Большой адронный коллайдер (БАК) — это серьёзное испытание для электроники. Расположенный в туннеле длиной 17 миль под границей между Швейцарией и Францией, этот гигантский научный инструмент разгоняет частицы до скорости, близкой к световой, а затем сталкивает их. Столкновения порождают крошечные водовороты частиц и энергии, которые намекают на ответы на фундаментальные вопросы о строительных блоках материи.
Эти столкновения производят огромное количество данных — и достаточно радиации, чтобы нарушить работу битов и логики практически в любом электронном оборудовании. Это ставит перед физиками ЦЕРН задачу — исследовать тайны бозона Хиггса и других фундаментальных частиц. Стандартные компоненты не выдерживают суровых условий внутри ускорителя, а рынок радиационно-устойчивых схем слишком мал, чтобы заинтересовать коммерческие производители микросхем.
«Промышленность просто не могла оправдать затраченные усилия, поэтому пришлось вмешаться академическим кругам», — говорит Питер Кингет, профессор электротехники имени Бернарда Дж. Лехнера в Колумбийском университете. «Следующие открытия, сделанные с помощью БАК, будут инициированы одним чипом Columbia и измерены другим».
Команда Кингета разработала специализированные кремниевые чипы, которые собирают данные в одной из самых суровых и важных сред в физике элементарных частиц. Их последняя статья, описывающая этот проект, была опубликована 1 июля в IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society.
«Подобные сотрудничества между физиками и инженерами очень важны для продвижения наших возможностей в исследовании фундаментальных вопросов о Вселенной», — говорит Джон Парсонс, профессор физики в Колумбийском университете и руководитель группы Колумбийского университета, работающей над детектором ATLAS, одним из массивных инструментов БАК. «Разработка современного оборудования имеет решающее значение для нашего успеха».
Устройства, разработанные командой, называются аналого-цифровыми преобразователями, или АЦП. Их задача — фиксировать электрические сигналы, возникающие при столкновениях частиц внутри детекторов ЦЕРН, и переводить их в цифровые данные, которые исследователи могут анализировать.
В детекторе ATLAS электрические импульсы, генерируемые при столкновениях частиц, измеряются с помощью устройства, называемого жидким аргоновым калориметром. Этот огромный сосуд с ультрахолодным аргоном фиксирует электронный след каждой частицы, которая проходит через него. Чипы АЦП Columbia преобразуют эти деликатные аналоговые сигналы в точные цифровые измерения, фиксируя детали, которые ни один существующий компонент не мог бы надёжно записать.
«Мы тестировали стандартные коммерческие компоненты, и они просто вышли из строя. Радиация была слишком интенсивной», — говорит Руи (Рэй) Сюй, доктор философии в области электротехники в Колумбийском университете, который работал над проектом ещё будучи студентом бакалавриата в Техасском университете. «Мы поняли, что если мы хотим, чтобы что-то работало, нам придётся разработать это самим».
Вместо создания совершенно новых методов производства команда использовала коммерческие полупроводниковые процессы, проверенные ЦЕРН на радиационную стойкость, и применила инновационные методы на уровне схем. Они тщательно выбирали и подбирали компоненты, а также разработали схемы и компоновку, чтобы минимизировать радиационное повреждение, и создали цифровые системы, которые автоматически обнаруживают и исправляют ошибки в реальном времени. Их конструкция достаточно устойчива, чтобы выдерживать необычно суровые условия в БАК более десяти лет.
Два АЦП-чипа, разработанные в Колумбийском университете, будут интегрированы в модернизированную электронику эксперимента ATLAS. Первый, называемый триггерным АЦП, уже работает в ЦЕРН. Этот чип, первоначально описанный в 2017 году и подтверждённый в 2022 году, позволяет системе запуска фильтровать около миллиарда столкновений каждую секунду и мгновенно выбирать только наиболее перспективные с научной точки зрения события для записи. Он служит цифровым привратником, решающим, что заслуживает более глубокого изучения.
Второй чип, АЦП сбора данных, недавно прошёл окончательные испытания и сейчас находится в полном производстве. Чип, описанный в статье IEEE ранее в этом году, будет установлен в рамках следующей модернизации БАК. Он будет очень точно оцифровывать выбранные сигналы, позволяя физикам исследовать такие явления, как бозон Хиггса, открытие которого в ЦЕРН стало заголовком в 2012 году и привело к Нобелевской премии по физике в 2013 году, но точные свойства которого всё ещё остаются загадкой.
