Computerchips wapenen tegen straling

"Toen ik in 2004 in Geel als docent begon, kwam de vraag van het Studiecentrum voor Kernenergie (SCK) in Mol om samen te werken", zegt professor Paul Leroux. "In toekomstige nucleaire fusiereactoren zullen robots werken die worden aangestuurd door operatoren in de controleruimte. De robots zijn uitgerust met sensoren, onder andere camera’s, zodat de operatoren kunnen meevolgen. Alle gegevens moeten uiteindelijk omgezet worden naar digitale data: daarvoor heb je chips nodig die hoge stralingsdosissen aankunnen."

Leroux begon onderzoek te doen naar de stralingseffecten op chips. "Mijn doctoraat ging over draadloze communicatie met chips, zoals gsm, gps en wifi, maar van stralingseffecten had ik geen kaas gegeten. Ik heb me dus moeten bijscholen op het vlak van stralingsfysica." Dat is blijkbaar wel goed gekomen, want vandaag telt de onderzoeksgroep Advise een twintigtal mensen en heeft ook professor Valentijn De Smedt zich bij de ploeg vervoegd.

Bij chips heeft straling – van röntgenstraling tot kosmische deeltjes – grosso modo twee effecten. Een chip kan geraakt worden door een deeltje, legt Leroux uit. "Eén deeltje kan de elektrische spanning en stromen in de chip al verstoren en zo de elektronische signalen beïnvloeden. Simpel gezegd: in de binaire code worden nulletjes eentjes en andersom. Zo krijg je foutieve informatie en uiteindelijk kan de chip crashen of zelfs doorbranden."

Sneller oud

Een tweede effect van straling is een snelle slijtage van de chip, vult De Smedt aan: "Een gewone computerchip zou een hoge dosis straling hoogstens een paar minuten overleven. Maar chips in een nucleaire reactor, in een deeltjesversneller of in de ruimte moeten jaren meegaan. Dus zoeken we continu naar betere technieken die ingrijpen op de architectuur van de chip, op specifieke controleschakelingen en op de lay-out van de elementaire componenten. Het komt erop aan om de chip zo te ontwerpen dat we compenseren voor de stralingseffecten en de werking continu bij te sturen."

In het RELYlab in Geel staan verschillende bakbeesten om nieuwe chips te testen. "Zoals het X-ray-bestralingstoestel: op een paar uren of dagen tijd bootst het jaren van bestraling in de ruimte of in een fusiereactor na", legt Leroux uit. "Zo kunnen we de veroudering van chips versneld bestuderen."
"Daarnaast hebben we een laseropstelling: met korte laserpulsen simuleren we kosmische deeltjes", zegt De Smedt. "We scannen elk stukje van een chip tot op 100 nanometer nauwkeurig. Zo weten we waar en wanneer de chip gevoelig is voor straling en welke effecten die heeft. Dat laat ons toe om het ontwerp te verbeteren."

De ruimte in

Het werk voor het SCK trok de aandacht van het Cern. Leroux: "Door de upgrades van de deeltjesversnellers krijgen ze daar ook te maken met hogere straling en zullen hun chips met dezelfde problemen kampen." Het team leverde een bijdrage tot de Large Hadron Collider, de deeltjesversneller die momenteel stilligt voor een upgrade. "Als die in 2021 weer begint te werken, zullen de metingen gebeuren met honderdduizenden chips die in Geel mee door postdoctoraal onderzoeker Jeffrey Prinzie ontworpen zijn."

Ook de ruimtevaart toont interesse. "We werken nu mee aan Radsaga, een Europees onderzoeksproject waarvoor we chips ontwerpen die bestand zijn tegen straling, maar ook chips die net heel gevoelig zijn en straling meten. Eén van onze ontwerpen voor zo’n stralingsmeter wordt waarschijnlijk volgend jaar in de ruimte gelanceerd en getest, in een kubusvormige minisatelliet die volgestouwd is met kleine experimenten. Spannend!"

Bron: Campuskrant KU Leuven