[논문 리뷰] TiCkS: A Flexible White-Rabbit Based Time-Stamping Board

Cedric Champion, M. Punch외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 19.

Gyrotron and Vacuum Electronics Research참고 문헌 1인용 수 2

한 줄 요약

TiCkS는 고에너지 물리 실험에서 트리거 신호의 서브나노초 수준의 타임스탬프 정밀도를 달성하는 컴act한 FPGA 기반의 화이트 린서(node)이다. 스파르탄-6 FPGA에 맞춤형 펌웨어를 구현하여 입력 트리거를 나노초 정밀도로 타임스탬프 처리하고, WR 광섬유를 통해 UDP를 통해 타임스탬프를 전송하며, 동기화 및 제어를 위한 PPS와 SPI를 지원한다. 이는 최대 320 kHz까지 거의 손실이 없는 성능을 보이며, 여러 개의 보드에서 1 ns 이내의 안정성을 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 15년 수명을 보장하는 고도로 내구성 있는 하드웨어를 기반으로, 체렌코프 망원경 앙상블(Cerenkov Telescope Array, CTA)에 하위나노초 정밀도로 타임스탬프를 제공하는 저비용, 컴팩트한 솔루션 개발.
• 이벤트 재구성에서 소프트웨어 기반의 동시성 검출을 지원하기 위해 망원경에서 온 트리거 신호의 정확한 상대적 타임스탬프를 제공.
• CTA 이외의 분야에도 적용 가능한 나노초 정밀도의 타임스탬프 기능을 갖춘 개방형 하드웨어 플랫폼 제공.
• 극한 환경 조건에서 장기간 안정적으로 작동할 수 있도록 15년 수명 보장을 확보.

제안 방법

• TiCkS 보드는 PCIe 및 DDR3 컴ponent를 제거하여 크기와 전력 소모를 줄인 수정된 White Rabbit SPEC 노드를 기반으로 제작되었다.
• 맞춤형 펌웨어가 두 개의 채널(읽기 출력 및 바쁜 트리거)에서 입력 트리거를 나노초 정밀도로 타임스탬프 처리하기 위한 시간-디지털 변환기(TDC)를 구현한다.
• UDP 스택을 통해 제어 및 설정에 사용되는 동일한 WR 광섬유를 통해 타임스탬프 및 보조 데이터를 전송한다.
• 중앙 White Rabbit 타임 레퍼런스에 동기화된 PPS 신호와 10 MHz 클럭을 생성하며, 연결된 장치로부터 보조 이벤트 데이터를 수신하기 위한 SPI를 지원한다.
• 장기 운영을 위해 24V 전원 지원 및 CTA 카메라 환경에 적합한 견고한 커넥터로 하드웨어를 재설계하였다.
• 향후 버전에서는 FMC 커넥터를 추가하여 메자닌 카드를 통해 유연한 I/O를 지원할 계획이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정밀 타이밍 네트워크에서 컴팩트하고 저전력이며 저비용의 타임스탬프 노드가 하위나노초 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 CTA 운영에서 일반적인 높은 트리거 레이트 조건에서 TiCkS 보드의 성능은 어떻게 되는가? 특히 이벤트 손실 및 타임스탬프 안정성 측면에서 평가된다.
• RQ3 분산 시스템 내에서 여러 노드 간에 나노초 수준의 동기화 정밀도를 유지할 수 있는가?
• RQ4 증가하는 트리거 주파수에서 타임스탬프 메커니즘의 효과적인 사각지대(dead-time)와 이벤트 손실 비율은 얼마인가?
• RQ5 고정 주파수 및 랜덤 트리거 입력을 모두 처리할 수 있으며, 최소한의 타이밍 제한과 높은 신뢰성을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 다양한 케이블 지연 조건에서도 여러 보드 간 상대적 정밀도가 1 ns 이내로 유지되어, 타임스탬프 정밀도가 매우 우수하다.
• 320 kHz 이하의 트리거 레이트에서는 이벤트 손실이 관찰되지 않았으며, 400 kHz에서 약간의 손실 증가가 나타나 320 kHz가 실제 운영 한계로 보인다.
• 시스템은 거의 영향을 받지 않는 사각지대 효과를 보이며, 19 kHz에서 등가 사각지대가 1 ns 미만으로 매우 낮게 유지되어, 샤워 거부에 필요한 약 30 ns 사각지대에 비해 무시할 만하다.
• 랜덤 트리거의 이벤트 간격(ΔTintra) 분포는 지수함수로 잘 맞춰지며, 이는 안정적이고 상관성이 없는 이벤트 처리를 확인한다.
• PPS 및 10 MHz 클럭 출력 신호는 정밀하게 정렬되어 있으며, 측정된 오프셋이 1 ns 미만으로 정확한 동기화를 확인한다.
• 펌웨어 및 하드웨어 설계는 극한 환경에서 장기 운영(15년 수명)에 충분히 견딜 수 있도록 설계되었으며, 향후 WR OpenHardware 레포지토리에 설계를 공개할 계획이다.