Building electronics that don’t die: Columbia's breakthrough at CERN

这些碰撞会产生海量数据——其产生的辐射量足以扰乱几乎所有电子设备内部的比特流和逻辑运算。

这给欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家们带来了挑战，他们正试图更深入地探索希格斯玻色子及其他基本粒子的奥秘。市售电子元件根本无法在加速器内部的极端环境中存活，而抗辐射电路的市场规模太小，难以吸引商业芯片制造商的投入。

"企业无法为此投入资源，学术界必须挺身而出，"哥伦比亚大学工程学院Bernard J. Lechner讲席教授、电气工程系主任Peter Kinget表示，"LHC（大型强子对撞机）的下一个重大发现将由哥伦比亚大学设计的一枚芯片触发，并由另一枚芯片完成测量。"

Kinget领导的团队设计了能在粒子物理学最严苛且最关键环境中采集数据的专用硅芯片。他们最新描述该项目的论文发表于7月1日的《IEEE固态电路学会开放期刊》。

"物理学家与工程师的这种协作对于提升宇宙基础问题的探索能力至关重要，"哥伦比亚大学物理系教授、ATLAS探测器哥伦比亚团队负责人John Parsons表示。ATLAS是LHC巨型探测装置之一，"开发尖端仪器是我们成功的关键。"

抗辐射电路

该团队设计的装置称为模数转换器（ADC），其任务是捕捉CERN探测器内部粒子碰撞产生的电信号，并将其转换为研究人员可分析的数字化数据。

在ATLAS探测器中，粒子碰撞产生的电脉冲通过液态氩热量计进行测量。这个装满超低温氩气的巨型容器能捕获每个穿过粒子的电子轨迹。哥伦比亚大学的ADC芯片将这些精密模拟信号转换为精确数字测量，其捕捉的细节是现有元件无法可靠记录的。

"我们测试过市售标准元件，它们根本无法工作。辐射强度太高了，"哥伦比亚大学工程学院博士生Rui (Ray) Xu说。他从德州大学本科阶段就参与该项目，"我们意识到想要可用的设备，必须自主设计。"

打造"高精度"可靠性

团队没有创造全新制造工艺，而是采用经CERN验证具有抗辐射能力的商用半导体制程，并运用创新电路级技术。他们精心选配元件规格，优化电路架构与布局以最小化辐射损伤，还构建了能实时检测纠正错误的数字系统。最终设计可在LHC异常严苛的环境中稳定工作十余年。

两款哥伦比亚设计的ADC芯片将集成至ATLAS实验升级电子系统中。其中触发ADC芯片已在CERN投入运行，该芯片2017年完成设计、2022年通过验证，能使触发系统每秒筛选约10亿次碰撞，即时选择最具科研价值的事件记录，充当决定哪些现象值得深入研究的数字守门人。

另一款数据采集ADC芯片近期通过最终测试，现已进入量产阶段。今年早些时候发表于IEEE论文的该芯片将随LHC下次升级安装，可高精度数字化选定信号，帮助物理学家研究诸如希格斯玻色子等现象——2012年CERN发现该粒子引发全球关注并赢得2013年诺贝尔物理学奖，但其精确特性仍存在诸多未解之谜。

两款芯片都体现了基础物理学家与工程师的直接协作。

"作为工程师能如此直接地推动基础科学发展，正是这个项目的独特之处，"Xu表示。

该项目还促成了跨机构合作机遇。芯片由哥伦比亚大学与德州大学奥斯汀分校的电气工程师联合设计，并与哥伦比亚大学Nevis实验室及德州大学奥斯汀分校的物理学家紧密协作完成。

在美国国家科学基金会和能源部资助下，哥伦比亚大学的芯片在由Nevis实验室部分协调的国际合作中扮演核心角色。随着CERN研究推进，这些芯片将支撑数据采集系统，帮助物理学家突破现有认知边界探索新现象。