[論文レビュー] FPGA-based low-cost synchronized fiber network for experimental setups in space

Tim Oberschulte, Thijs Wendrich+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Advancements in PLL and VCO Technologies参考文献 13被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、プラスチックファイバーを用いた低コストでFPGAベースの光ファイバーネットワークを提案する。このネットワークは木構造トポロジーを採用し、1ナノ秒未塔の同期ジタを実現することで、ガルバニック絶縁と軽量化を実現する。システムは150 MHzクロックを基盤に8b/10bエンコーディングを用いたカスタムプロトコルを採用し、40 Mbit/sのデータレートを達成するとともに、トリガ遅延の標準偏差が100 ps未塔に抑えられ、高精度なタイミング制御と最小限のケーブル接続を必要とする宇宙空間およびラボ実験に最適である。

ABSTRACT

Custom experiment setups in physics often require control electronics to execute actions and measurements on a small time scale. When further constraints limit the experiment's environment, for example when the experiment is inside a sounding rocket, conventional network systems will not suffice those constraints because of weight, heat or budget limitations. This paper proposes a network architecture with a time resolution of less than 1 ns over a pair of plastic fibers while using low-cost commercial hardware. The plastic fibers in comparison to copper fibers have a low weight and additionally can isolate parts of the setup galvanically. Data rates of 40 Mbit/s enable the network to transfer large amounts of measurements and configuration data over the network. Proof-of-concept implementations of network endpoints and switches on small FPGAs are analyzed in terms of synchronicity, data rate and resource usage. Using commercial parts the resolution of 1 ns is reached with a standard deviation of less than 100 ps. Compared to a copper wire implementation the weight is reduced by about one order of magnitude. With its low weight at a low cost, the network is useful in space or laboratory setups which require high time resolution.

研究の動機と目的

• 宇宙機搭載および微小重力実験において、低ジタ、ガルバニック絶縁、軽量な通信を実現する必要に応える。
• 複数の銅ケーブル（クロック、データ、トリガ、アドレス）を1本のファイバー接続に置き換え、重量、複雑性、ルーティングの課題を軽減する。
• スペース制約および電力制約のある環境で、商業的市販部品（COTS）のFPGAと光ファイバーのみを用いて1ナノ秒未塔のタイミング分解能を達成する。
• BECCAL や MAIUS などの宇宙ミッションにおいて、遠隔デバイス（例：ファームウェア更新）の高帯域幅での再構成を可能にする。
• 複数の電気的アースや長距離信号絶縁を要するラボ環境に適した、スケーラブルで決定論的なネットワークを設計する。

提案手法

• 中央のホスト（マスタ）とエンドポイント（スレーブ）からなる木構造トポロジーのネットワークを実装し、双方向通信（送信および受信ファイバー）にプラスチック光ファイバーを用いる。
• 150 MHzのベースクロックを用いたカスタムプロトコルを採用し、8b/10bエンコーディングにより40 Mbit/sのデータレートを達成。1データビットあたり3クロックサイクルを要する。
• FPGAベースのネットワークエンドポイントおよびスイッチを設計し、1ファイバーインターフェースあたり590 LUTに留める。これにより、リソース使用量が少なく、異なるFPGA間での移植性が確保される。
• ファイバーを介した単一クロック配布によりマスタースレーブ同期を実現。受信側で位相整合とジタ抑制を実装する。
• カスタムアプリケーション層プロトコルを用いてファームウェアおよび設定データを転送。パケットサイズを変化させることで有効データレートを測定する。
• Intel MAX10 FPGAを用いた概念実証実装により、商用光トランシieverおよび最大50 mのプラスチックファイバーを用いてシステムを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストでCOTSベースのFPGAネットワークは、プラスチックファイバーのみを用いて、スペース制限のある環境で1ナノ秒未塔のタイミングジタを達成できるか？
• RQ2 1本のファイバーが、実験環境における複数の銅ケーブル（クロック、データ、トリガ、アドレス）をどれだけ効果的に置き換えることができるか？
• RQ3 ホスト → スイッチ → エンドポイントのような複数ホップに拡張した場合、ネットワークのデータレートおよびジタ性能はどのように変化するか？
• RQ4 最小限の論理素子を有する小型FPGAに、同期的かつ等時間的（イソクロナス）なネットワークを実装する際のリソースオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ5 電源の再起動後も、ネットワークが決定論的な同期を維持できるか。また、大容量のファームウェア転送をサポートできるか？

主な発見

• 本ネットワークは、標準偏差100 ps未塔の1ナノ秒未塔のタイミング分解能を達成。商業的部品のみを用いても、1ナノ秒未塔の同期精度を実証した。
• 大容量パケット（約918 kB）を送信した場合、最大有効データレートは39.92 Mbit/sに達し、小容量パケットと比較してオーバーヘッドが顕著に低減した。
• FPGA実装では、1ファイバーインターフェースあたり590 LUT、8ポートスイッチで6,438 LUTを要し、同等のSpaceFibre実装に比べて論理領域の10％未満に抑えられた。
• ケーブル数を1接続あたり3本から1本に削減し、銅ベースシステムと比較してシステム重量を10倍以上軽量化した。
• 光ファイバーによるガルバニック絶縁を実現。異なるアースポテンシャルを持つ環境（例：複数部屋のラボ環境や宇宙ステーション）でも使用可能である。
• ネットワークを介した信頼性の高いファームウェアおよび設定データの更新が可能であり、BECCALミッションのような宇宙ミッションにおける軌道上での再プログラミングを支援する。