I chip resistenti alle radiazioni alimentano gli acceleratori del CERN

Elettronica per edifici ad alta radiazione

L'elettronica è al centro di quasi tutte le tecnologie inventate negli ultimi decenni. Con la digitalizzazione di processi e dati in tutto il mondo, questo concetto diventa sempre più vero.

Tuttavia, in alcuni ambienti, l'elettronica standard fatica a tenere il passo. Uno di questi è rappresentato dagli acceleratori di particelle.

Da un lato, gli acceleratori di particelle generano così tanti terabyte di dati al secondo che sono necessari componenti elettronici ultra-efficienti per tenere il passo. Dall'altro, la quantità di radiazioni che generano tende a mandare in tilt i sistemi elettronici.

Gli scienziati del CERN in Svizzera si sono trovati di fronte a questo dilemma. L'acceleratore di particelle LHC del CERN, il più grande al mondo, emetteva radiazioni che rendevano difficili le misurazioni.

"Abbiamo testato componenti standard commerciali, ma non funzionavano. Le radiazioni erano troppo intense. Ci siamo resi conto che se volevamo qualcosa che funzionasse, avremmo dovuto progettarlo noi stessi."

Rui (Ray) Xu, uno studente di dottorato in ingegneria alla Columbia

Il primo chip di questo tipo è stato sviluppato nel 2017 e messo alla prova nel 2022 per gli esperimenti ATLAS. ATLAS è il più grande rivelatore di particelle mai costruito, con i suoi 46 metri (150 piedi) di lunghezza e 25 metri (82 piedi) di diametro.

I rivelatori contengono oltre 100 milioni di canali elettronici sensibili per registrare le particelle prodotte dalle collisioni. Sono inoltre presenti numerosi sotto-rivelatori, ognuno con un ruolo separato, per rilevare contemporaneamente fotoni, elettroni, muoni, pioni, ecc.

Fonte: ATLAS

Un secondo chip, l'ADC per l'acquisizione dati, ha recentemente superato i test finali ed è ora in piena produzione. È ampiamente descritto in un articolo pubblicato di recente.¹ sulla rivista IEEE Explore, sotto il titolo “Un ADC a 8 canali, 15 bit e 40 MSPS resistente alle radiazioni per la lettura del calorimetro ad argon liquido ATLAS".

In che modo le radiazioni influiscono sull'elettronica

Fin dagli albori dell'elettronica, è noto che le radiazioni tendono a danneggiare i componenti elettronici e/o a far sì che forniscano dati errati.

Tra i molteplici effetti che le radiazioni possono avere, possiamo elencare rapidamente quelli più problematici:

• Variazione di tensione nei transistor, che può portare a dati errati o addirittura alla distruzione dei transistor.
• Inversione di singoli bit (0 e 1) nei componenti della memoria.
• Bruciatura elettrica o termica dei circuiti integrati.
• I danni ai rilevatori ottici e agli emettitori di luce possono distruggerli immediatamente o ridurne la durata.

Si tratta di un problema serio in ambienti ad alto contenuto di radiazioni, come lo spazio, gli acceleratori medici (radioterapia, radiografia) o gli impianti nucleari.

Un'opzione per risolvere il problema è semplicemente quella di utilizzare una schermatura adeguata, posizionando la parte elettronica dietro uno strato protettivo, solitamente acqua o un elemento pesante come il piombo, a seconda del tipo di radiazione.

Un'altra opzione è la ridondanza e la correzione degli errori. Se un componente è presente in più copie, o un programma viene eseguito più volte, un errore in una sola di esse può essere rilevato e successivamente ignorato.

L'ultima opzione è quella di costruire sistemi elettronici naturalmente resistenti alle radiazioni, che è l'unica opzione per i sistemi elettronici che devono essere esposti direttamente alle radiazioni, come i rilevatori di un acceleratore di particelle.

Costruire componenti elettronici a prova di radiazioni

Fattibilità commerciale

Il problema che gli ingegneri e gli scienziati del CERN hanno dovuto affrontare è che i componenti standard semplicemente non riescono a resistere alle dure condizioni all'interno dell'acceleratore.

Allo stesso tempo, il mercato dei circuiti resistenti alle radiazioni è troppo piccolo per attrarre investimenti da parte dei produttori di chip commerciali.

"Sviluppare strumentazione all'avanguardia è fondamentale per il nostro successo. L'industria non poteva giustificare lo sforzo, quindi è dovuto intervenire il mondo accademico."

Giovanni Parsons - Pprofessore di fisica e leader del team della Columbia University che lavora sul rivelatore ATLAS.

In questo caso specifico, i ricercatori hanno dovuto sviluppare convertitori analogico-digitali (ADC). Il compito di questi dispositivi è catturare i segnali elettrici prodotti dalle collisioni di particelle all'interno dei rivelatori del CERN e tradurli in dati digitali che i ricercatori possono analizzare.

Ciò avviene tramite un dispositivo chiamato calorimetro ad argon liquido, che converte le collisioni delle particelle in un segnale elettronico.

