[論文レビュー] FlashCam: A fully digital camera for the Cherenkov Telescope Array

G. Pühlhofer, C. Bauer+22 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2013

Particle Detector Development and Performance被引用数 8

ひとこと要約

FlashCamは、Cherenkov Telescope Array（CTA）向けに、商用FADCおよびFPGAを用いた完全デジタルでFPGAベースのカメラシステムを提案する。このシステムは、プログラマブルなトリガー、リアルタイム信号処理、高帯域幅のイーサネットデータ送信を可能にする。30 kHzのトリガーレートまで死時間ゼロの動作を達成し、3.8 GBytes/secのデータレートを実現。144ピクセルのプロトタイプで完全な機能を確認し、モジュラーでコスト効率の良い1764ピクセルの本格的カメラへの道筋を示した。

ABSTRACT

FlashCam is a Cherenkov camera development project centered around a fully digital trigger and readout scheme with smart, digital signal processing, and a "horizontal" architecture for the electromechanical implementation. The fully digital approach, based on commercial FADCs and FPGAs as key components, provides the option to easily implement different types of triggers as well as digitization and readout scenarios using identical hardware, by simply changing the firmware on the FPGAs. At the same time, a large dynamic range and high resolution of low-amplitude signals in a single readout channel per pixel is achieved using compression of high amplitude signals in the preamplifier and signal processing in the FPGA. The readout of the front-end modules into a camera server is Ethernet-based using standard Ethernet switches. In its current implementation, data transfer and backend processing rates of ~3.8 GBytes/sec have been achieved. Together with the dead-time-free front end event buffering on the FPGAs, this permits the cameras to operate at trigger rates of up to several tens of kHz. In the horizontal architecture of FlashCam, the photon detector plane (PDP), consisting of photon detectors, preamplifiers, high voltage-, control-, and monitoring systems, is a self-contained unit, which is interfaced through analogue signal transmission to the digital readout system. The horizontal integration of FlashCam is expected not only to be more cost efficient, it also allows PDPs with different types of photon detectors to be adapted to the FlashCam readout system. This paper describes the FlashCam concept, its verification process, and its implementation for a 12 m class CTA telescope with PMT-based PDP.

研究の動機と目的

• Cherenkov Telescope Array（CTA）向けに、デジタル信号処理を用いた完全デジタルでスケーラブルかつコスト効率の良いカメラ読み出しシステムを開発すること。
• ハイブリッド線形／対数プリアンプとFPGAベースの信号処理を用いて、Cherenkov光子検出のための高ダイナミックレンジおよび1ナノ秒未塔の時間分解能を実現すること。
• 光子検出平面（PDP）とデジタル読み出し電子回路を分離した水平アーキテクチャの実現を検証し、モジュラリティと保守性の向上を図ること。
• 標準のイーサネットインfraストラクチャとRaw-Ethernetプロトコルを用いて、リアルタイムで死時間ゼロの動作を実現する最大3.8 GBytes/secの高スループットを達成すること。
• 12 m CTA望遠鏡用の本格的1764ピクセルカメラプロトタイプの準備を進めるために、144ピクセルのミニカメラプロトタイプを実証すること。

提案手法

• システムは、250 MHzのサンプリングを行う商用Flash ADCを用い、フォトマルチプライヤ（PMT）からのアナログ信号をリアルタイムでデジタル化する。
• FPGAはデジタルトリガー、パルス形状解析、信号圧縮を実行し、物理的な分離なしに1ピクセルあたりの仮想的な高・低ゲインチャネルを実現する。
• 水平アーキテクチャにより、PDP（PMT、プリアンプ、HV、制御システムを含む）をアナログケーブルでデジタル読み出しボードに接続した独立したユニットとして分離する。
• 読み出し電子回路は、FPGAおよびFADCメザニンボードを搭載したミニクラスタにまとめられ、データ送信には標準のギガビットイーサネットリンクが使用される。
• 10 Gbitリンクを介したRaw-Ethernetプロトコルを採用し、低遅延かつ死時間のない状態で約3.8 GBytes/secのデータレートを達成する。
• 信号整合性と性能は、CAT5/6ケーブル、CANバス制御、トリガアルゴリズムおよび帯域幅要件のための広範なシミュレーションを用いて検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全デジタルでFPGAベースのカメラシステムは、Cherenkov望遠鏡用途に必要な時間分解能および振幅分解能を達成できるか？
• RQ2 分離されたPDPとデジタル電子回路を有する水平アーキテクチャは、コスト削減、モジュラリティの向上、保守性の向上に寄与するか？
• RQ3 1ピクセルあたり1つのFADCとFPGAで、物理的ゲインスイッチングなしに十分なダイナミックレンジと分解能を提供できるか？
• RQ4 標準のイーサネットインfraストラクチャは、高トリガーレートでの死時間ゼロ動作に必要なデータレート（最大3.8 GBytes/sec）を満たすか？
• RQ5 ハードウェア変更なしに、ファームウェアのアップデートによりリアルタイムでシステムを再構成できるか？

主な発見

• FlashCamシステムは、4つの10 Gbitイーサネットインターフェースを用いて、約3.8 GBytes/secのデータ転送レートを達成し、数10 kHzのトリガーレートまで死時間ゼロの動作を実現した。
• 5光電子以上の信号に対しては1ナノ秒未塔の時間分解能を達成し、振幅分解能はCTAの要件を上回った。ダイナミックレンジは1光電子から3000光電子以上に達した。
• FPGAベースの信号処理により、二重応答プリアンプを用いて高・低ゲインチャネルを模倣し、物理的ゲイン分離の必要性を排除し、ハードウェアリソースの節約に成功した。
• PDPモジュール12個とFADCボード8枚を搭載した144ピクセルのミニカメラプロトタイプは、完全に組み立てられ、カメラスケールに相当するシステム統合の検証が完了した。
• 本格的カメラプロトタイプは、2トン未満の重量と約4.5 kWの消費電力に抑えられ、部品の信頼性を維持するため、ファンとウォーターエアーヒートエクスチェンジャーを用いた冷却が計画されている。
• モジュラーで水平アーキテクチャの設計により、カメラの前面カバーを外さずにPDPモジュールおよび読み出しボードの現地交換が可能となり、保守性が著しく向上した。