죽지 않는 전자 장치 제작: CERN의 콜롬비아 대학의 획기적인 발견

곧 설치될 최신 칩은 선택된 신호를 정밀하게 디지털화하여 기존 부품으로는 안정적으로 기록할 수 없는 세부 정보를 포착합니다. 출처: Ray Xu, Peter Kinget

대형 강입자 충돌기(LHC)는 전자 장치에 강력한 성능을 발휘합니다. 스위스와 프랑스 국경 아래를 원형으로 관통하는 17마일(약 27km) 길이의 터널 안에 위치한 이 거대한 과학 장치는 입자들을 빛의 속도에 가깝게 가속한 후 서로 충돌시킵니다. 이러한 충돌은 물질의 구성 요소에 대한 근본적인 질문에 대한 답을 암시하는 미세한 입자와 에너지 소용돌이를 생성합니다.

이러한 충돌로 인해 엄청난 양의 데이터가 생성되고, 거의 모든 전자 장비 내부의 비트와 논리를 뒤섞을 수 있을 만큼 충분한 방사선이 생성됩니다.

이는 힉스 보손을 비롯한 기본 입자의 미스터리를 더욱 깊이 파고들려는 CERN 물리학자들에게 난제입니다. 기성품 부품은 가속기 내부의 혹독한 환경을 견딜 수 없으며, 내방사선 회로 시장은 상업용 칩 제조업체의 투자를 유치하기에는 너무 작습니다.

컬럼비아 엔지니어링의 버나드 J. 레흐너 전기공학 교수인 피터 킹겟은 "업계에서는 이러한 노력을 정당화할 수 없었기 때문에 학계가 개입해야 했습니다."라고 말했습니다. "LHC에서 이루어지는 다음 발견은 컬럼비아 칩 하나에 의해 촉발되고 다른 칩에 의해 측정될 것입니다."

킹겟은 입자 물리학에서 가장 가혹하고 중요한 환경 중 하나에서 데이터를 수집하는 특수 실리콘 칩을 설계한 팀을 이끌고 있습니다. 이 프로젝트를 설명하는 그들의 최신 논문은 7월 1일 IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society에 게재되었습니다.

컬럼비아 대학교 물리학 교수이자 LHC의 거대 장치 중 하나인 ATLAS 검출기 개발팀을 이끄는 존 파슨스는 "물리학자와 엔지니어 간의 이러한 협력은 우주에 대한 근본적인 의문을 탐구하는 우리의 능력을 향상시키는 데 매우 중요합니다."라고 말했습니다. "최첨단 장비를 개발하는 것은 우리의 성공에 매우 중요합니다."

방사선에 저항하는 회로

연구팀이 설계한 장치는 아날로그-디지털 변환기, 즉 ADC라고 합니다. ADC의 역할은 CERN 검출기 내부의 입자 충돌로 생성된 전기 신호를 포착하여 연구자들이 분석할 수 있는 디지털 데이터로 변환하는 것입니다.

ATLAS 검출기에서는 입자 충돌로 생성된 전기 펄스를 액체 아르곤 열량계라는 장치를 사용하여 측정합니다. 이 거대한 초저온 아르곤 용기는 통과하는 모든 입자의 전자적 흔적을 포착합니다. 컬럼비아의 ADC 칩은 이러한 섬세한 아날로그 신호를 정밀한 디지털 측정값으로 변환하여 기존 부품으로는 신뢰할 수 없는 세부 정보를 포착합니다.

"표준 상용 부품을 테스트해 봤는데, 그냥 고장 났어요. 방사능이 너무 강해서요." 텍사스 대학교 학부 시절부터 이 프로젝트에 참여해 온 컬럼비아 공과대학 박사 과정생 루이(레이) 쉬는 이렇게 말합니다. "제대로 작동하는 제품을 만들려면 직접 설계해야 한다는 걸 깨달았습니다."

"고정확도" 신뢰성 설계

완전히 새로운 제조 방식을 개발하는 대신, 연구팀은 CERN에서 방사선 내성을 검증받은 상용 반도체 공정을 사용하고 혁신적인 회로 수준의 기술을 적용했습니다. 방사선 손상을 최소화하기 위해 부품을 신중하게 선택하고 크기를 조정하고 회로 구조와 레이아웃을 배치했으며, 실시간으로 오류를 자동으로 감지하고 수정하는 디지털 시스템을 구축했습니다. 그 결과, LHC의 극도로 가혹한 환경에서도 10년 이상 견딜 수 있는 복원력을 갖춘 설계가 완성되었습니다.

컬럼비아에서 설계한 두 개의 ADC 칩이 ATLAS 실험의 업그레이드된 전자 장치에 통합될 예정입니다. 첫 번째 칩인 트리거 ADC는 이미 CERN에서 작동 중입니다. 2017년에 처음 개발되어 2022년에 검증된 이 칩은 트리거 시스템이 초당 약 10억 건의 충돌을 필터링하고 과학적으로 가장 유망한 사건만 즉시 선택하여 기록할 수 있도록 합니다. 이 칩은 심층 조사가 필요한 사건을 결정하는 디지털 게이트키퍼 역할을 합니다.

두 번째 칩인 데이터 수집 ADC는 최근 최종 테스트를 통과하여 현재 본격 생산 중입니다. 올해 초 IEEE 논문에 소개된 이 칩은 다음 LHC 업그레이드의 일환으로 설치될 예정입니다. 이 칩은 선택된 신호를 매우 정밀하게 디지털화하여 물리학자들이 힉스 입자와 같은 현상을 탐구할 수 있도록 지원합니다. 힉스 입자는 CERN에서 발견되어 2012년 언론의 주목을 받았고 2013년 노벨 물리학상을 수상했지만, 그 정확한 특성은 아직 미스터리로 남아 있습니다.

두 칩 모두 기초 물리학자와 엔지니어 간의 직접적인 협업을 나타냅니다.

쉬 씨는 "엔지니어로서 기초 과학에 직접적으로 기여할 수 있는 기회가 있어서 이 프로젝트가 특별합니다."라고 말했습니다.

여러 기관 간 협업 기회도 창출되었습니다. 이 칩은 컬럼비아 대학교와 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 전기 공학자들이 컬럼비아 네비스 연구소와 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 물리학자들과 긴밀히 협력하여 설계했습니다.

미국 국립과학재단(NSF)과 미국 에너지부의 지원을 받는 컬럼비아의 칩은 컬럼비아 네비스 연구소가 부분적으로 조율하는 광범위한 국제 협력에서 핵심적인 역할을 수행합니다. CERN의 연구가 발전함에 따라, 컬럼비아에서 설계한 부품은 물리학자들이 현재의 지식 한계를 넘어선 현상을 분석할 수 있도록 지원하는 데이터 수집 시스템에 기여할 것입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250729001219.htm