У надрах Великого адронного колайдера (ВАК) за секунду відбувається близько 400 мільйонів зіткнень частинок. Але в міру модернізації ВАК і перетворення його на ВАК високої світності кількість зіткнень збільшиться до разючих 1,5 мільярда і більше на секунду. Реєстрація всіх цих подій детекторами та аналіз приголомшливого обсягу даних, отриманих у ході кожного експерименту, – непросте завдання.
На щастя, група вчених роками працювала над створенням чипа, здатного миттєво проаналізувати у цифровому форматі всі 1,5 мільярда цих зіткнень. Їх новий чип описаний у дослідженні, опублікованому 28 травня у журналі IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society.
Високі обчислювальні вимоги Великого адронного колайдера
ВАК, гігантський підземний колайдер, розташований на кордоні Франції та Швейцарії, стикає частки з 2008 року, відкриваючи найважливіші можливості фундаментальних законів фізики. Однак приблизно кожні десять років системі потрібна перерва для технічного обслуговування та модернізації. Напередодні цих модернізацій дослідники з Колумбійського університету в Нью-Йорку, включаючи Пітера Кінгета з кафедри електротехніки, спільно зі співробітниками Техаського університету в Остіні розробили два спеціалізовані чипи.
Обидва чипи призначені для детектора ATLAS на Великому адронному колайдері (БАК), який досліджує широкий спектр фізичних явищ, від бозона Хіггса до додаткових вимірювань та частинок, які можуть становити темну матерію. Цей гігантський детектор — довжиною 46 метрів та висотою 25 метрів — оснащений десятками тисяч спеціалізованих чипів для реєстрації подій зіткнень.
Перший чип, розроблений Кінгетом та його колегами, називається «тригерним» аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Він корисний для аналізу великих обсягів даних - приблизно 60 петабайтів необроблених даних, - створюваних при зіткненнях частинок.
Кінгет каже, що детектор ATLAS подібний до гігантської 3D-камери, що знімає з дуже високою частотою. Тим часом система тригера швидко переглядає ці зображення, вишукуючи події, які можуть бути корисними для подальшого аналізу. Система тригера віддає детектору команду ігнорувати нецікаві дані, зберігаючи при цьому дані, що цікавлять. Доопрацьований АЦП тригера був включений до детектора ATLAS під час останнього відключення, яке завершилося у 2022 році.
Нещодавно вони завершили розробку та випробування другого АЦП з вищою роздільною здатністю, який зчитує сигнали з детектора та перетворює їх на цифрові дані для аналізу. Однак складність полягає в тому, що АЦП має бути здатним впоратися з екстремальним рівнем випромінювання, що виникає при зіткненнях частинок.
"Це середовище навколо цього пучка - одне з найінтенсивніших, які тільки можна собі уявити", - говорить Кінгет. "В результаті ... генерується дуже інтенсивне випромінювання".
Руй Сюй, аспірант лабораторії Кінгет, який брав участь у розробці другого чипа АЦП, каже, що кількість випромінювання, яке чип отримує за час свого існування в HL-LHC, аналогічно тому, що отримує супутник за вісім років на високій орбіті навколо Землі.
Розробка чипа, стійкого до радіації
На жаль, це інтенсивне випромінювання може знизити здатність чипа точно записувати дані.
Цифрові дані передаються через послідовність одиниць та нулів. Але оскільки АЦП перетворює електричні сигнали на цей цифровий формат, перешкоди, викликані випромінюванням, можуть призвести до запису одиниці як нуля, і навпаки, що фактично спотворить дані. Тому дослідники створили свій АЦП, використовуючи метод, що забезпечує потрійну перевірку, що гарантує коректність обролення та збереження цифрових даних. Кінгет зазначає, що ймовірність триразового пошкодження даних дуже мала.
Після розробки АЦП дослідники піддали його опроміненню за допомогою медичного обладнання в лікарні Бостона, щоб оцінити його роботу в умовах інтенсивного випромінювання та оцінити його роботу в умовах ВАК. Результати показують, що чип справляється зі своїм завданням, і зараз він готується до інтеграції та встановлення під час наступної модернізації ВАК, запланованої на 2026 рік.
Робота чипів потребує високих вимог. Як зазначає Кінгет, апаратні оновлення впроваджуються лише раз на десятиліття, тому інженери та вчені зазнають серйозного тиску, вимагаючи бездоганної роботи технологій на момент встановлення. Але результат буде високим, якщо чип працюватиме добре, дозволяючи виявляти більше мільярда зіткнень на секунду.
Кінгет підкреслює, що це дослідження стало результатом плідної співпраці не тільки з експертами Колумбійського університету, такими як фізики Джон Парсонс і Густаф Бруйманс, але і з фізиком Тімом Андіном та інженером-електриком Нан Сан з Техаського університету в Остіні, а також з багатьма командами. Станом на 2022 рік тільки в ATLAS зробили свій внесок понад 5500 вчених із 42 країн. "Нам було приємно брати участь у цьому", - говорить Кінгет.
