CERN的微电子学:从幼年到成年(1)

【本文翻译自https://cerncourier.com/microelectronics-at-cern-from-infancy-to-maturity/】


开始于1986年的LAA项目推动CERN的电子学进入了一个新纪元。

上世纪80年代初,CERN的LEP项目开始启动。该项目要求CERN倾注其所有的资源,这使得一系列其他实验不得不关闭,包括相交储存环及运行其上的实验,以及气泡室和其他固定靶实验。在这期间,LAA探测器研发项目于1986年的CERN联席会议(CERN Council meeting)上被立项通过,作为“CERN的又一项活动计划”,开启了通往未来发展的初始之门。该项目最突出的成就就是成为了CERN微电子学、硅微条和硅像素探测器发展的孵化器。所有这些都在20年后成为LHC上具有出色表现的数个实验装置的重要组成部分。

LAA项目招募了大量年轻而有创造力的电子工程师,项目的启动也标志着CERN实验物理设施部门相关技术积累的开始。该计划还为购买所需的软硬件工具提供资金,并开展了未来所需的相关(技术)训练。到了1988年,一个电子学设计小组已经在CERN建立起来,它致力于研发一系列基于硅的技术。这些技术已经成为LHC以及其他一些实验中的高性能探测器的基石。亚微米(乃至深亚微米)工艺的发展,使得将诸多复杂功能集成在一个小体积的专用集成电路芯片中成为可能。这些芯片大多数都基于CMOS工艺。这些芯片与模拟和数字存储芯片一道,只读出有可能有物理价值的数据 ,大大降低了需要传输和分析的数据量。这使得粒子对撞示例在史无前例的高数据率下被记录下来——LHC每秒可以连续记录4000万个对撞示例。

2014年12月,在CERN芯片设计组成立的25年后,一些LAA早期阶段的参与者在CERN相聚,共同庆祝这一项目的建立以及它在CERN微电子学的发展中所扮演的重要角色。这其中也包括Antonino Zichichi,LAA项目的发起人。Erik Heijne and Alessandro Marchioro在会上发言,他们也是微电子组的重要奠基人。Jim Virdee,CMS实验的发起人之一,也来到这里。他们一共回忆起了CERN微电子学从刚刚起步到逐渐成熟的故事。

故事的开端

CERN的高级ASIC设计始于UA1和UA2时期,当时超级质子同步加速器(Super Proton Synchrotron)作为质子 - 反质子对撞机运行,为发现W和Z玻色子提供足够的相互作用能量。机缘巧合,1988年UA2成为了世界上第一台使用硅探测器和读出芯片的对撞机实验。内部和外部硅探测器阵列的应用是为了解决这一困难:辨识出靠近初级对撞顶点的W玻色子衰变产生的单个电子。得益于AMPLEX芯片的使用,带有较小灵敏面(Pad)的内部硅探测器阵列可安装在光束管周围的9mm狭小空间内.AMPLEX是一个经过充分验证,技术成熟的16通道信号读出和放大芯片,基于3μmCMOS工艺。

Erik Heijne和Pierre Jarron在1980年向CERN引入了硅微条探测器,这引发了对读出芯片的需求。硅微条探测器的位置分辨率可达到微米级别,但它的通道数非常多,需要集成的片上信号处理系统同时处理大量并行的探测器信号。为了发展这种探测器读出的想法,在1984 - 1985年间,Heijne被借调到鲁汶大学,这时IMEC( Interuniversity MicroElectronics Centre )刚刚成立。不久CMOS技术就显示出它的领先地位,在IMEC的经验使Jarron设计出了AMPLEX。

(在更早一些的1983年,一个SLAC、斯坦福大学集成电路实验室、夏威夷大学以及来自CERN的Bernard Hyams有一个合作项目,已经启动了“Microplex”的设计。“Microplex”是一个使用nmos工艺的硅微条探测器读出芯片,最终在1990年夏季被应用在SLAC的MARK II实验上。该芯片的设计在斯坦福由Sherwood Parker和Terry Walker完成。1989年秋季,在LEP的DELPHI实验中使用了更新一代的Microplex。)

Heijne和Jarron热衷于在CERN推广芯片设计,Alessandro Marchioro也是如此,他对开发数字芯片感兴趣。然而,随着LEP项目获批,经费变得更加紧张。随着新设计的出现,不得不采用工业界的设计开发工具和方法学。例如,流片前进行充分仿真要比老旧的“try-and-test(试一试,测一测)”方法要好得多,但是仿真需要合适的软件,软件的License以及软件使用技能的训练(这些都需要小钱钱)。幸好,LAA项目恰逢其时。1988年秋,芯片设计组在一笔用于工作站、设计软件和分析设备的经费支持下开始了工作。这一资金为5个芯片设计工程师提供了职位,他们中的大多数至今还留在CERN工作。

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