Оба чипа представляют собой прямое сотрудничество между фундаментальными физиками и инженерами. «Возможность как инженеру внести столь непосредственный вклад в фундаментальную науку — вот что делает этот проект особенным», — сказал Сюй.
Это также создало возможности для сотрудничества между несколькими учреждениями. Чипы были разработаны инженерами-электриками в Колумбийском университете и в Техасском университете в Остине в тесном сотрудничестве с физиками в Колумбийских лабораториях Nevis и в Техасском университете в Остине.
Чипы Columbia играют центральную роль в более широком международном сотрудничестве, координируемом частично Колумбийскими лабораториями Nevis. По мере продвижения исследований в ЦЕРН компоненты, разработанные в Колумбии, будут способствовать созданию систем сбора данных, которые помогут физикам анализировать явления, выходящие за рамки текущих границ знаний.
harsh conditions inside the accelerator, and the market for radiation-resistant circuits is too small to entice investment from commercial chip manufacturers.”,”\”Industry just couldn’t justify the effort, so academia had to step in,\” according to Peter Kinget, the Bernard J. Lechner Professor of Electrical Engineering at Columbia Engineering. \”The next discoveries made with the LHC will be triggered by one Columbia chip and measured by another.\””,”Kinget leads the team that designed specialized silicon chips that collect data in one of the harshest and most important environments in particle physics. Their most recent paper describing this project was published July 1 in the IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society.“,”\”These sort of collaborations between physicists and engineers are very important to advancing our ability to explore fundamental questions about the universe,\” according to John Parsons, professor of physics at Columbia University and leader of the Columbia team working on the ATLAS detector, one of the LHC’s massive instruments. \”Developing state-of-the-art instrumentation is crucial to our success.\””,”The devices the team designed are called analog-to-digital converters, or ADCs. Their task is capturing electrical signals produced by particle collisions inside CERN’s detectors and translating them into digital data that researchers can analyze.”,”In the ATLAS detector, the electrical pulses generated by particle collisions are measured using a device called a liquid argon calorimeter. This enormous vat of ultra-cold argon captures an electronic trace of every particle that passes through. Columbia’s ADC chips convert these delicate analog signals into precise digital measurements, capturing details that no existing component could reliably record.”,”\”We tested standard, commercial components, and they just died. The radiation was too intense,\” says Rui (Ray) Xu, a Columbia Engineering Ph.D. student who has worked on the project since he was an undergraduate at the University of Texas. \”We realized that if we wanted something that worked, we’d have to design it ourselves.\””,”Instead of creating entirely new manufacturing methods, the team used commercial semiconductor processes validated by CERN for radiation resistance and applied innovative circuit-level techniques. They carefully chose and sized components and arranged circuit architectures and layouts to minimize radiation damage and built digital systems that automatically detect and correct errors in real time. Their resulting design is resilient enough to withstand the unusually severe conditions at LHC for more than a decade.”,”Two Columbia-designed ADC chips are expected to be integrated into the ATLAS experiment’s upgraded electronics. The first, called the trigger ADC, is already operating at CERN. This chip, initially described in 2017 and validated in 2022, enables the trigger system to filter about a billion collisions each second and to instantly select only the most scientifically promising events to record. It serves as a digital gatekeeper deciding what merits deeper investigation.”,”The second chip, the data acquisition ADC, recently passed its final tests and is now in full production. The chip, which was described in an IEEE paper earlier this year, will be installed as part of the next LHC upgrade. It will very precisely digitize the selected signals, enabling physicists to explore phenomena like the Higgs boson, whose discovery at CERN made headlines in 2012 and led to the Nobel Prize in physics in 2013, but whose exact properties still hold mysteries.”,”Both chips represent the kind of direct collaboration between fundamental physicists and engineers.”,”\”The opportunity as an engineer to contribute so directly to fundamental science, is what makes this project special,\” Xu said.”,”It further created opportunities to collaborate across multiple institutions. The chips were designed by electrical engineers at Columbia and at the University of Texas, Austin, in close collaboration with physicists at Columbia’s Nevis Laboratories and the University of Texas, Austin.”,”Columbia’s chips play a central role in a broader international collaboration coordinated in part by Columbia’s Nevis Laboratories. As research at CERN advances, Columbia-designed components will contribute to data acquisition systems that support physicists in analyzing phenomena beyond the current limits of knowledge.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tColumbia University School of Engineering and Applied Science\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник