在瑞士和法国边界下方，隐藏着一个长达17英里的环形隧道，这里是大型强子对撞机(LHC)的所在地。这个巨大的科学仪器将粒子加速至接近光速，然后将它们撞击在一起，这一过程产生了细微的粒子和能量漩涡，为我们揭开物质基本组成的秘密提供了线索。

撞击产生的数据量巨大，辐射量足以破坏几乎所有电子设备内的位和逻辑。这为CERN的物理学家们带来了挑战，因为他们试图更深入地探索希格斯玻色子等基本粒子的秘密。市面上的电子元件无法在加速器内部的严酷环境中存活，而且对辐射抗性电路的市场需求太小，无法吸引商业芯片制造商的投资。

这种情况迫使学术界介入。哥伦比亚工程学院的彼得·金厄特(Bernard J. Lechner)教授领导的团队设计了专门的硅芯片，用于在粒子物理学中最为恶劣且最重要的环境下收集数据。他们最近的一篇论文在IEEE固态电路社会开放期刊上发表。

这种物理学家与工程师之间的合作对于探索关于宇宙的基本问题至关重要。哥伦比亚大学物理学教授、参与LHC的ATLAS探测器工作的哥伦比亚团队领导者约翰·帕森斯强调，开发先进仪器是成功的关键。

该团队设计的设备被称为模拟至数字转换器(ADC)。它们的任务是捕捉CERN探测器内粒子碰撞产生的电信号，并将其转换为研究人员可以分析的数字数据。

ATLAS探测器使用一种名为液氩量热计的设备测量粒子碰撞产生的电脉冲。哥伦比亚设计的ADC芯片将这些微妙的模拟信号转换成精确的数字测量数据，捕获了现有组件无法可靠记录的细节。

哥伦比亚工程学院博士生徐睿（Ray Xu）表示，他们测试了标准的商业组件，但它们在强烈的辐射下无一幸免。“我们意识到，如果想要一个有效的解决方案，就必须自己设计。”

团队没有创造全新的制造方法，而是使用了由CERN验证的、抗辐射的商业半导体工艺，并应用了创新的电路级技术。他们精心选择和设计组件，安排电路架构和布局以最小化辐射损伤，并构建了可以实时自动检测和纠正错误的数字系统。他们的设计足够坚固，能够在LHC的异常严酷条件下工作十年以上。

两个哥伦比亚设计的ADC芯片预计将被集成到ATLAS实验升级版的电子设备中。第一个芯片已经在CERN运行，而第二个芯片已通过最终测试，正在全面生产中。它们将使物理学家能够更精确地探索希格斯玻色子等现象。

这两款芯片代表了基本物理学家与工程师之间的直接合作。

通过这一项目，工程师直接为基础科学做出贡献的机会令人振奋。这些芯片由哥伦比亚大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的电气工程师与哥伦比亚大学内维斯实验室和德州大学奥斯汀分校的物理学家紧密合作设计。

哥伦比亚大学设计的芯片在国家科学基金会和能源部的资助下，成为更广泛的国际合作的核心部分。随着CERN研究的进展，哥伦比亚设计的组件将为物理学家提供支持，帮助他们分析当前知识极限之外的现象。

Intel Core i9 - 高性能计算
AMD Ryzen 7 - 个人电脑和游戏
Qualcomm Snapdragon - 智能手机
NVIDIA Tegra - 图形处理和汽车电子
IBM Power9 - 大型计算和人工智能
ARM Cortex - 嵌入式系统和物联网设备