El chip más rápido del mundo está en el LHC

Un nuevo circuito integrado de alta velocidad que se encuentra en el experimento de física más grande del mundo es considerado el más rápido de su clase. Llamado Link–On–Chip (LOC), o circuito serializador, fue diseñado por físicos investigadores de la Southern Methodist University en Dallas como un elemento clave para ser utilizado en el acelerador de partículas conocido como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Este nuevo circuito integrado fue diseñado para transmitir datos de manera fiable dentro del exigente entorno que significa el experimento de física más importante en la historia de la humanidad.

Muchos teclados se han gastado de tanto escribir acerca de las consecuencias apocalípticas que tendría la puesta en marcha del LHC, pero muy poco se ha escrito sobre la enorme maravilla tecnológica que funciona 100 metros bajo tierra en el corazón de Europa. Un claro ejemplo de esto es el minúsculo serializador de datos LOC diseñado de manera especial para el detector de partículas ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS). Para aquellos que no lo saben, dentro del LHC, el ATLAS es un detector multipropósito. Cuando los haces de protones producidos por el acelerador colisionan en el centro del detector, se produce una serie de partículas con un amplio rango de energías. Más que centrarse en un determinado tipo de partículas, el ATLAS se ha diseñado para que mida el mayor intervalo posible de energías.

Se pretende que, sea cual sea el proceso producido o las partículas generadas, el ATLAS sea capaz de detectarlas y medir sus propiedades. Dentro del túnel circular de 17 kilómetros de largo, los protones que viajan a alta energía se estrellan entre sí y se descomponen en partículas que pueden ser analizadas por físicos de todo el mundo en una inundación de datos electrónicos que involucran el Big Bang, la materia oscura, los agujeros negros, la naturaleza del universo y la partícula de Higgs. Todos los datos obtenidos se transmiten a través de un pequeño circuito serializador que les permite a los físicos analizar la información obtenida buscando respuestas a todos los misterios que aún están sin resolver. Entre estos científicos se encuentra el equipo de investigadores de la Southern Methodist University (SMU), miembros del experimento ATLAS.

El físico Jingbo Ye es un profesor de física que lideró el desarrollo del serializador LOC dentro de la SMU. Este serializador de datos LOC, considerado el más rápido del mundo, es lo que en la industria se conoce como un circuito integrado para un uso específico (ASIC). Diseñado para operar de manera satisfactoria dentro de un medio ambiente de alta radiación (como es el LHC) y para manejar datos de un gran ancho de banda espectral, el diseño pretende obtener un dispositivo de extra baja disipación de potencia y una fiabilidad extrema en referencia a los datos manipulados. Para obtener estas prestaciones, el LOC fue perfeccionado en los últimos tres años en el SMU Research Laboratory for Optoelectronics and ASIC Development, en el Departamento de Física de la SMU. Una característica adicional del serializador SMU LOC es que puede operar a temperaturas criogénicas y ha sido probado a temperaturas de nitrógeno líquido de -196 grados Centígrados.

El dispositivo LOC fue diseñado para transmitir datos al sistema de enlace de lectura óptica del Calorímetro de Argón Líquido en el ATLAS, que es un sub-detector encargado de medir la energía de los electrones y los fotones generados en el centro del ATLAS, donde los protones chocan. Puesto que los componentes electrónicos de lectura están en el centro del detector ATLAS, y que son esencialmente inaccesibles para el mantenimiento rutinario, la fiabilidad fue un factor primordial al momento de diseñar el serializador LOC, dijo Ye.

Con una tasa de transmisión de datos de 5,8 millones de bits por segundo, el serializador SMU LOC es el primer hecho destacado para el equipo liderado por la SMU de Dallas. El equipo planea desarrollar en un futuro próximo un serializador ASIC aún más rápido que permita transmitir datos de hasta 10 mil millones de bits por segundo. Los circuitos integrados más rápidos son esenciales ya que el CERN continúa aumentando la energía dentro del LHC, lo que genera más y más datos. "Por el momento, el serializador SMU LOC es el más rápido en nuestro campo", dijo Ye. La próxima meta para el equipo de la SMU es aumentar tanto la velocidad de datos como el número de líneas de datos para producir un serializador LOC aún más rápido. En los próximos años, esperan aumentar la velocidad total en un factor de más de 62 respecto a lo que está instalado en la actualidad en el ATLAS.

El diseño del serializador SMU LOC fue presentado en febrero en el CERN. Construido con transistores complementarios MOS (metal-oxide-semiconductor) a base de silicio y zafiro, algunos detalles de diseño del serializador también se presentarán este mes en Hamburgo durante la Semana de Actualización de ATLAS en el laboratorio DESY, principal centro de investigación alemán para la física de partículas. La investigación del serializador SMU LOC fue financiado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE.UU. Cabe aclarar que el actual serializador LOC, utilizado en el Calorímetro de Argón Líquido del ATLAS, fue desarrollado e instalado por un equipo liderado por la SMU en conjunto con físicos e ingenieros de Francia, Suecia, Taiwán y los Estados Unidos.

El desarrollo de un nuevo circuito serializador de datos SMU LOC es fundamental para la actualización del LHC que pasará a llamarse “Super LHC”, el cual se pretende que esté operativo para 2017, dijo el físico Ye. “El diseño original del serializador que se utilizaría en el LHC fue un producto comercial que fue comprado a Agilent Technologies”, añadió Ye, "pero para el Super LHC no hay ningún dispositivo comercial que cumpla con los requisitos que el trabajo requiere, por lo que nos propusimos diseñar nosotros mismos nuestros circuitos integrados serializadores de datos". El Calorímetro de Argón Líquido existente en el ATLAS posee enlaces de fibra óptica diseñados por los científicos de la SMU que tienen un ancho de banda de 2.4 Terabits por segundo, corriendo sobre un total de 1524 fibras. Esto equivale a un valor aproximado de 1,6 Gigabits por segundo, por cada fibra. La próxima generación de este sistema de enlace de fibra óptica se basará en un nuevo serializador SMU LOC y llegará a 152,4 Terabits por segundo en todo el sistema.

"La creciente complejidad de los experimentos de física de partículas impone nuevas y desafiantes condiciones en la electrónica", dijo Ye. "El serializador LOC era una tarea formidable, pero nuestro equipo estaba preparado para el desafío".