електроніка
Радіаційно-стійкі чіпи живлять прискорювачі ЦЕРНу
Securities.io дотримується суворих редакційних стандартів і може отримувати винагороду за перевірені посилання. Ми не є зареєстрованим інвестиційним консультантом, і це не є інвестиційною порадою. Будь ласка, перегляньте наші розкриття партнерів.
Створення електроніки для середовищ з високим рівнем радіації
Електроніка є основою майже будь-якої технології, винайденої за останні десятиліття. Оскільки світ оцифровує дедалі більше процесів і даних, це стає дедалі актуальнішим з кожним днем.
Однак у деяких середовищах стандартна електроніка ледве справляється з усіма цими процесами. Одним із них є прискорювачі частинок.
З одного боку, прискорювачі частинок генерують так багато терабайтів даних на секунду, що для їхньої роботи потрібні надефективні електронні компоненти. З іншого боку, кількість випромінювання, яке вони генерують, має тенденцію порушувати роботу електронних систем.
Вчені з ЦЕРНу у Швейцарії зіткнулися з цією дилемою. На прискорювачі частинок ВАК у ЦЕРНі, найбільшому у світі, випромінювалося випромінювання, що ускладнювало вимірювання.
«Ми випробували стандартні, комерційні компоненти, і вони просто вийшли з ладу. Радіація була надто інтенсивною. Ми зрозуміли, що якщо ми хочемо щось, що працює, нам доведеться розробляти це самостійно».
Руї (Рей) Сюй, аспірант інженерного факультету Колумбійського університету
Перший чіп такого типу був розроблений у 2017 році та випробуваний у 2022 році для експериментів ATLAS. ATLAS – найбільший детектор частинок, коли-небудь створений, його довжина становить 46 метрів (150 футів), а діаметр – 25 метрів (82 фути).
Детектори містять понад 100 мільйонів чутливих електронних каналів для реєстрації частинок, що утворюються внаслідок зіткнень. Вони містять багато субдетекторів, кожен з яких відіграє окрему роль, для одночасного виявлення фотонів, електронів, мюонів, піонів тощо.
джерело: ATLAS
Другий чіп, АЦП збору даних, нещодавно пройшов свої фінальні випробування та зараз повністю запущено у виробництво. Його повний опис наведено в нещодавно опублікованій статті.1 у журналі IEEE Explore під назвою «Радіаційно стійкий 8-канальний 15-бітний АЦП зі швидкістю 40 MSPS для зчитування рідкоаргонового калориметра ATLAS".
Як радіація впливає на електроніку
З часів появи електроніки було відомо, що радіація має тенденцію пошкоджувати електронні компоненти та/або змушувати їх видавати неправильні дані.
Серед багатьох наслідків, які може мати радіація, можна швидко перерахувати найпроблематичніші:
- Зміна напруги на транзисторах, що призводить до помилкових даних або повного руйнування транзисторів.
- Перетворення окремих бітів (0 та 1) у компонентах пам'яті.
- Електричне або термічне вигорання інтегральних схем.
- Пошкодження оптичних детекторів та випромінювачів світла може або негайно знищити їх, або скоротити термін їхньої служби.
Це серйозна проблема в середовищах з високим рівнем радіації, таких як космос, медичні прискорювачі (променева терапія, радіографія) або ядерні установки.
Один із варіантів вирішення проблеми — просто використовувати достатнє екранування, розміщуючи електронну частину за захисним шаром, зазвичай водою або важким елементом, таким як свинець, залежно від типу випромінювання.
Іншим варіантом є резервування та виправлення помилок. Якщо компонент існує в кількох копіях або програма виконується кілька разів, помилку лише в одній з них можна виявити та згодом проігнорувати.
Останній варіант — створити електронні системи, які є природним чином стійкими до радіації, що є єдиним варіантом для електронних систем, які повинні безпосередньо піддаватися впливу радіації, таких як детектори прискорювача частинок.
| Радіаційний ефект | Опис | Impact |
|---|---|---|
| Зміщення порогу напруги | Випромінювання змінює поведінку транзисторів | Викликає логічні помилки або збій компонентів |
| Поодинокі невдалі події (SEU) | Перемикання бітів у пам'яті або логічних схемах | Може пошкодити дані або призвести до збою системи |
| Засувка | Коротке замикання, викликане зарядженими частинками | Може безповоротно пошкодити чіпи |
| Загальна іонізуюча доза (TID) | Поступова деградація від радіаційного впливу | Зменшує термін служби пристроїв |
Створення радіаційно-стійкої електроніки
Комерційна життєздатність
Проблема, з якою зіткнулися інженери та вчені ЦЕРНу, полягає в тому, що готові компоненти просто не можуть витримати суворих умов всередині прискорювача.
Водночас ринок радіаційно-стійких схем занадто малий, щоб залучити інвестиції від комерційних виробників мікросхем.
«Розробка найсучаснішого обладнання має вирішальне значення для нашого успіху. Промисловість просто не могла виправдати ці зусилля, тому академічні кола мусили втрутитися».
