PSEC6: an 8-Channel 40 GSa/s Waveform Sampling ASIC in TSMC 65nm with 10.24 GHz PLL

Dans le monde de la physique des hautes énergies, où les scientifiques font entrer des particules en collision pour comprendre les blocs fondamentaux de l'univers, le temps est la règle la plus critique. Lorsque les particules entrent en collision, elles créent des éclats de lumière et d'énergie éphémères qui disparaissent en une fraction de seconde. Pour reconstruire ce qui s'est passé, les chercheurs doivent mesurer exactement quand ces éclats surviennent avec une précision incroyable. Si le timing est décalé, ne serait-ce que d'une infime fraction, l'image de l'événement devient floue, et les scientifiques pourraient manquer des détails cruciaux sur la façon dont les particules interagissent ou sur leur origine. Ce besoin d'une précision temporelle extrême stimule le développement d'une électronique spécialisée capable de capturer des signaux à des vitesses qui dépassent de loin le clin d'œil. L'objectif est de créer un système capable d'enregistrer ces événements rapides de manière claire, sans perte de données ni introduction d'erreurs, permettant aux physiciens de voir l'univers avec une netteté plus grande que jamais.

Une équipe de chercheurs a développé une nouvelle puce électronique conçue pour répondre à ces exigences exigeantes, repoussant les limites de ce qui est possible dans la capture de signaux à haute vitesse. Cette puce, connue sous le nom de PSEC6, agit comme une caméra haute vitesse pour les signaux électriques, capable de prendre des instantanés de changements de tension à un taux de 40 milliards de fois par seconde. Pour mettre cette vitesse en perspective, si la puce devait prendre un instantané chaque seconde, il lui faudrait plus de mille ans pour atteindre le nombre d'échantillons qu'elle capture en une seule seconde. Le dispositif a été construit en utilisant un processus de fabrication standard pour les puces informatiques, pourtant, il atteint un niveau de performance qui était auparavant difficile à atteindre dans cette technologie spécifique. Les chercheurs ont conçu et simulé avec succès le comportement de la puce, confirmant qu'elle peut gérer les vitesses extrêmes requises pour les expériences modernes de physique des particules tout en maintenant la stabilité nécessaire pour des mesures précises.

Le défi central de la construction d'un tel dispositif réside dans l'équilibre entre la vitesse et la capacité de conserver les données assez longtemps pour être lues ultérieurement. La puce contient huit canaux distincts, chacun agissant comme une station d'enregistrement indépendante. À l'intérieur de chaque canal, la puce utilise une méthode appelée réseau de condensateurs commutés, qui fonctionne comme une série de petits seaux capturant et retenant une goutte d'eau représentant un signal électrique. L'innovation réside ici dans l'utilisation de deux types différents de banques d'enregistrement. Un ensemble de banques capture les données extrêmement rapidement sur une période très courte, tandis qu'un autre ensemble enregistre plus lentement sur une durée beaucoup plus longue. Cette double approche permet à la puce de capturer les détails nets et rapides d'une collision de particules tout en conservant un enregistrement à long terme du bruit de fond, ce qui aide les scientifiques à calibrer leurs instruments et à distinguer les signaux réels de l'électricité statique. Les banques rapides peuvent capturer une fenêtre de temps ne durant que 1,6 milliardième de seconde, tandis que la banque lente peut enregistrer un flux continu pendant plus de 200 milliardièmes de seconde.

Pour piloter cet échantillonnage rapide, la puce s'appuie sur une horloge interne hautement précise, un composant appelé boucle à verrouillage de phase. Cette horloge génère un signal qui oscille à une fréquence de 10,24 milliards de cycles par seconde, ce qui est le battement de cœur qui indique aux commutateurs d'échantillonnage quand s'ouvrir et se fermer. Créer une horloge aussi rapide et stable à l'intérieur d'une puce informatique standard est difficile car les hautes vitesses entraînent souvent du jitter, ou de légères variations aléatoires de synchronisation, qui peuvent rendre les données floues. L'équipe a conçu un système d'horloge personnalisé qui minimise ces variations, prédisant une stabilité temporelle si fine que l'erreur se mesure en femtosecondes, une unité de temps si petite qu'elle est difficile à imaginer. Les simulations suggèrent que ce système d'horloge consomme très peu d'énergie, ce qui le rend assez efficace pour être utilisé dans de grands réseaux de détecteurs sans épuiser excessivement l'énergie.

Le chemin que prend le signal électrique à travers la puce est également soigneusement élaboré pour préserver la forme des données. Lorsque le signal pénètre dans la puce, il passe par des tampons qui l'amplifient sans en déformer la forme, garantissant que les fronts de montée rapides du signal sont capturés avec précision. L'équipe de conception a choisi des types spécifiques de transistors, les minuscules commutateurs qui contrôlent le flux d'électricité, pour gérer les tensions élevées requises pour une commutation rapide tout en maintenant une large bande passante. Cette bande passante, qui détermine quelle partie du spectre de fréquence du signal peut être capturée, devrait atteindre 4 gigahertz. Cela signifie que la puce peut reproduire fidèlement des signaux qui changent très rapidement, une nécessité pour résoudre les détails fins des interactions de particules. La sortie de la puce reste sous forme analogique, ce qui signifie qu'il s'agit d'une onde électrique continue, qui est ensuite envoyée à un dispositif externe pour être convertie en nombres numériques pour l'analyse informatique.

La consommation d'énergie est une préoccupation majeure dans ces expériences, car les grands détecteurs peuvent contenir des milliers de ces puces. Les simulations indiquent que chacun des huit canaux de la puce PSEC6 consomme environ 20 milliwatts de puissance lors de l'échantillonnage, un montant relativement faible pour une telle performance. Le système d'horloge interne ajoute un autre 15,7 milliwatts. L'ensemble de la puce occupe une zone très réduite, environ 2,7 millimètres carrés, tout en intégrant des commandes numériques complexes, des chemins de signaux analogiques et l'horloge haute vitesse, le tout sur une seule pièce de silicium. La conception comprend des caractéristiques pour protéger les circuits internes délicats des surtensions électriques et pour gérer la chaleur générée pendant le fonctionnement.

Les chercheurs ont terminé les phases de conception et de simulation du projet et ont envoyé les spécifications à un fabricant pour faire produire les puces physiques. Les simulations prédisent que la puce atteindra la résolution temporelle et la bande passante souhaitées, mais la preuve finale ne viendra que lorsque le dispositif physique sera testé en laboratoire. L'équipe prépare actuellement l'équipement et les méthodes nécessaires pour tester la puce dès qu'elle arrivera de l'usine. Si les résultats physiques correspondent aux simulations, cette nouvelle puce fournira un outil puissant pour les expériences futures, permettant aux scientifiques de mesurer le temps avec une précision qui était auparavant hors de portée. Ce travail représente une étape importante dans l'ingénierie de l'électronique pour la science, démontrant qu'il est possible de construire des instruments hautement spécialisés et ultra-rapides en utilisant des techniques de fabrication standard.