PHÁP – Máy gia tốc hạt LHC (Large Hadron Collider) là một hệ thống quan trọng, được đặt bên trong một đường hầm hình tròn dài 27 km dưới lòng đất ở biên giới giữa Thụy Sĩ và Pháp, thiết bị khoa học lớn này tăng tốc các hạt gần bằng tốc độ ánh sáng trước khi chúng va chạm vào nhau. Các vụ va chạm tạo ra những dòng xoáy nhỏ gồm các hạt và năng lượng, giúp trả lời cho những câu hỏi cơ bản về các khối cấu tạo nên vật chất.

Những va chạm đó tạo ra một lượng dữ liệu lớn – và đủ bức xạ để làm xáo trộn các bit và logic bên trong mọi thiết bị điện tử.

Điều này đặt ra một vấn đề cho các nhà vật lý tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu – CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) khi họ cố gắng khám phá sâu hơn những bí ẩn của hạt boson Higgs (*) và các hạt cơ bản khác. Các linh kiện thông thường không thể chịu được điều kiện khắc nghiệt bên trong máy gia tốc, và thị trường cho các mạch điện chống bức xạ lại quá nhỏ để thu hút đầu tư từ các doanh nghiệp sản xuất chip thương mại.
(*) Higgs boson: là một hạt cơ bản trong mô hình chuẩn của ngành vật lý hạt.

Ông Peter Kinget, Giáo sư Kỹ thuật Điện Bernard J. Lechner tại Đại học Columbia Engineering, chia sẻ: “Ngành công nghiệp không thể biện minh cho nỗ lực này, nên giới học thuật phải vào cuộc. Những tiến bộ tiếp theo mà máy dò hạt ATLAS (a toroidal LHC apparatus) đạt được sẽ được kích hoạt bởi chip Columbia và được đo lường bởi một chip khác.”

Giáo sư Kinget dẫn đầu nhóm nghiên cứu thiết kế chip silicon chuyên dụng để thu thập dữ liệu trong môi trường phức tạp và quan trọng của vật lý hạt. Bài báo mô tả dự án này đã được công bố vào ngày 01/7/2025 trên Tạp chí IEEE của Hiệp hội Mạch thể rắn (Solid-State Circuits Society).

Ông John Parsons, Giáo sư vật lý tại Đại học Columbia và là trưởng nhóm Columbia đang làm việc trên máy dò ATLAS, một trong những thiết bị lớn của LHC, chia sẻ: “Những sự hợp tác giữa các nhà vật lý và kỹ sư như thế này rất quan trọng để nâng cao khả năng khám phá những câu hỏi cơ bản về vũ trụ. Việc phát triển các thiết bị đo lường hiện đại là rất quan trọng cho thành công của chúng tôi.”

Mạch chống bức xạ
Các thiết bị do nhóm thiết kế được gọi là bộ chuyển đổi tương tự sang số, hay chip ADC (analog-to-digital converter). Nhiệm vụ của chúng là thu thập các tín hiệu điện được tạo ra bởi các va chạm hạt bên trong các máy dò của tổ chức CERN và chuyển đổi chúng thành dữ liệu số để các nhà nghiên cứu có thể phân tích.

Chip mới có khả năng số hóa chính xác các tín hiệu đã chọn, ghi lại những chi tiết mà không có thành phần hiện tại nào có thể ghi lại một cách đáng tin cậy

Trong máy dò ATLAS, các xung điện tạo ra bởi va chạm hạt được đo bằng một thiết bị gọi là nhiệt lượng kế argon lỏng. Bể chứa argon lạnh kích thước lớn giúp ghi lại dấu vết điện tử của mỗi hạt đi qua. Chip ADC của Columbia chuyển đổi những tín hiệu analog tinh vi này thành các phép đo kỹ thuật số chính xác, nắm bắt các chi tiết mà không một thiết bị hiện có nào có thể ghi lại một cách đáng tin cậy.

Ông Rui (Ray) Xu, một nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành kỹ thuật Columbia, người đã làm việc trong dự án này từ khi còn là sinh viên đại học tại Đại học Texas (University of Texas), đã nói rằng: “Chúng tôi đã thử nghiệm các linh kiện thương mại tiêu chuẩn, và chúng hỏng hoàn toàn. Bức xạ quá mạnh. Chúng tôi nhận ra rằng nếu muốn thứ gì đó hoạt động hiệu quả, chúng tôi phải tự thiết kế nó.”

Thiết kế độ tin cậy “có độ chính xác cao”
Thay vì tạo ra các phương pháp sản xuất hoàn toàn mới, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các quy trình bán dẫn thương mại được tổ chức CERN xác nhận về khả năng chống bức xạ và áp dụng các kỹ thuật mạch tiên tiến. Họ đã cẩn thận lựa chọn và định cỡ linh kiện, sắp xếp kiến ​​trúc và bố trí mạch để giảm thiểu thiệt hại do bức xạ, đồng thời xây dựng các hệ thống kỹ thuật số tự động phát hiện và sửa lỗi theo thời gian thực. Thiết kế cuối cùng của họ đủ bền bỉ để chịu được điều kiện phức tạp bất thường tại LHC trong hơn một thập kỷ.

Máy dò ATLAS của máy gia tốc hạt LHC đo các xung điện được tạo ra bởi các va chạm hạt. Bể chứa argon siêu lạnh giúp ghi lại dấu vết điện tử của tất cả các hạt đi qua

Hai chip ADC do Columbia thiết kế dự kiến ​​sẽ được tích hợp vào hệ thống điện tử nâng cấp của thí nghiệm máy dò hạt ATLAS. Chip đầu tiên, được gọi là ADC kích hoạt, được vận hành tại tổ chức CERN. Được mô tả lần đầu vào năm 2017 và xác nhận vào năm 2022, chip này cho phép hệ thống kích hoạt lọc khoảng một tỷ va chạm mỗi giây và ngay lập tức chọn những sự kiện khoa học quan trọng để ghi lại. Nó đóng vai trò như một người gác cổng kỹ thuật số, quyết định những gì cần được nghiên cứu sâu hơn.

Chip thứ hai, ADC thu thập dữ liệu, đã vượt qua các bài kiểm tra cuối cùng và được sản xuất hàng loạt. Chip này, được mô tả trong một bài báo của tạp chí IEEE vào đầu năm 2025, sẽ được lắp đặt như một phần của đợt nâng cấp máy gia tốc hạt LHC tiếp theo. Nó sẽ số hóa chính xác các tín hiệu được chọn, cho phép các nhà vật lý khám phá các hiện tượng như boson Higgs, phát hiện của nó tại tổ chức CERN đã gây chấn động dư luận năm 2012 và mang về giải Nobel Vật lý năm 2013, nhưng các tính chất chính xác của nó vẫn còn là bí ẩn.

Cả hai chip đều thể hiện sự hợp tác trực tiếp giữa các nhà vật lý cơ bản và kỹ sư.

Ông Rui (Ray) Xu chia sẻ: “Điều làm cho dự án này trở nên đặc biệt chính là cơ hội để một kỹ sư có thể đóng góp trực tiếp cho khoa học cơ bản”.

Nó còn tạo ra cơ hội hợp tác giữa nhiều tổ chức. Các chip được thiết kế bởi các kỹ sư điện tại Đại học Columbia và Đại học Texas, tại thành phố Austin, với sự hợp tác chặt chẽ của các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Nevis thuộc Đại học Columbia và Đại học Texas.

Để xem các tin bài khác về “Chip”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online