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抗辐射芯片为 CERN 加速器提供动力
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适用于高辐射环境的建筑电子设备
电子技术是过去几十年发明的几乎所有技术的核心。随着世界将越来越多的流程和数据数字化，这一事实日益凸显。
然而，在某些环境中，标准电子设备难以跟上，其中之一就是粒子加速器。
一方面，粒子加速器每秒产生数TB的数据，需要超高效的电子元件才能满足需求。另一方面，它们产生的辐射量往往会扰乱电子系统。
瑞士欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们就面临着这样的困境。CERN的大型强子对撞机（LHC）是世界上最大的粒子加速器，它会产生辐射，使得测量变得困难。
我们测试了标准的商用组件，它们都坏了。辐射太强了。我们意识到，如果想要一个能用的东西，就必须自己设计。
首款此类芯片于2017年研发，并于2022年在ATLAS实验中投入测试。ATLAS是迄今为止建造的最大的粒子探测器，长46米（150英尺），直径25米（82英尺）。
探测器包含超过100亿个灵敏的电子通道，用于记录碰撞产生的粒子。它包含许多子探测器，每个子探测器都发挥着独立的作用，可以同时探测光子、电子、μ介子、π介子等。
来源: ATLAS
第二款芯片，即数据采集ADC，最近已通过最终测试，并已全面投入生产。其完整描述已在最近发表的一篇论文中描述。1 在 IEEE Explore 期刊上发表，标题为“用于 ATLAS 液氩量热仪读数的抗辐射 8 通道 15 位 40 MSPS ADC“。
辐射如何影响电子产品
自电子技术诞生以来，人们就知道辐射容易损坏电子元件和/或使其发出错误的数据。
辐射可能产生许多影响，其中最严重的影响可以快速列出：
- 晶体管电压的变化，导致数据错误或晶体管彻底损坏。
- 翻转内存组件中的各个位（0 和 1）。
- 集成电路的电气或热烧毁。
- 光学探测器和光发射器的损坏可能会立即摧毁它们或缩短它们的使用寿命。
在高辐射环境中，例如太空、医疗加速器（放射疗法、放射照相术）或核设施，这是一个严重的问题。
解决这个问题的一个选择就是使用足够的屏蔽，将电子部件放在保护层后面，保护层通常是水或铅等重元素，具体取决于辐射的类型。
另一个选择是冗余和纠错。如果一个组件有多个副本，或者一个程序运行多次，那么只有一个副本中的错误会被检测到，随后会被忽略。
最后一种选择是构建天然抗辐射的电子系统，这对于必须直接暴露在辐射下的电子系统（如粒子加速器的探测器）来说是唯一的选择。
| 辐射效应 | 描述 | 冲击 |
|---|---|---|
| 电压阈值偏移 | 辐射改变晶体管的行为 | 导致逻辑错误或组件故障 |
| 单粒子翻转（SEU） | 内存或逻辑电路中的位翻转 | 可能损坏数据或使系统崩溃 |
| 闩锁 | 带电粒子引起的短路 | 可能会永久损坏芯片 |
| 总电离剂量 (TID) | 因辐射暴露而逐渐退化 | 缩短设备的使用寿命 |
建筑防辐射电子设备
商业可行性
欧洲核子研究中心的工程师和科学家面临的问题是现成的组件根本无法承受加速器内部的恶劣条件。
同时，抗辐射电路市场太小，无法吸引商业芯片制造商的投资。
“开发最先进的仪器对我们的成功至关重要。工业界无法证明这项努力的合理性，因此学术界必须介入。”
在这个特定案例中，研究人员需要开发模数转换器 (ADC)。这些设备的任务是捕捉 CERN 探测器内部粒子碰撞产生的电信号，并将其转换成研究人员可以分析的数字数据。
这是通过一种称为液氩量热仪的设备完成的，该设备将粒子碰撞转换成电子信号。
哥伦比亚的 ADC 芯片将这些精细的模拟信号转换为精确的数字测量值，捕捉现有组件无法可靠记录的细节。
苛刻的条件
研究人员精心选择和调整了组件的尺寸，并安排了电路架构和布局，以最大限度地减少辐射损害，因为辐射屏蔽在粒子探测器中是不现实的。
不仅如此，他们还必须考虑到，有问题的电子板在运行期间无法访问，并且每年最多可以进行一次维护。
这些组件在 12 年的使用寿命内所经受的辐射水平与地球静止轨道卫星通常遇到的辐射水平相同。
暂时的错误可以容忍，但永久性的损害是不可接受的，因为它会阻碍所有需要 ATLAS 的研究项目的工作。
重复使用成熟的半导体制造技术
重新发明如何生产半导体并不是在合理的预算和时间范围内制造有用设备的可行途径。
因此，研究人员采用了经欧洲核子研究中心验证的抗辐射商用半导体工艺，并应用了创新的电路级技术。
