วิศวกรและนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Columbia ร่วมมือกับ CERN ในการพัฒนาชิปที่สามารถทนต่อรังสีที่มีความเข้มข้นในเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลกได้
ในการใช้งาน Large Hadron Collider (LHC) หรือเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่นั้นส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก ซึ่งการทดลอง LHC ที่ใช้อุโมงค์ยาวถึง 17 ไมล์พาดผ่านทั้งสวิสเซอร์แลนด์และฝรั่งเศสเป็นวงกลมนั้น เป็นการสังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่เร่งอนุภาคให้ใกล้เคียงความเร็วแสงก่อนที่จะนำมาชนกัน การชนกันทำให้เกิดพายุของอนุภาคขนาดเล็กและพลังงานที่เบาบางซึ่งจะเป็นคำตจอบในการนำไปสู่การสร้างรากฐานที่เล็กที่สุดของสสาร
การชนกันของสสารนั้นเกิดเป็นข้อมูลจำนวนมหาศาล ทั้งยังเกิดรังสีที่มากพอที่จะทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้นเสียหายได้ เกิดเป็นความท้าทายของนักฟิสิกส์ที่พยายามตรวจวัดและแก้ไขปริศนาของอนุภาค Higgs Boson และอนุภาคพื้นฐานอื่น ๆ
เรียกว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปไม่อาจทนต่อสภาพแวดล้อมภายในเครื่องเร่งอนุภาคได้ และตลาดของแผงวงจรที่มีความต้านทานต่อรังสีในระดับที่ต้องการนั้นก็เล็กมากเกินไปที่ผู้ผลิตชิปรายใหญ่ ๆ จะหันมาลงทุนด้วยเช่นกัน ทำให้วงการวิชาการต้องอุดรอยรั่วที่เกิดขึ้นนี้ด้วยตัวเอง
เกิดเป็นการออกแบบชิปซิลิคอนแบบพิเศษที่เก็บข้อมูลได้ในพื้นที่ที่มีความยากลำบากท้าทายที่สุดสำหรับงานด้านฟิสิกส์อนุภาค ด้วยความร่วมมือของนักฟิสิกส์และวิศวกรพัฒนาอุปกรณ์ตรวจจับ ATLAS Detector อุปกรณ์ที่มีขนาดมหึมาซึ่งเป็นส่วนสำคัญของความสำเร็จในการตรวจวัดการปะทะที่เกิดขึ้น
วงจรที่สามารถต้านทานรังสีได้
อุปกรณ์ที่ทีมนั้นออกแบบมาถูกเรียกว่าตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (Analog-to-Digital Converters) หรือ ADCs มีหน้าที่ในการจับสัญญาณทางไฟฟ้าที่เกิดจากอนุภาคชนกันภายใน CERN และเปลี่ยนข้อมูลเป็นดิจิทัลให้นักวิจัยได้วิเคราะห์ ซึ่งในเครื่องตรวจจับ ATLAS นั้นกระแส (Pulse) ไฟฟ้าถูกสร้างจากการชนกันของอนุภาคแล้ววัดด้วยอุปกรณ์ที่เรียงว่า Liquid Argon Calorimeter ซึ่งถัง Argon ขนาดมหึมานี้ทำให้สามารถตรวจจับร่องรอยทางอิเล็กทรอนิกส์ของทุกอนุภาคที่เดินทางผ่านมาได้ โดยชิป ADC ของ Columbia เปลี่ยนสัญญาณแอนะล็อกให้เป็นการตรวจวัดทางดิจิทัลที่มีความแม่นยำสูง จับรายละเอียดที่อุปกรณ์ชิ้นส่วนที่มีอยู่เดิมไม่อาจทำได้
เปิดทางสู่การไขปริศนา ด้วยการผสานเทคโนโลยีชิปอันทันสมัย
ดังนั้นแทนที่จะสร้างกระบวนการผลิตใหม่ทั้งหมด ทีมวิจัยได้ใช้กระบวนทางการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปปรับปรุงให้เข้ากับค่าการต้านทานรังสีที่ CERN ต้องการและประยุกต์นวัตกรรมด้านเทคนิคระดับแผงวงจร ด้วยการเลือกชิ้นส่วนและขนาดอย่างระมัดระวัง จากนั้นจัดการวางสถาปัตยกรรมแผงวงจรและเลย์เอาท์เพื่อลดผลกระทบความเสียหายจากรังสี และสร้างระบบดิจิทัลที่สามารถตรวจจับความผิดพลาดและแก้ไขได้แบบ Real-Time เกิดเป็นความสามารถในการรับมือกับสภาพแวดล้อมที่หลากหลายได้โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สภาพแวดล้อมของ LHC ที่เคยเป็นปัญหาใหญ่ในการใช้งานชิป
ชิป ADC ที่ถูกออกแบบมาถูกคาดหวังไว้ในการใช้งานกับการทดลองอัปเกรดอิเล็กทรอนิกส์ของ ATLAS ตัวแรกคือ Trigger ADC ซึ่งได้มีการใช้งานใน CERN แล้ววันนี้ เป็นระบบ Trigger เพื่อกรองการชนนับพันล้านครั้งในแต่ละวินาที และเลือกเพียงชุดเหตุการณ์ที่มีสัญญาณความเป็นไปได้ทางวิทยาศาสตร์มาเพื่อบันทุก เป็นเหมือนผู้รักษาประตูดิจิทัลที่ตัดสินใจว่าตัวไหนควรถูกศึกษาลงไปให้ลึกยิ่งขึ้น
ชิปตัวที่ 2 คือ ชิป ADC สำหรับการได้มาซึ่งข้อมูล (Data Acquisition) ซึ่งผ่านการทดสอบเมื่อไม่นานมานี้และอยู่ในการผลิตเต็มรูปแบบแล้ว ชิปตัวนี้ถูกอธิบายไว้ในเอกสารจาก IEEE ก่อนหน้าที่จะเป็นชิ้นส่วนอัปเกรด LHC ด้วยการทำค่าสัญญาณที่เลือกไว้ให้เป็นดิจิทัลได้อย่างแม่นยำ นักฟิสิกส์จึงสามารถสำรวจปรากฎการณ์อย่าง Higgs Boson ได้ ทว่าด้วยเทคโนโลยีที่มียังไม่อาจเปิดเผยคุณสมบัติได้อย่างแม่นยำทั้งหมด ทำให้อนุภาคดังกล่าวยังคงเต็มไปด้วยคำถาม ข้อสงสัย และเป็นความลึกลับที่รอคอยการเปิดเผยอยู่
ที่มา:
Columbia.edu
