[論文レビュー] TiCkS: A Flexible White-Rabbit Based Time-Stamping Board

Cedric Champion, M. Punch+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2017

Gyrotron and Vacuum Electronics Research参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

TiCkS は、高エネルギー物理学実験におけるトリガーシグナルのサブナノ秒レベルのタイムス탬ピング精度を達成する、コンactなFPGAベースのホワイトラビットノードです。スパルタン-6 FPGAにカスタムファームウェアを実装し、2つのチャネル（読み出しとビジー）のトリガーシグナルをナノ秒精度でタイムスタンプし、WRファイバー経由でUDPでタイムスタンプを送信するとともに、同期および制御のためのPPSとSPIをサポートします。320 kHzまでの高周波でイベント損失がほとんどなく、複数のボード間で1ナノ秒未塔の安定性を示しており、実用的な性能を確認しました。

ABSTRACT

We have developed the TiCkS board based on the White Rabbit (WR) SPEC node, to provide ns-precision time-stamps (TSs) of input signals (e.g., triggers from a connected device) and transmission of these TSs to a central collection point. TiCkS was developed within the specifications of the Cherenkov Telescope Array (CTA) as one of the candidate TS nodes, with a small form-factor allowing its use in any CTA camera. The essential part of this development concerns the firmware in its Spartan-6 FPGA, with the addition of: 1) a 1ns-precision TDC for the TSs; 2) a UDP stack to transmit TSs and auxiliary information over the WR fibre, and to receive configuration & slow control commands over the same fibre. It also provides a 1-PPS and other clock signals to the connected device, from which it can receive auxiliary event-type information over an SPI link. A version of TiCkS with an FMC connector will be made available in the WR OpenHardware repository, so allowing the use of a mezzanine card with varied formats of input/output connectors, providing a cheap, flexible, and reliable solution for ns-precision time-stamping of trigger signals up to 200 kHz, for use in other experiments.

研究の動機と目的

• Cherenkov Telescope Array (CTA) に、低コストでコンパクトかつ信頼性の高いサブナノ秒精度のタイムスタンピングソリューションを開発すること。
• イベント再構築におけるソフトウェアベースの一致検出を支援するため、望遠鏡からのトリガーシグナルの正確な相対的タイムス탬ピングを可能にすること。
• CTAを越えて応用可能な、ナノ秒精度のタイムスタンピングに適した柔軟でオープンハードウェアのプラットフォームを提供すること。
• 極端な環境条件下でも15年間の長寿命運用を確保すること。

提案手法

• TiCkS ボードは、PCIeおよびDDR3コンponentsを削除した変更版ホワイトラビット SPEC ノードを基盤としており、サイズと消費電力を低減しています。
• カスタムファームウェアにより、ナノ秒精度の時間-デジタルコンバータ（TDC）を実装し、2つのチャネル（読み出しとビジー）のトリガーシグナルをタイムスタンプしています。
• UDPスタックにより、制御および設定に使用される同じWRファイバー経由で、タイムスタンプと補助データを送信しています。
• 中央のホワイトラビット時間基準に同期したPPS信号と10 MHzクロックを生成し、接続されたデバイスからの補助イベントデータ受信のためのSPIをサポートしています。
• CTAカメラ環境での長期間運用を想定し、24V電源対応および耐久性のあるコネクタを採用したハードウェアの再設計が行われました。
• 将来のバージョンでは、メザニンカードによる柔軟なI/Oを可能にするためにFMCコネクタを搭載する予定です。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトで低消費電力かつ低コストのタイムスタンピングノードが、高精度時刻ネットワークにおいてサブナノ秒レベルの精度を達成できるか？
• RQ2 CTA運用で一般的な高トリガーレート下で、TiCkS ボードの性能は、イベント損失およびタイムスタンプ安定性の観点でどの程度か？
• RQ3 分散システムにおける複数ノード間で、TiCkS ボードがナノ秒レベルの同期精度を維持できるか？
• RQ4 トリガーレートを増加させた際のタイムスタンピング機構の有効なデッドタイムとイベント損失率はどの程度か？
• RQ5 固定周波数およびランダムなトリガーデータ入力の両方を、最小限のタイミングジタと高い信頼性で処理できるか？

主な発見

• 複数のボード間で、ケーブル遅延の変動があっても、相対的なタイムス탬ピング精度が1ナノ秒未塔であることが確認された。
• トリガーレートが320 kHzまででイベント損失は観測されず、400 kHzではわずかな損失増加が見られたことから、実用的な運用限界は約320 kHzであると示唆された。
• デッドタイムの影響は無視できるほど小さく、19 kHzでの等価デッドタイムは1ナノ秒未塔であり、シャワー除去に必要な約30ナノ秒のデッドタイムと比較して無視できる。
• ランダムトリガーのイベント間隔（ΔTintra）の分布は指数関数的によくフィットしており、安定したかつ相関のないイベント処理が行われていることが確認された。
• PPSおよび10 MHzクロック出力は正確に整合しており、測定されたオフセットは1ナノ秒未塔であり、正確な同期が確保されていることが裏付けられた。
• ファームウェアおよびハードウェア設計は、過酷な環境下での長期間運用（15年間）に耐える十分な堅牢性を有しており、設計はホワイトラビット OpenHardware リポジトリへの公開を計画中である。