خبر کامل
تراشه‌های ضد تشعشع دانشگاه کلمبیا، چالش‌های برخورددهنده بزرگ هادرون را حل می‌کنند
تراشه‌های مقاوم در برابر تشعشع: راه‌حل دانشگاه کلمبیا برای چالش‌های LHC
در اعماق زمین، زیر مرز سوئیس و فرانسه، برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) به عنوان یکی از پیچیده‌ترین ماشین‌های علمی جهان، با هدف پاسخ به بنیادی‌ترین سوال بشر – «جهان از چه چیزی ساخته شده است؟» – فعالیت می‌کند. این غول علمی، با رصد برخورد ذرات با سرعتی نزدیک به نور، حجم عظیمی از انرژی و پرتوهای رادیواکتیو آزاد می‌کند که می‌تواند بیشتر مدارهای الکترونیکی معمولی را از کار بیندازد. این چالش بزرگ، نیاز به نوآوری‌های فناورانه بی‌سابقه‌ای را ایجاد کرده بود.
چالش الکترونیکی LHC: وقتی آزمایشگاه خودش را نابود می‌کند
محیط کاری برخورددهنده بزرگ هادرون به قدری خشن است که هر مدار الکترونیکی معمولی در لحظه از کار می‌افتد. این سیستم برای پردازش داده‌های حاصل از ۱۸۲,۴۶۸ کانال آشکارساز، به ۳۶۴,۹۳۶ کانال پردازش الکترونیکی (ADC) نیاز دارد. شرایط کار این قطعات الکترونیکی فراتر از تصور است:
- طول عمر بالا: تراشه‌ها باید حداقل ۱۲ سال به طور مداوم و بدون نقص کار کنند.
- عدم دسترسی برای تعمیر: پس از نصب، تقریباً هیچ دسترسی برای تعمیر یا تعویض وجود ندارد و حداکثر سالی یک بار می‌توان به آن‌ها سر زد. این قطعات باید با منطق «یک بار نصب کن و فراموشش کن» طراحی می‌شدند.
- مقاومت در برابر تشعشع: شدت تشعشعات در این بخش از LHC با میزان تشعشعاتی که یک ماهواره در مدار زمین‌ثابت تجربه می‌کند، قابل مقایسه است.
- سرعت نمونه‌برداری بالا: هر کانال روی تراشه باید سیگنال‌ها را با سرعت ۴۰ میلیون بار در ثانیه نمونه‌برداری کند تا هیچ اطلاعاتی از برخورد ذرات از دست نرود.
با توجه به این شرایط فوق‌العاده تخصصی، شرکت‌های بزرگ نیمه‌هادی علاقه‌ای به سرمایه‌گذاری برای تولید چنین تراشه‌هایی نداشتند و این موضوع، پیشرفت علم را در یک بن‌بست قرار داده بود.
راه‌حل دانشگاه کلمبیا: تراشه‌هایی برای پیشبرد علم
در این شرایط بحرانی، تیمی از مهندسان و فیزیک‌دانان دانشگاه کلمبیا و دانشگاه تگزاس وارد عمل شدند. آن‌ها تراشه‌ای سفارشی را در یک فرآیند تجاری ۶۵ نانومتری CMOS طراحی کردند. این تراشه به ابعاد ۵٫۵ در ۵٫۸ میلی‌متر، کمی کوچک‌تر از ناخن انگشت کوچک است. کل سیستم آشکارساز اطلس (ATLAS)، که ابزاری پیچیده شبیه یک دوربین سه‌بعدی غول‌پیکر برای «عکس‌گرفتن» از لحظه برخورد پروتون‌هاست، برای ارتقاء خود به ۴۵,۶۱۷ عدد از این تراشه‌های کوچک نیاز دارد.
پیتر کینگت، استاد مهندسی برق دانشکده مهندسی کلمبیا و رهبر تیم پژوهشگران می‌گوید: «صنعت چنین تلاشی را قابل‌توجیه نمی‌دانست و حاضر نبود قدم در راه بگذارد، بنابراین دانشگاه‌ها باید وارد عمل می‌شدند. کشف‌های بعدی در LHC با یک تراشه از کلمبیا آغاز خواهد شد و با تراشه‌ای دیگر از کلمبیا اندازه‌گیری می‌شود.»
طراحی هوشمندانه: مقاومت در برابر تشعشع و مصرف انرژی پایین
شاهکار این تیم در جزئیات طراحی نهفته بود. آن‌ها به جای اختراع یک فناوری تولید کاملاً جدید، از روش‌های مهندسی هوشمندانه برای مقاوم‌سازی استفاده کردند. به عنوان مثال، به جای استفاده از خازن‌های رایج MoM (فلز-اکسید-فلز)، از خازن‌های MiM (فلز-عایق-فلز) استفاده شد. لایه عایق در این خازن‌ها ۳۰ تا ۸۰ برابر نازک‌تر است که باعث می‌شود در صورت برخورد یک ذره رادیواکتیو، انرژی بسیار کمتری در آن تخلیه شود و خطای ایجاد شده در مدار ناچیز باشد.