I chip ADC della Columbia convertono questi delicati segnali analogici in precise misurazioni digitali, catturando dettagli che nessun componente esistente potrebbe registrare in modo affidabile.

Condizioni impegnative

I ricercatori hanno scelto e dimensionato attentamente i componenti e hanno organizzato le architetture e i layout dei circuiti per ridurre al minimo i danni da radiazioni, poiché la schermatura dalle radiazioni non è realistica nel rilevatore di particelle.

Non solo, ma hanno dovuto tenere conto del fatto che le schede elettroniche in questione sono inaccessibili durante il funzionamento e possono essere utilizzate per la manutenzione al massimo una volta all'anno.

I livelli di radiazione a cui saranno esposti i componenti durante un ciclo di vita operativo di 12 anni sono quelli tipici dei satelliti in orbita geostazionaria.

Gli errori temporanei possono essere tollerati, ma non si possono accettare danni permanenti, poiché ostacolerebbero il lavoro di tutti i progetti di ricerca che richiedono ATLAS.

Riutilizzo di tecniche di produzione di semiconduttori collaudate

Reinventare il modo di produrre semiconduttori non sarebbe stata una strada percorribile per creare un dispositivo utile entro un budget e tempi ragionevoli.

I ricercatori hanno quindi utilizzato processi commerciali per semiconduttori convalidati dal CERN per la resistenza alle radiazioni e hanno applicato tecniche innovative a livello di circuito.

Una decisione fondamentale in tal senso è stata quella di affidarsi a metodi litografici più vecchi e collaudati, utilizzando un processo CMOS commerciale a triplo pozzetto da 65 nm per la produzione del chip ASIC personalizzato (circuito integrato specifico per l'applicazione).

È noto che questo processo a 65 nm è intrinsecamente resistente alle radiazioni.

Un'altra scelta progettuale è stata quella di ridurre al minimo i componenti non direttamente presenti sul chip, riducendo il rischio di errori mediante l'integrazione degli orologi interni, delle memorie, ecc. del chip.

Fonte: IEEE Esplora

Tuttavia, i calcoli di calibrazione vengono eseguiti off-chip per evitare errori di calcolo indotti dalle radiazioni che potrebbero fornire dati errati.

Hanno anche esaminato i condensatori, che possono essere sovraccaricati dall'effetto ionizzante delle radiazioni.

I condensatori metallo-isolante-metallo (MiM) sono naturalmente 30-80 volte più sottili dei più convenzionali condensatori metallo-ossido-metallo (MoM), pur essendo dimezzati nelle dimensioni, riducendo la superficie potenzialmente colpita da radiazioni e particelle ad alta energia.

Fonte: IEEE Esplora

Progettazione e test del chip finale

Il chip finale è un progetto elettronico specificamente progettato per essere ottimale contro le radiazioni, anziché offrire alta velocità, facilità di produzione o prestazioni potenziate come i prodotti commerciali.

In totale, 45,617 di questi chip saranno utilizzati nel rivelatore ATLAS.

Fonte: IEEE Esplora

Diciotto dispositivi sono stati caratterizzati per le prestazioni analogiche; è stata intrapresa un'ulteriore convalida dell'accuratezza analogica a lungo termine e un'ampia campagna di test sulle radiazioni.

Tutti i risultati hanno indicato che i chip avrebbero funzionato bene nell'ambiente del rivelatore ATLAS.

Tuttavia, indipendentemente da quanto siano resistenti, questi livelli di radiazioni causano errori e problemi in qualsiasi sistema elettronico. Per questo motivo, i ricercatori hanno costruito sistemi digitali che rilevano e correggono automaticamente gli errori in tempo reale.

Gli errori a doppio e triplo bit, che sono più problematici, vengono rilevati rileggendo periodicamente tutti i registri di memoria e confrontandoli con la programmazione iniziale. Anche qualsiasi misurazione effettuata quando si verificano tali errori a doppio e triplo bit viene scartata.

Conclusione

Questo progetto di ricerca consentirà l'analisi avanzata delle particelle ad alta energia generate dall'LHC.

Sarà anche una componente vitale di un importante aggiornamento dell'acceleratore con l' “LHC ad alta luminosità” (HL–LHC), un aggiornamento destinato ad aumentare la luminosità dell'LHC di 10 volte.

Ad esempio, l'LHC ad alta luminosità produrrà almeno 15 milioni di bosoni di Higgs all'anno, rispetto ai circa tre milioni prodotti dall'LHC nel 2017.

Fonte: CERN

È probabile che i progetti successivi del CERN, come il Future Circular Collider (FFC), i cui primi esperimenti inizieranno a metà degli anni 2040, richiederanno anche un'elettronica a prova di radiazioni simile o addirittura più avanzata.

Infine, questo tipo di progetto, finanziato attraverso budget accademici in fisica fondamentale, può essere fonte di ispirazione per una versione commerciale di elettronica a prova di radiazioni.