这方面的一个关键决定是依靠较老的、经过试验和测试的光刻方法，使用商用三阱 65 纳米 CMOS 工艺来生产 ASIC 定制芯片（专用集成电路）。
众所周知，65 纳米工艺具有固有的抗辐射能力。
另一个设计选择是尽量减少芯片上不直接存在的组件，通过集成芯片的内部时钟、存储器等来降低出错的风险。
来源: IEEE探索
然而，校准计算是在芯片外完成的，以防止计算中因辐射引起的错误产生错误的数据。
他们还研究了电容器，因为辐射的电离效应会导致电容器过度充电。
金属-绝缘体-金属 (MiM) 电容器自然比传统的金属-氧化物-金属 (MoM) 电容器薄 30 到 80 倍，同时尺寸也只有后者的一半，从而减少了可能受到辐射和高能粒子撞击的表面。
来源: IEEE探索
最终芯片设计和测试
最终的芯片是专门针对抗辐射而设计的电子设计，而不是像商业产品那样具有高速、易于制造或增强性能的特点。
总共有 45,617 个这样的芯片将用于 ATLAS 探测器。
来源: IEEE探索
对 18 台设备的模拟性能进行了表征；进一步验证了长期模拟精度并进行了广泛的辐射测试活动。
结果表明，该芯片在ATLAS探测器环境下性能表现良好。
然而，无论防护措施如何，这种程度的辐射都会在任何电子系统中引发一些错误和问题。因此，研究人员构建了能够自动实时检测和纠正错误的数字系统。
更棘手的双位和三位错误可以通过定期读取所有内存寄存器并将其与初始编程进行比较来检测。发生此类双位和三位错误时进行的任何测量也将被丢弃。
结语
该研究项目将能够对 LHC 产生的高能粒子进行高级分析。
它也将成为加速器重大升级的重要组成部分 “高亮度大型强子对撞机” (HL–LHC)，旨在将 LHC 的亮度提高 10 倍的升级。
例如，高亮度大型强子对撞机每年将产生至少 15 万个希格斯玻色子，而 2017 年大型强子对撞机产生的希格斯玻色子约为 XNUMX 万个。
来源: 欧洲核子研究中心
CERN 的后续项目，例如 未来环形对撞机（FFC）的首次实验将于 2040 年代中期开始，也将需要类似甚至更先进的防辐射电子设备。
最后，这类由基础物理学学术预算资助的项目可以启发商业版的防辐射电子产品。
随着人类寻求探索深空，包括潜在的永久月球和火星基地，或小行星采矿，更耐用和防辐射的电子设备将非常有用。
投资先进传感器
CEVA
(CEVA )
CEVA 是一家传感器公司，也是欧洲核子研究中心 (CERN) 的合作伙伴，利用该机构的算法来提高其传感器的效率和功耗。CEVA 的解决方案和 IP（200 项专利）已集成到 18 亿台设备中。
该公司的解决方案被全球许多领先的电子品牌所采用。
来源: CEVA
CEVA 与 CERN 合作的主要应用是“边缘 AI”，即部署在远离数据中心（云端）且更靠近消费者（边缘）的设备上人工智能应用程序。
粒子物理算法在人工智能应用中被重复使用可能并不奇怪，因为神经网络曾被用于发现希格斯玻色子粒子。由于粒子加速器产生的数据量巨大，因此需要在现场而不是在云端进行分析。
CEVA 帮助 CERN 创建了可用于未来实验的新型压缩算法，并能够将这项新技术集成到其产品中。
“感谢与 CERN 的合作，我们能够开发出一种创新方法，使网络运行速度比 15 位基线模型快 16 倍。
它可以提高网络速度，降低高达 90% 的能耗，同时保持相当的准确度。”
这只是 CEVA 的技术进步之一，该公司活跃于无线连接、传感器（视觉、音频、运动）和神经网络算法领域。
来源: CEVA
CEVA 极大地受益于 5G 连接（包括卫星 5G）和物联网 (IoT) 与嵌入式 AI 解决方案的结合趋势，无论是工业解决方案还是家庭解决方案。它也是 WiFi 6 解决方案的领导者，并在 WiFi 7 领域占据领先地位。
来源: 瑞杰
CEVA 作为一家软件和 IP 公司，在工程师中享有盛誉，但经常被对物联网和 5G 领域感兴趣的投资者忽视。
它可能是一家处于数据处理和边缘人工智能技术进步前沿的有趣公司，正如欧洲核子研究中心选择它来帮助完成人类有史以来最复杂的一些数据分析一样。
最新 CEVA (CEVA) 股票新闻和动态
参考研究：
1。Rui Xu; Jaroslav Bán; Sarthak Kalani; Chen-Kai Hsu; Subhajit Ray; Brian Kirby。用于 ATLAS 液氩量热仪读数的抗辐射 8 通道 15 位 40 MSPS ADC。IEEE Explore。 28日 2025月 XNUMX年。 pp 180年– 199年 DOI:10.1109/OJSSSCS.2025.3573904
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