علاوه بر مقاومت در برابر تشعشع، مصرف انرژی پایین نیز یک فاکتور حیاتی بود. هر تراشه با ۸ کانال فعال، تنها ۱٫۱ وات برق مصرف می‌کند. با توجه به تعداد عظیم تراشه‌ها، این مصرف انرژی پایین برای جلوگیری از تولید گرمای بیش از حد، ضروری است.
سیستم دو مرحله‌ای تراشه‌ها: نگهبان هوشمند و مترجم فوق‌دقیق
این تراشه‌ها در یک سیستم دو مرحله‌ای کار می‌کنند:
- تراشه Trigger ADC (نگهبان هوشمند): این تراشه که از سال ۲۰۲۲ در سرن فعال است، از میان حدود یک میلیارد برخورد در هر ثانیه، تصمیم می‌گیرد که کدام رویدادها از نظر علمی آنقدر ارزشمند هستند که باید برای تحلیل بیشتر ذخیره شوند.
- تراشه Data Acquisition ADC (مترجم فوق‌دقیق): این تراشه که به تازگی وارد مرحله تولید انبوه شده و در به‌روزرسانی بعدی LHC نصب خواهد شد، سیگنال‌های انتخاب‌شده توسط تراشه اول را با دقتی بی‌نظیر به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌کند. این دقت بالا به فیزیک‌دانان امکان می‌دهد تا ویژگی‌های ذره گریزی مانند بوزون هیگز (که کشف آن جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۳ را به ارمغان آورد) را بهتر مطالعه کنند.
اثبات مقاومت تراشه‌ها در شرایط واقعی
این تراشه‌ها نه تنها روی کاغذ موفق بودند، بلکه سخت‌ترین آزمایش‌ها را نیز پشت سر گذاشتند. تیم تحقیق، تعدادی از تراشه‌ها را به مرکز پروتون‌درمانی بیمارستان عمومی ماساچوست برد و آن‌ها را زیر یک پرتو پروتون با انرژی ۲۲۹ مگاالکترون‌ولت قرار داد تا شرایط LHC را شبیه‌سازی کند. نتایج بسیار قابل‌توجه بود:
در طول تمام آزمایش‌ها، هیچ خطای فاجعه‌باری مشاهده نشد و هرگز نیازی به قطع و وصل کردن برق تراشه‌ها برای بازیابی عملکرد نبود. این نتیجه ثابت کرد که تراشه به هدف اصلی خود یعنی پایداری مطلق دست یافته است.
بر اساس نتایج، محققان توانستند نرخ خطای تراشه‌ها را در طول عمر ۱۲ ساله پیش‌بینی کنند: انتظار می‌رود هر کانال ADC حدود ۵۴۰ خطای داده قابل چشم‌پوشی (SEU) را تجربه کند. اما احتمال وقوع یک خطای جدی در حافظه که نیاز به برنامه‌ریزی مجدد داشته باشد، تنها ۰٫۰۱۸ بار برای هر کانال در تمام ۱۲ سال است. این نرخ خطا آنقدر پایین است که از نظر عملکردی برای کل سیستم «به راحتی قابل‌تحمل» توصیف شده است.
ری شو، دانشجوی دکتری مهندسی در کلمبیا می‌گوید: «ما قطعات استاندارد و تجاری را آزمایش کردیم، اما آن‌ها خیلی ساده از کار افتادند. شدت پرتو بیش از حد شدید بود. فهمیدیم اگر می‌خواهیم قطعه‌ای کارآمد داشته باشیم، باید خودمان آن را طراحی کنیم.»
همکاری نزدیک مهندسی و فیزیک
این پروژه نمونه‌ای درخشان از همکاری مستقیم میان فیزیک‌دانان بنیادی و مهندسان است. ری شو می‌گوید: «اینکه به عنوان یک مهندس فرصت داشته باشی به طور مستقیم در پیشبرد علوم بنیادی نقشی ایفا کنی، همان چیزی است که این پروژه را برای من و همکارانم خاص می‌کند.»
این پروژه همچنین بستر همکاری‌های گسترده‌ای را میان چندین مؤسسه فراهم کرد، چنان‌که تراشه‌ها توسط مهندسان برق در دانشگاه کلمبیا و دانشگاه تگزاس در آستین، با همکاری نزدیک فیزیک‌دانان آزمایشگاه‌های نِویس کلمبیا و دانشگاه تگزاس در آستین طراحی شدند.
جان پارسونز، استاد فیزیک در دانشگاه کلمبیا و مسئول تیم می‌گوید: «این نوع همکاری‌ها میان فیزیک‌دانان و مهندسان برای پیشبرد توانایی ما در کشف پرسش‌های بنیادین درباره جهان بسیار حیاتی خواهد بود. موفقیت ما به توسعه‌ی ابزارهای پیشرفته بستگی دارد.»
درباره هوش‌مصنوعی دست‌اول:
تمامی اخبار دست‌اول توسط دستیار هوش مصنوعی «هوشنگ» پردازش، صحت‌سنجی، خلاصه و بازنویسی شده است. هوشنگ هر روز با داده‌های جدید آموزش داده می‌شود و با نظارت دقیق انسانی و سردبیری دست‌اول در حال بهتر شدن است.
شما می‌توانید از چت‌بات و سایر ابزارهای هوشنگ به صورت رایگان استفاده کنید.
