[논문 리뷰] A prototype optical link board with redundancy design for the ATLAS liquid argon calorimeter Phase-2 upgrade

X. Huang, C. Liu외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 11.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 4인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 액체 아르곤 캘로리미터 Phase-2 업그레이드를 위한 부속적이고 冗 redundancy를 갖춘 프로토타입 광링크 보드를 제시한다. 이 보드는 24개의 lpGBT 칩과 8개의 VTRx+ 모듈을 사용하여 10.24 Gb/s에서 22개의 싱글렉스 데이터 링크와 2.56/5.12 Gb/s에서 이중성 제어 링크를 구현한다. 설계는 시스템 전체의 데이터 전송과 부속적 제어 기능을 성공적으로 검증하였으며, 시계 분배, I2C 설정, 리셋 동작을 포함하여 10.24 Gb/s에서 3분 동안 BER < 10⁻¹²를 달성하였다.

ABSTRACT

A prototype optical-link board has been developed for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Phase-2 upgrade. The board consists of 24 lpGBT chips and 8 VTRx+ modules and demonstrates the full optical link design of the future front-end board. The board has 22 simplex optical links to transmit detector data, which are emulated in FPGAs and injected through 6 FMC connectors, to the off-detector electronics. The board implements 2 duplex optical links for clocks, control, and monitoring with redundant design to improve the system reliability. Data transmission and all redundant designs have been verified. A fiber routing scheme, in which 2 or 3 VTRx+ modules are re-connected to the front panel with an MPO connector, has been prototyped.

연구 동기 및 목표

• Phase-2 업그레이드를 위한 미래의 ATLAS 액체 아르곤 캘로리미터 프런트엔드 보드(FEB2)의 전체 광링크 기능을 모방하는 프로토타입 광링크 보드를 개발하기 위해.
• FPGA와 FMC 커넥터를 사용하여 10.24 Gb/s에서 22개의 싱글렉스 광링크를 통해 고속 데이터 전송을 검증하기 위해.
• 시계, I2C 설정, BCR 신호, 시스템 모니터링을 위한 부속적 제어 링크 아키텍처를 구현하고 검증하여 시스템 신뢰성을 향상시키기 위해.
• 2~3개의 VTRx+ 모듈을 단일 MPO 커넥터를 통해 프런트 패널에 직접 연결하는 새로운 섬유 루팅 방식을 프로토타이핑하고 평가하기 위해.
• TID 2.25 kGy와 NIEL 플루엔스 4.9 × 10¹³ neq/cm²를 포함한 HL-LHC 조건에서 방사선 내성과 시스템의 견고성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 프로토타입 보드는 24개의 lpGBT 칩(22개는 데이터용, 2개는 제어용)과 8개의 VTRx+ 모듈을 통합하였으며, 10.24 Gb/s에서 22개의 싱글렉스 데이터 링크와 2.56 Gb/s(하향향) 및 5.12 Gb/s(상향향)에서 이중성 제어 링크를 운영한다.
• 검출기 데이터는 FPGA에서 에뮬레이션되어 6개의 FMC 커넥터를 통해 주입되며, 프런트엔드 전자기기에서의 실시간 데이터 전송을 시뮬레이션한다.
• 부속적 제어 기능은 이중 제어 lpGBT(12번과 13번)를 사용하여 구현되며, 주요 및 보조 I2C 컨트롤러와 FEB 반쪽 사이의 양방향 통신을 포함한다.
• 시계 분배 부속성은 lpGBT 12번이 RefClk 핀을 통해 lpGBT 13번에 40-MHz 시계를 공급하고, 일반 목적 I/O 핀을 통해 그 설정을 제어함으로써 달성된다.
• I2C 설정 부속성은 주요 링크의 실패 시 보조 I2C 컨트롤러(lpGBT 10번과 11번)가 I2C 버스 제어를 승계할 수 있도록 구현된다.
• 시스템 수준의 부속성은 BCR 신호 분배, ASIC 리셋, 전원 재시작 테스트를 통해 검증되었으며, 모든 기능은 단일 링크 작동을 통해 확인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로토타입 광링크 보드는 미래의 ATLAS LAr 캘로리미터 FEB2의 전체 데이터 및 제어 링크 기능을 성공적으로 에뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 지속적인 작동 조건에서 10.24 Gb/s 데이터 링크의 비트 오류율(BER) 성능은 어떠한가? 그리고 요구되는 신뢰성 기준을 충족하는가?
• RQ3 주요 링크 또는 광모듈의 고장 발생 시 부속적 제어 링크가 시계, I2C, BCR, 리셋 기능을 유지할 수 있는가?
• RQ4 단일 MPO 커넥터를 통해 프런트 패널에 2~3개의 VTRx+ 모듈을 직접 연결하는 새로운 섬유 루팅 방식의 성능과 실현 가능성은 어떠한가?
• RQ5 HL-LHC 환경에서 일반적인 고방사선 조건에서 시스템은 어떻게 신뢰성을 유지하는가?

주요 결과

• 모든 22개의 싱글렉스 데이터 링크는 10.24 Gb/s에서 3분 동안 BER이 10⁻¹² 이하로 유지되었으며, 이는 84%의 신뢰도 수준에 해당한다.
• 부속적 제어 링크 설계는 주로 하향향 제어 링크를 분리한 상태에서도 시계 분배, I2C 설정, BCR 신호 전달을 성공적으로 유지하였다.
• I2C 설정 부속성은 검증되었으며, 주요 링크 장애 발생 후 보조 컨트롤러(lpGBT 10번과 11번)가 성공적으로 I2C 버스 제어를 승계하였다.
• lpGBT 12번과 13번 간의 크로스오버 리셋 및 전원 재시작 기능이 성공적으로 테스트되었으며, 어느 쪽 칩도 다른 쪽을 리셋하거나 전원을 재시작할 수 있음을 확인하였다.
• 단일 MPO 커넥터를 통해 프런트 패널에 2~3개의 VTRx+ 모듈을 재연결하는 프로토타입 섬유 루팅 방식이 성공적으로 구현되었으며, 이로 인해 삽입 손실과 기계적 복잡성이 감소하였다.
• 보드의 설계, 특히 레이어 스택과 재질(EM-888K)은 향후 FEB2와 호환되며, 최종 프런트엔드 전자기기로의 직접 통합이 가능하다.