[論文レビュー] A prototype optical link board with redundancy design for the ATLAS liquid argon calorimeter Phase-2 upgrade

X. Huang, C. Liu+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 4被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、ATLAS液体アルゴンコリメーターPhase-2アップグレード用に、冗長性を備えたプロトタイプ光リンク基板を提示する。24個のlpGBTチップと8個のVTRx+モジュールを用い、10.24 Gb/sで22本の単方向データリンクと、2.56/5.12 Gb/sで2本の双方向制御リンクを実現する。設計は、クロック分配、I2C設定、リセット操作を含む、完全なデータ送信および冗長制御機能の妥当性を確認した。10.24 Gb/sでのBERは3分間で10⁻¹²未塔を満たした。

ABSTRACT

A prototype optical-link board has been developed for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Phase-2 upgrade. The board consists of 24 lpGBT chips and 8 VTRx+ modules and demonstrates the full optical link design of the future front-end board. The board has 22 simplex optical links to transmit detector data, which are emulated in FPGAs and injected through 6 FMC connectors, to the off-detector electronics. The board implements 2 duplex optical links for clocks, control, and monitoring with redundant design to improve the system reliability. Data transmission and all redundant designs have been verified. A fiber routing scheme, in which 2 or 3 VTRx+ modules are re-connected to the front panel with an MPO connector, has been prototyped.

研究の動機と目的

• ATLAS液体アルゴンコリメーターの将来のフロントエンドボード（FEB2）の完全な光リンク機能を模倣するプロトタイプ光リンク基板を開発すること。
• FPGAおよびFMCコネクタを用いて、10.24 Gb/sの高速データ送信（22本の単方向光リンク）を検証すること。
• クロック、I2C設定、BCR信号、システムモニタリングの冗長制御リンクアーキテクチャを実装・検証し、システム信頼性を向上させること。
• 2〜3個のVTRx+モジュールを1つのMPOコネクタでフロントパネルに直接接続する新しいファイバー配線方式のプロトタイピングと評価を行うこと。
• HL-LHC環境に耐える放射線耐性およびシステムの強靭性を確保すること。具体的には、TID 2.25 kGyおよびNIELフラクチュエーション 4.9 × 10¹³ neq/cm²を想定する。

提案手法

• プロトタイプ基板には、24個のlpGBTチップ（データ用22個、制御用2個）と8個のVTRx+モジュールを統合し、10.24 Gb/sで22本の単方向データリンクと、2.56 Gb/s（下流）および5.12 Gb/s（上流）で2本の双方向制御リンクを実現する。
• 検出器データはFPGA内でエミュレートされ、6個のFMCコネクタを介して注入され、フロントエンドエレクトロニクスからのリアルタイムデータ送信を模擬する。
• 冗長制御機能は、二重の制御用lpGBT（12番と13番）を用い、プライマリおよびセカンダリのI2Cコントローラーを備え、FEBの両半分間で双方向通信を実現する。
• クロック分配の冗長性は、lpGBT 12がRefClkピンを介してlpGBT 13に40-MHzクロックを供給し、一般用途I/Oピンを介してその設定を制御することによって達成される。
• I2C設定の冗長性は、プライマリリンクの故障時にセカンダリI2Cコントローラー（lpGBT 10番と11番）がI2Cバスの制御を引き継ぐように実装される。
• システムレベルの冗長性は、BCR信号分配、ASICリセット、電源再起動のテストを通じて検証され、単一リンク動作による全機能の確認が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロトタイプ光リンク基板は、将来のATLAS LArコリメーターFEB2の完全なデータおよび制御リンク機能を正常にエミュレートできるか？
• RQ2 10.24 Gb/sのデータリンクにおけるビットエラーレート（BER）性能は、継続的な運用下でどの程度であり、必要な信頼性の閾値を満たしているか？
• RQ3 プライマリリンクまたは光モジュールの故障が発生した場合、冗長制御リンクがクロック、I2C、BCR、リセットの機能を維持できるか？
• RQ4 1つのMPOコネクタを介してフロントパネルに2〜3個のVTRx+モジュールを接続する新しいファイバー配線方式の性能と実現可能性はいかがなものか？
• RQ5 HL-LHC環境に特有の高放射線条件下でも、システムは信頼性を維持できるか？

主な発見

• 22本の単方向データリンクすべてが、10.24 Gb/sで3分間のテスト中に10⁻¹²未塔のビットエラーレート（BER）を達成した。これは84%の信頼度に対応する。
• 冗長制御リンク設計は、1本の下流制御リンクを抜いた状態でも、クロック分配、I2C設定、BCR信号配信を正常に維持した。
• I2C設定の冗長性が検証された。プライマリリンクの故障後に、セカンダリコントローラー（lpGBT 10番と11番）が正常にI2Cバスの制御を引き継いだ。
• lpGBT 12と13間のクロスオーバーリセットおよび電源再起動機能が正常にテストされ、どちらのチップでも相手をリセットまたは電源を再起動できることが確認された。
• 1つのMPOコネクタを介して2〜3個のVTRx+モジュールをフロントパネルに再接続するプロトタイプファイバー配線方式が正常に実証された。これにより、挿入損失と機械的複雑性が低減された。
• 基板の設計（レイヤースタックおよび材料（EM-888K））は、将来のFEB2と互換性があり、最終的なフロントエンドエレクトロニクスへの直接統合が可能である。