Este es solo uno de los avances tecnológicos de CEVA, empresa activa en conectividad inalámbrica, sensores (visión, audio, movimiento) y algoritmos de redes neuronales.

Fuente: CEVA

CEVA se beneficia enormemente de la tendencia combinada de la conectividad 5G (incluido el 5G satelital) y el IoT (Internet de las Cosas) con soluciones de IA integradas, tanto para aplicaciones industriales como domésticas. Además, es líder en soluciones WiFi 6 y ocupa una posición de liderazgo en WiFi 7.

Fuente: Ruije

Como empresa de software y propiedad intelectual, CEVA es muy conocida entre los ingenieros y los inversores interesados en los sectores de IoT y 5G a menudo la pasan por alto.

Puede ser una empresa interesante en la vanguardia del progreso tecnológico en procesamiento de datos e inteligencia artificial de borde, como lo ilustra el hecho de que el CERN la haya seleccionado para ayudar con algunos de los análisis de datos más complejos jamás realizados por la humanidad.

Últimas noticias y novedades sobre acciones de CEVA (CEVA)

Estudio referenciado:

^{1Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. Un conversor analógico-digital (ADC) de 8 canales, 15 bits y 40 MSPS, resistente a la radiación, para la lectura del calorímetro de argón líquido ATLAS. IEEE Explore. 28 de mayo de 2025. pagp 180-199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}

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