У цьому конкретному випадку дослідникам потрібно було розробити аналого-цифрові перетворювачі (АЦП). Завданням цих пристроїв є захоплення електричних сигналів, що утворюються внаслідок зіткнень частинок усередині детекторів ЦЕРНу, та перетворення їх у цифрові дані, які дослідники можуть аналізувати.
Це робиться за допомогою пристрою, який називається калориметром на рідкому аргоні, що перетворює зіткнення частинок на електронний сигнал.
Мікросхеми АЦП компанії Columbia перетворюють ці чутливі аналогові сигнали на точні цифрові вимірювання, фіксуючи деталі, які жоден існуючий компонент не міг би надійно записати.
Вимогливі умови
Дослідники ретельно вибрали та підібрали розміри компонентів, а також розташували архітектуру та компонування схем, щоб мінімізувати радіаційне пошкодження, оскільки радіаційний екран нереалістичний у детекторі частинок.
Не тільки це, але вони мали врахувати, що відповідні електронні плати недоступні під час роботи та доступ до них для технічного обслуговування можливий не частіше одного разу на рік.
Рівні радіації, які компоненти зазнають протягом 12-річного терміну експлуатації, зазвичай характерні для супутників на геостаціонарній орбіті.
Тимчасові помилки можна терпіти, але постійні пошкодження не можна прийняти, оскільки це перешкоджатиме роботі всіх дослідницьких проектів, що потребують ATLAS.
Повторне використання перевірених методів виробництва напівпровідників
Переосмислення способу виробництва напівпровідників не було життєздатним шляхом для створення корисного пристрою в межах розумного бюджету та термінів.
Тож дослідники використовували комерційні напівпровідникові процеси, перевірені ЦЕРНом на стійкість до випромінювання, та застосували інноваційні методи на рівні схем.
Ключовим рішенням у цьому відношенні було використання старих, перевірених методів літографії з використанням комерційного 65-нм КМОП-процесу з трьома лунками для виробництва спеціалізованої мікросхеми ASIC (інтегральна схема спеціального призначення).
Відомо, що цей 65-нм процес за своєю суттю є радіаційно стійким.
Іншим рішенням у дизайні було мінімізувати компоненти, які не присутні безпосередньо на кристалі, зменшуючи ризик помилок шляхом інтеграції внутрішніх годинників, пам'яті тощо кристала.
джерело: IEEE Explore
Однак калібрувальні розрахунки виконуються поза кристалом, щоб запобігти помилкам, спричиненим випромінюванням, які можуть призвести до помилкових даних.
Вони також розглянули конденсатори, які можуть перезаряджатися внаслідок іонізуючого впливу випромінювання.
Конденсатори типу метал-ізолятор-метал (MiM) природно в 30-80 разів тонші, ніж більш звичайні метал-оксид-метал (MoM), а також мають вдвічі менший розмір, що зменшує поверхню, на яку потенційно може впливати випромінювання та високоенергетичні частинки.
джерело: IEEE Explore
Остаточний дизайн та тестування мікросхеми
Остаточний чіп — це електронна конструкція, спеціально розроблена для оптимального захисту від радіації, на відміну від комерційних продуктів, що вирізняються високою швидкістю, простотою виготовлення або підвищеною продуктивністю.
Загалом у детекторі ATLAS буде використано 45,617 XNUMX таких мікросхем.
джерело: IEEE Explore
Вісімнадцять пристроїв було охарактеризовано на предмет аналогової продуктивності; було проведено подальшу перевірку довгострокової точності аналогових сигналів та масштабну кампанію з радіаційних випробувань.
Усі результати показали, що чіпи добре працюватимуть в середовищі детектора ATLAS.
Однак, незалежно від того, наскільки захищені ці рівні випромінювання, вони спричинятимуть певні помилки та проблеми в будь-яких електронних системах. Тож дослідники створили цифрові системи, які автоматично виявляють та виправляють помилки в режимі реального часу.
Подвійні та потрійні помилки, які є більш проблематичними, виявляються шляхом періодичного зчитування всіх регістрів пам'яті та порівняння їх з початковим програмуванням. Будь-які вимірювання, виконані під час виникнення таких подвійних та потрійних помилок, також відкидаються.
Висновок
Цей дослідницький проєкт дозволить провести поглиблений аналіз високоенергетичних частинок, що генеруються ВАК.
Це також буде життєво важливим компонентом значної модернізації прискорювача. «ВАК високої світності» (HL–ВАК), оновлення, призначене для збільшення світності ВАК у 10 разів.
Наприклад, ВАК високої світності вироблятиме щонайменше 15 мільйонів бозонів Хіггса на рік, порівняно з приблизно трьома мільйонами на ВАК у 2017 році.
джерело: CERN
Цілком ймовірно, що пізніші проекти ЦЕРНу, такі як Майбутній круговий колайдер (FFC), перші експерименти з яких розпочнуться в середині 2040-х років, також вимагатимуть аналогічної або навіть більш досконалої радіаційно-стійкої електроніки.
