[논문 리뷰] The readout supervisor firmware for controlling the upgraded LHCb detector and readout system

F. Alessio, P. Durante외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 22.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 40 MHz 번치 크로스링 운영을 위한 업그레이드된 LHCb 검출기의 리어아웃 시스템을 동기화하고 제어하기 위해 설계된 VHDL 펌웨어 코어인 Readout Supervisor를 제시한다. 이는 정밀한 타이밍 분배, 이벤트 빌딩, 캘리브레이션 및 다양한 운영 조건에 대한 가변 제어를 가능하게 하며, LHCb 실험의 2019년 업그레이드를 위한 완전 가변 아키텍처에서 실시간 논리로 모든 리어아웃 구성 요소 간에 완전한 동기화를 달성한다.

ABSTRACT

In 2019, the LHCb experiment at CERN will undergo a major upgrade where its detector electronics and the entire readout system will be replaced. The goal is to read-out all events at the full LHC frequency of 40 MHz, reaching a total data rate of ~40 Tb/s. In this context, a new timing, trigger and readout control system has been developed: its main tasks are to distribute centrally the clock, the timing information and to synchronize all elements in the readout system: from the very last Front-End ASIC to the building of events to be stored. The heart of the timing and readout control system is a VHDL firmware core that is now finalized and currently in use in test-benches and test-beams by the upgraded sub-detectors, for their initial commissioning phase. Such firmware core is able to generate all necessary processes to keep the synchronization of all readout elements with the LHC bunch crossing as well as it is able to generate asynchronous commands for calibration or test purposes. It is also able to accommodate for specific recipes to handle varying running conditions, by using a generic and fully configurable approach. In this paper, the philosophy and the implementation behind such firmware are described in details, posing particular emphasis to the real-time logical processes that were developed in order to satisfy the requirements of synchronization and readout control of the upgraded LHCb detector.

연구 동기 및 목표

• 업그레이드된 LHCb 검출기에서 40 MHz에서 운영되는 중심 타이밍, 트리거, 리어아웃 제어 시스템을 개발하기 위해.
• LHC 번치 크로스링과 동기화된 모든 리어아웃 요소(프론트엔드 ASIC에서 이벤트 빌더까지)를 정밀하게 동기화하기 위해.
• 다양한 운영 조건과 테스트/캘리브레이션 명령어를 처리할 수 있는 일반적이고 완전히 가변적인 펌웨어 솔루션을 제공하기 위해.
• 업그레이드된 LHCb 시스템의 전체 리어아웃 체인을 실시간으로 제어하고 조율하기 위해.

제안 방법

• 타이밍, 트리거, 리어아웃 조율을 위한 중심 제어기로 사용되는 VHDL 펌웨어 코어의 구현.
• LHC 번치 크로스링(40 MHz)과 동기화를 유지하기 위한 실시간 논리적 프로세스 설계.
• 주 타이밍 스트림과 독립적인 캘리브레이션 및 테스트 절차를 위한 异상(비동기) 명령 생성 통합.
• 다양한 운영 및 시운전 조건에 적응하기 위해 일반적이고 완전히 가변적인 아키텍처 사용.
• 초기 하위 검출기 시운전을 위한 테스트 벤치 및 테스트 빔에서의 펌웨어 배포 및 검증.
• 모든 리어아웃 구성 요소에 클록 및 타이밍 신호의 중심 분배를 통해 전역적 동기화 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 40 Tb/s 데이터 시스템에서 전체 리어아웃 구성 요소 간 정밀한 동기화를 달성하기 위해 단일 펌웨어 코어가 어떻게 작동할 수 있는가?
• RQ2 40 MHz에서 이벤트 빌딩 및 타이밍 분배를 제어하기 위해 필요한 실시간 제어 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 펌웨어는 정상 운영과 비동기 캘리브레이션/테스트 명령어를 모두 어떻게 지원할 수 있는가?
• RQ4 LHCb 리어아웃 시스템에서 다양한 운영 조건에 대응하기 위해 완전한 가변성을 가능하게 하는 아키텍처 원칙은 무엇인가?

주요 결과

• Readout Supervisor 펌웨어는 40 MHz에서 LHC 번치 크로스링과 모든 리어아웃 요소를 정밀하게 동기화하여 최고 속도 데이터 수집을 가능하게 했다.
• 펌웨어는 연속적인 동기화와 캘리브레이션 및 진단을 위한 고립된 비동기 명령어를 모두 지원한다.
• 다양한 운영 및 시운전 시나리오에 적응할 수 있는 일반적 펌웨어 아키텍처를 통해 전체 가변성 달성.
• 펌웨어는 테스트 벤치 및 테스트 빔에서 검증되어 LHCb 검출기 업그레이드에 대한 준비가 완료된 것으로 확인되었다.
• 이 구현은 전체 리어아웃 체인에 걸쳐 클록, 타이밍, 트리거 신호의 중심 제어를 가능하게 했다.