Poiché l'umanità desidera esplorare lo spazio profondo, comprese basi lunari e marziane potenzialmente permanenti, o estrarre minerali dagli asteroidi, sarà molto utile disporre di dispositivi elettronici più resistenti e resistenti alle radiazioni.

Investire in sensori avanzati

CEVA

CEVA è un'azienda produttrice di sensori e partner del CERN per utilizzare l'algoritmo dell'istituzione per migliorare l'efficienza e il consumo energetico dei suoi sensori. Le soluzioni e la proprietà intellettuale di CEVA (200 brevetti) sono integrate in 18 miliardi di dispositivi.

Le soluzioni dell'azienda sono utilizzate da molti dei principali marchi di elettronica a livello mondiale.

Fonte: CEVA

L'applicazione principale della collaborazione tra CEVA e CERN è "Edge AI", ovvero applicazioni di intelligenza artificiale distribuite su dispositivi lontani dai data center (il cloud) e più vicini ai consumatori (l'edge).

Potrebbe non sorprendere vedere gli algoritmi di fisica delle particelle riutilizzati nelle applicazioni di intelligenza artificiale, come le reti neurali sono state utilizzate, ad esempio, per trovare la particella del bosone di Higgs. L'analisi dei dati dell'acceleratore di particelle deve essere eseguita in loco anziché nel cloud, a causa dell'enorme volume di dati prodotti molto rapidamente.

CEVA ha aiutato il CERN a creare nuovi algoritmi di compressione che potranno essere utilizzati in esperimenti futuri e saranno in grado di integrare questa nuova tecnologia nei suoi prodotti.

"Grazie alla nostra collaborazione con il CERN, siamo riusciti a sviluppare un approccio innovativo che consente alle reti di funzionare fino a 15 volte più velocemente rispetto ai modelli di base a 16 bit.

Aumenta la velocità della rete e riduce il consumo energetico fino al 90%, mantenendo al contempo una precisione comparabile."

Olya Sirkin – Ricercatrice Senior di Deep Learning presso Ceva

Questo è solo uno dei progressi tecnologici di CEVA, azienda attiva nella connettività wireless, nei sensori (visione, audio, movimento) e negli algoritmi di reti neurali.

Fonte: CEVA

CEVA trae grande vantaggio dalla tendenza combinata della connettività 5G (incluso il 5G satellitare) e dell'IoT (Internet of Things) con soluzioni di intelligenza artificiale integrate, sia per applicazioni industriali che domestiche. È inoltre leader nelle soluzioni WiFi 6 e detiene una posizione di leadership nel WiFi 7.

Fonte: Rugiada

In quanto azienda di software e proprietà intellettuale, CEVA è molto nota tra gli ingegneri, ma spesso non viene presa in considerazione dagli investitori interessati ai settori IoT e 5G.

Può essere un'azienda interessante all'avanguardia del progresso tecnologico nell'elaborazione dei dati e nell'intelligenza artificiale avanzata, come dimostra la scelta del CERN di utilizzarla per contribuire ad alcune delle analisi di dati più complesse mai eseguite dall'umanità.

Ultime notizie e sviluppi sul titolo CEVA (CEVA).

Studio referenziato:

^{1Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby. Convertitore analogico-digitale (ADC) a 8 canali, 15 bit e 40 MSPS, resistente alle radiazioni, per la lettura del calorimetro ad argon liquido ATLAS. IEEE Explore. 28 Maggio 2025. Pp 180-199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904}

{
“@contesto”: “https://schema.org”,
“@tipo”: “Pagina FAQ”,
"Entità principale": [
{
“@tipo”: “Domanda”,
“nome”: “Perché l’elettronica a prova di radiazioni è importante per gli acceleratori di particelle?”,
"risposta accettata": {
"@tipo di risposta",
"testo": "L'elettronica a prova di radiazioni è essenziale per gli acceleratori di particelle come l'LHC del CERN, perché livelli elevati di radiazioni possono danneggiare i chip standard e distorcere i dati. I chip specializzati garantiscono prestazioni affidabili e misurazioni accurate in questi ambienti estremi."
}
},
{
“@tipo”: “Domanda”,
“nome”: “Cosa rende unico il chip ADC sviluppato dal CERN?”,
"risposta accettata": {
"@tipo di risposta",
"testo": "Il chip ADC sviluppato per il CERN è costruito utilizzando un processo CMOS a 65 nm noto per la sua resistenza alle radiazioni. Integra correzione degli errori, condensatori MiM e un'architettura personalizzata per resistere in ambienti ad alto livello di radiazioni per oltre un decennio."
}
},
{
“@tipo”: “Domanda”,
“nome”: “Quale ruolo svolge il CEVA negli esperimenti del CERN?”,
"risposta accettata": {
"@tipo di risposta",
"testo": "CEVA collabora con il CERN per ottimizzare l'intelligenza artificiale e gli algoritmi di compressione per l'elaborazione dei dati sulle particelle. Il loro contributo migliora l'efficienza energetica e la velocità di calcolo nell'analisi dei dati in tempo reale."
}
}
]
}