شاهکار مهندسی: ساخت تراشه‌های «نامیرا» برای کشف اسرار جهان

در اعماق زمین، زیر مرز سوئیس و فرانسه، یک ماشین غول‌پیکر به نام «برخورددهنده بزرگ هادرون» (LHC) قرار دارد. درون این مجموعه، آشکارسازی به طول ۱۲ متر و قطر ۴ متر به نام ATLAS قرار گرفته است که تلاش می‌کند با رصد برخورد ذرات با سرعتی نزدیک به نور، به بنیادی‌ترین سوال بشر پاسخ دهد: «جهان از چه چیزی ساخته شده است؟»

اما این آزمایشگاه یک مشکل بزرگ دارد: آن‌قدر قدرتمند است که مغز الکترونیکی خودش را نابود می‌کند. این برخوردها، گرداب‌هایی از انرژی و تشعشعات رادیواکتیو تولید می‌کنند که هر مدار الکترونیکی معمولی را در لحظه از کار می‌اندازد. این یک چالش جدی برای سیستمی است که برای پردازش داده‌های حاصل از ۱۸۲,۴۶۸ کانال آشکارساز، به ۳۶۴,۹۳۶ کانال پردازش الکترونیکی (ADC) نیاز دارد.

شرایطی که این قطعات الکترونیکی باید در آن کار کنند، چیزی شبیه به یک فیلم علمی‌تخیلی است:

این تراشه‌ها باید برای حداقل ۱۲ سال به طور مداوم و بدون نقص کار کنند. مهم‌تر اینکه، پس از نصب، تقریباً هیچ دسترسی برای تعمیر یا تعویض آن‌ها وجود ندارد و حداکثر سالی یک بار می‌توان به آن‌ها سر زد. به عبارت ساده، این قطعات باید با منطق «یک بار نصب کن و فراموشش کن» طراحی می‌شدند.

علاوه‌براین، شدت تشعشعات در این بخش از LHC به قدری بالاست که با میزان تشعشعاتی که یک ماهواره در مدار زمین‌ثابت تجربه می‌کند، قابل مقایسه است. هر کانال روی تراشه هم باید سیگنال‌ها را با سرعت ۴۰ میلیون بار در ثانیه نمونه‌برداری کند تا هیچ اطلاعاتی از برخورد ذرات از دست نرود.

در چنین شرایطی، شرکت‌های بزرگ نیمه‌هادی علاقه‌ای به سرمایه‌گذاری برای تولید تراشه‌هایی چنین تخصصی نداشتند و این موضوع، پیشرفت علم را در یک بن‌بست طاقت‌فرسا قرار داده بود.

اینجا بود که 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.

نتیجه‌ی کار آن‌ها یک تراشه‌ به ابعاد ۵٫۵ در ۵٫۸ میلی‌متر بود که کمی کوچک‌تر از ناخن انگشت کوچک است. کل سیستم آشکارساز اطلس (ابزار پیچیده‌‌ای شبیه یک دوربین سه‌بعدی غول‌پیکر برای «عکس‌گرفتن» از لحظه برخورد پروتون‌ها) 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.»

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: برای مثال، آن‌ها به جای استفاده از خازن‌های رایج MoM (فلز-اکسید-فلز)، از خازن‌های MiM (فلز-عایق-فلز) استفاده کردند. لایه عایق در این خازن‌ها ۳۰ تا ۸۰ برابر نازک‌تر است. این ویژگی باعث می‌شود اگر یک ذره رادیواکتیو به آن برخورد کند، انرژی بسیار کمتری در آن تخلیه شود و خطای ایجاد شده در مدار ناچیز باشد.

این تراشه‌ها در یک سیستم دو مرحله‌ای کار می‌کنند:

۱. تراشه Trigger ADC (نگهبان هوشمند): این تراشه که از سال ۲۰۲۲ در سرن فعال است، یک وظیفه حیاتی دارد. از میان حدود یک میلیارد برخورد در هر ثانیه، این تراشه مانند یک نگهبان فوق‌سریع تصمیم می‌گیرد که کدام رویدادها از نظر علمی آن‌قدر ارزشمند هستند که باید برای تحلیل بیشتر ذخیره شوند.

۲. تراشه Data Acquisition ADC (مترجم فوق‌دقیق): این تراشه که به تازگی وارد مرحله تولید انبوه شده و در به‌روزرسانی بعدی LHC نصب خواهد شد، وظیفه‌ای حساس‌تر دارد. این تراشه، 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.

این تراشه‌ها فقط روی کاغذ موفق نبودند، 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:

براساس 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.

رِی شو، دانشجوی دکتری مهندسی در کلمبیا که از دوران کارشناسی خود در دانشگاه تگزاس روی این پروژه کارکرده است، 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.»

هر دو تراشه نمونه‌ای از همکاری مستقیم میان فیزیک‌دانان بنیادی و مهندسان هستند. ری شو می‌گوید: «اینکه به‌عنوان یک مهندس فرصت داشته باشی به‌طور 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.»