[논문 리뷰] FPGA-based low-cost synchronized fiber network for experimental setups in space

Tim Oberschulte, Thijs Wendrich외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 23.

Advancements in PLL and VCO Technologies참고 문헌 13인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 플라스틱 섬유를 사용하여 나무형태의 네트워크에서 1 ns 미만의 동기화 제동을 달성하는 저비용, FPGA 기반의 광섬유 네트워크를 제안한다. 이는 전기적 절연을 가능하게 하고 무게를 감소시킨다. 시스템은 150 MHz 클럭을 기반으로 8b/10b 인코딩을 사용하는 고유 프로토콜을 통해 40 Mbit/s 데이터 전송 속도를 제공하며, 트리거 지연 변동의 표준편차가 100 ps 미만이어서, 고정밀 시간 측정이 요구되며 케이블 수를 최소화해야 하는 우주 및 실험실 실험에 이상적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주 비행 및 무중력 실험에서 저제동, 전기적 절연, 경량 통신의 필요를 해결한다.
• 시계, 데이터, 트리거, 주소 등의 다수의 구리 케이블을 하나의 섬유 연결로 대체하여 무게, 복잡성, 루팅 문제를 줄인다.
• 비용 및 전력 제약 조건에서 소형 FPGAs와 광섬유만을 사용하여 1 ns 이하의 시간 해상도를 달성한다.
• BECCAL 및 MAIUS와 같은 우주 임무에서 원격 장치(예: 펌웨어 업데이트 포함)의 고대역폭 재구성 기능을 가능하게 한다.
• 다수의 전기적 접지 또는 장거리 신호 절연이 필요한 실험실 설정에 적합한 확장 가능하고 결정적인 네트워크를 설계한다.

제안 방법

• 중앙 호스트(마스터)와 종단 장치(슬레이브)로 구성된 나무형태의 네트워크를 구현하며, 양방향 통신을 위한 플라스틱 광섬유(송신 및 수신)를 사용한다.
• 150 MHz 기반 클럭에서 8b/10b 인코딩을 사용하는 고유 프로토콜을 통해 40 Mbit/s 전송 속도를 달성하며, 클럭 주기 3회당 1개의 데이터 비트를 전송한다.
• 각 섬유 인터페이스당 590 LUT만을 사용하여 FPGA 기반의 네트워크 종단 장치 및 스위치를 설계하여 자원 사용을 최소화하고 다양한 FPGA 간 이식성을 확보한다.
• 단일 클럭 분포를 통해 마스터-슬레이브 동기화를 구현하며, 수신기에서 위상 정렬 및 제동 억제를 수행한다.
• 펌웨어 및 설정 데이터 전송을 위한 고유의 응용 계층 프로토콜을 구현하며, 패킷 크기를 변화시켜 유효 전송 속도를 측정한다.
• 상용 광변환기와 최대 50m 길이의 플라스틱 섬유를 사용하여 인텔 MAX10 FPGA에 대한 개념 증명 구현을 통해 시스템을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용, COTS 기반의 FPGA 네트워크가 플라스틱 섬유만을 사용하여 공간 제약 조건에서 1 ns 이하의 제동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 한 개의 섬유가 실험 설정에서 다수의 구리 케이블(시계, 데이터, 트리거, 주소)을 얼마나 효과적으로 대체할 수 있는가? 무게와 복잡성을 줄이는 데 기여하는 정도는?
• RQ3 예를 들어 호스트 → 스위치 → 종단 장치와 같은 다수의 홉을 거쳐 확장할 경우 네트워크의 전송 속도와 제동 성능은 어떻게 되는가?
• RQ4 소형 FPGAs에 최소한의 논리 요소를 사용하여 동기화된 등속도 네트워크를 구현할 경우 자원 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ5 전원 재시작 후에도 네트워크가 결정적인 동기화를 유지할 수 있으며, 궤도상 재프로그래밍을 위한 대용량 펌웨어 전송을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 표준편차가 100 ps 미만인 1 ns 이하의 시간 해상도를 달성하여, 고정밀 시간 동기화 정밀도를 상용 구성 요소만으로 입증하였다.
• 대용량 패킷(약 918 kB) 전송 시 최대 유효 전송 속도는 39.92 Mbit/s에 도달하며, 소형 패킷 대비 오버헤드가 크게 감소하였다.
• FPGA 구현은 각 섬유 인터페이스당 590 LUT만을 사용하고, 8포트 스위치는 6,438 LUT을 차지하여, 유사한 SpaceFibre 구현 대비 필요한 논리 영역의 10% 미만을 차지한다.
• 케이블 수를 연결당 3개에서 1개로 줄였으며, 구리 기반 시스템 대비 시스템 무게를 10배 이상 감소시켰다.
• 광섬유를 통한 전기적 절연을 통해, 다양한 접지 전위가 존재하는 환경(예: 다중 룸 실험실 환경 또는 국제우주정거장)에서도 사용이 가능하다.
• 네트워크를 통해 신뢰성 있는 펌웨어 및 설정 업데이트가 가능하여, BECCAL와 같은 임무에서 궤도상 재프로그래밍을 지원한다.