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

这些碰撞产生海量数据——以及足以扰乱几乎任何电子设备内部比特位和逻辑电路的辐射。

这给欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家们带来了挑战，因为他们试图更深入地探索希格斯玻色子及其他基本粒子的奥秘。市售的标准组件根本无法在加速器内部的严苛环境中存活，而抗辐射电路的市场规模太小，不足以吸引商业芯片制造商的投入。

“工业界根本无力承担这项研发，因此学术界必须介入，” 哥伦比亚大学工程学院电气工程系Bernard J. Lechner讲席教授Peter Kinget表示，“大型强子对撞机（LHC）的下一个重大发现，将由一枚哥伦比亚设计的芯片触发，并由另一枚芯片完成测量。”

Kinget带领团队设计了专用硅芯片，用于在粒子物理学最严苛且最重要的环境之一采集数据。他们描述该项目的最新论文发表于7月1日的IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society。

“物理学家与工程师之间的这类合作，对于提升我们探索宇宙基本问题的能力至关重要，” 哥伦比亚大学物理学教授、参与大型强子对撞机ATLAS探测器项目的哥伦比亚团队负责人John Parsons表示，“开发尖端仪器设备是我们成功的关键。”

抗辐射电路

该团队设计的器件称为模数转换器（ADC）。其任务是捕获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名为液态氩热量计的装置进行测量。这个盛有超低温氩的巨大容器能捕获每个穿透粒子的电子轨迹。哥伦比亚大学的ADC芯片将这些精密的模拟信号转换为精确的数字化测量值，捕捉现有器件无法可靠记录的细节。

“我们测试了标准商用元件，它们完全失效了。辐射强度实在太高，” 自德克萨斯大学奥斯汀分校本科阶段就参与该项目的哥伦比亚工程学院博士生Rui (Ray) Xu表示，“我们意识到，若想获得可用方案，必须自主设计。”

设计“高精度”可靠性

该团队并未创建全新制造工艺，而是采用经CERN验证具备抗辐射能力的商用半导体制程，并应用创新的电路级技术。他们精心选择和确定元件尺寸，优化电路架构与布局以最小化辐射损伤，并构建能实时自动检测和纠正错误的数字系统。最终设计具备足够韧性，可在LHC极端严苛条件下稳定运行十余年。

两枚哥伦比亚设计的ADC芯片预计将被集成到ATLAS实验的升级版电子系统中。首枚名为触发ADC的芯片已在CERN运行。该芯片于2017年首次公开，2022年通过验证，能使触发系统每秒筛选约十亿次碰撞，瞬时筛选出最具科研价值的事件予以记录。它如同数字守门员，决定哪些事件值得深入研究。

第二枚数据采集ADC芯片近期通过最终测试，现已全面投产。该芯片于今年早些发表在IEEE论文中，将作为LHC下次升级的组成部分进行安装。它将高精度数字化所选信号，助力物理学家探索希格斯玻色子等现象——该粒子于2012年在CERN被发现并引发轰动，促成2013年诺贝尔物理学奖，但其确切性质仍存未解之谜。

两枚芯片均体现了基础物理学家与工程师之间的直接协作。

“作为工程师能如此直接地为基础科学做出贡献，正是这个项目的独特之处，” Xu说道。

该项目进一步创造了跨机构合作机会。芯片由哥伦比亚大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的电气工程师设计，并与哥伦比亚大学尼维斯实验室及德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家紧密合作完成。

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哥大尼维斯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，哥伦比亚设计的组件将支撑数据采集系统，协助物理学家突破现有认知边界分析各类现象。