Зрештою, такого роду проекти, що фінансуються з академічних бюджетів у галузі фундаментальної фізики, можуть стати натхненням для комерційної версії радіаційно-стійкої електроніки.
Оскільки людство прагне досліджувати глибокий космос, включаючи потенційно постійні місячні та марсіанські бази, або видобуток корисних копалин на астероїдах, більш міцна та радіаційно стійка електроніка буде дуже корисною.
Інвестування в передові датчики
CEVA
(CEVA )
CEVA — це компанія з виробництва датчиків, яка є партнером CERN, використовуючи алгоритм установи для підвищення ефективності та енергоспоживання своїх датчиків. Рішення та інтелектуальна власність CEVA (200 патентів) інтегровані у 18 мільярдів пристроїв.
Рішення компанії використовуються багатьма провідними брендами електронної продукції по всьому світу.
джерело: CEVA
Основним додатком співпраці між CEVA та CERN є «Edge AI», або програми штучного інтелекту, розгорнуті на пристроях, розташованих подалі від центрів обробки даних (хмара) і ближче до споживачів (край).
Можливо, не дивно побачити повторне використання алгоритмів фізики елементарних частинок у додатках ШІ, оскільки нейронні мережі, наприклад, використовувалися для пошуку частинки бозона Хіггса. Аналіз даних прискорювача елементарних частинок потрібно проводити на місці, а не в хмарі, оскільки величезний обсяг даних створюється дуже швидко.
CEVA допомогла ЦЕРНу створити нові алгоритми стиснення, які можна буде використовувати в майбутніх експериментах, і зможе інтегрувати цю нову технологію у свої продукти.
«Завдяки нашій співпраці з ЦЕРНом ми змогли розробити інноваційний підхід, який дозволяє мережам працювати до 15 разів швидше порівняно з 16-бітними базовими моделями».
Це підвищує швидкість мережі та зменшує споживання енергії до 90%, зберігаючи при цьому порівнянну точність.
Це лише один із технологічних досягнень CEVA, адже компанія активно займається бездротовим зв'язком, датчиками (зору, аудіо, руху) та алгоритмами нейронних мереж.
джерело: CEVA
CEVA отримує значні переваги від поєднання тенденції зв'язку 5G (включаючи супутниковий 5G) та Інтернету речей (IoT) з вбудованими рішеннями штучного інтелекту, як для промислових, так і для домашніх потреб. Вона також є лідером у рішеннях WiFi 6 та займає лідируючі позиції у WiFi 7.
джерело: Ruije
Як компанія-розробник програмного забезпечення та інтелектуальної власності, CEVA добре відома серед інженерів і часто залишається непоміченою інвесторами, зацікавленими в секторах Інтернету речей та 5G.
Це може бути цікава компанія, яка знаходиться на самому передовій технологічного прогресу в обробці даних та передовому штучному інтелекті, що підтверджується вибором ЦЕРНом її для допомоги в деяких найскладніших аналізах даних, коли-небудь виконаних людством.
Останні новини та події CEVA (CEVA).
Посилання на дослідження:
1Руї Сюй; Ярослав Бан; Сартхак Калані; Чен-Кай Сюй; Субхаджіт Рей; Браян Кірбі. Радіаційно-стійкий 8-канальний 15-бітний АЦП зі швидкістю 40 MSPS для зчитування рідкоаргонового калориметра ATLAS. IEEE Explore. травня 28 року. сp 180 - 199 DOI:10.1109/OJSSCS.2025.3573904
{
"@context": "https://schema.org",
“@type”: “Сторінка поширених запитань”,
“mainEntity”: [
{
“@type”: “Питання”,
«назва»: «Чому радіаційно-стійка електроніка важлива для прискорювачів частинок?»,
“acceptedAnswer”: {
“@type”: “Відповідь”,
«текст»: «Радіаційно-стійка електроніка є важливою для прискорювачів частинок, таких як ВАК ЦЕРНу, оскільки високий рівень радіації може пошкодити стандартні мікросхеми та спотворити дані. Спеціалізовані мікросхеми забезпечують надійну роботу та точні вимірювання в цих екстремальних умовах».
}
},
{
“@type”: “Питання”,
«назва»: «Що робить унікальним чіп АЦП, розроблений ЦЕРНом?»,
“acceptedAnswer”: {
“@type”: “Відповідь”,
«текст»: «Чіп АЦП, розроблений для ЦЕРНу, побудований за 65-нм КМОП-процесом, відомим своєю радіаційною стійкістю. Він інтегрує корекцію помилок, конденсатори MiM та спеціальну архітектуру, щоб вижити в середовищах з високим рівнем радіації протягом понад десяти років».
}
},
{
“@type”: “Питання”,
«назва»: «Яку роль відіграє CEVA в експериментах ЦЕРНу?»,
“acceptedAnswer”: {
“@type”: “Відповідь”,
«текст»: «CEVA співпрацює з CERN для оптимізації граничного штучного інтелекту та алгоритмів стиснення для обробки даних про частинки. Їхній внесок підвищує енергоефективність та швидкість обчислень під час аналізу даних у режимі реального часу».
}
}
]
}
