[논문 리뷰] FlashCam: A fully digital camera for the Cherenkov Telescope Array

G. Pühlhofer, C. Bauer외 22명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 13.

Particle Detector Development and Performance인용 수 8

한 줄 요약

FlashCam는 Cherenkov Telescope Array (CTA)를 위한 완전히 디지털이고 FPGA 기반의 카메라 시스템을 제안하며, 상용 FADC와 FPGA를 사용하여 프로그래머블 트리거, 실시간 신호 처리 및 고대역폭 이더넷 데이터 전송을 가능하게 한다. 이 시스템은 최대 30 kHz 트리거 레이트에서 사라진 시간 없이 작동하며 3.8 GBytes/sec의 데이터 전송 속도를 달성했으며, 144픽셀 프로토타입에서 전체 기능을 입증했고, 모듈러하고 비용 효율적인 설계를 통해 1764픽셀의 전체 규모 카메라로의 전환을 가능하게 한다.

ABSTRACT

FlashCam is a Cherenkov camera development project centered around a fully digital trigger and readout scheme with smart, digital signal processing, and a "horizontal" architecture for the electromechanical implementation. The fully digital approach, based on commercial FADCs and FPGAs as key components, provides the option to easily implement different types of triggers as well as digitization and readout scenarios using identical hardware, by simply changing the firmware on the FPGAs. At the same time, a large dynamic range and high resolution of low-amplitude signals in a single readout channel per pixel is achieved using compression of high amplitude signals in the preamplifier and signal processing in the FPGA. The readout of the front-end modules into a camera server is Ethernet-based using standard Ethernet switches. In its current implementation, data transfer and backend processing rates of ~3.8 GBytes/sec have been achieved. Together with the dead-time-free front end event buffering on the FPGAs, this permits the cameras to operate at trigger rates of up to several tens of kHz. In the horizontal architecture of FlashCam, the photon detector plane (PDP), consisting of photon detectors, preamplifiers, high voltage-, control-, and monitoring systems, is a self-contained unit, which is interfaced through analogue signal transmission to the digital readout system. The horizontal integration of FlashCam is expected not only to be more cost efficient, it also allows PDPs with different types of photon detectors to be adapted to the FlashCam readout system. This paper describes the FlashCam concept, its verification process, and its implementation for a 12 m class CTA telescope with PMT-based PDP.

연구 동기 및 목표

• 디지털 신호 처리를 사용하여 Cherenkov Telescope Array (CTA)를 위한 완전히 디지털이고 확장 가능하며 비용 효율적인 카메라 읽기 시스템을 개발하기 위해.
• 하이브리드 선형/로그형 프리앰프와 FPGA 기반의 신호 처리를 통해 Cherenkov 광자 탐지에 대해 고다이나믹 레인지 및 1 나노초 이내의 시간 해상도를 달성하기 위해.
• 모듈성과 유지보수 용이성을 위해 광자 검출기 평면(PDP)과 디지털 읽기 전자기기를 분리한 수평 아키텍처의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 표준 이더넷 인프라와 라우드 이더넷 프로토콜을 사용하여 실시간, 사라진 시간 없이 작동하는 고속도 데이터 전송(최대 3.8 GBytes/sec)을 달성하기 위해.
• 12m CTA 망원경을 위한 1764픽셀 카메라 프로토타입으로의 전환을 위해 144픽셀 미니카메라 프로토타입을 검증하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 실시간으로 광전자 배율관(PMTs)의 아날로그 신호를 디지털화하기 위해 상용 Flash ADC(250 MHz 샘플링)를 사용한다.
• FPGA는 디지털 트리거링, 펄스 형태 분석 및 신호 압축을 수행하여, 물리적 분할 없이도 각 픽셀당 가상의 고감도 및 저감도 채널을 구현한다.
• 수평 아키텍처는 PDP(PMT, 프리앰프, 고전압, 제어 시스템 포함)를 아날로그 케이블을 통해 디지털 읽기 전자기기와 연결된 독립형 유닛으로 분리한다.
• 읽기 전자기기는 FPGAs와 FADC 미즈니보드를 포함한 마이크로크레이트로 구성되며, 데이터 전송을 위해 표준 기가비트 이더넷 링크를 사용한다.
• 10 Gbit 링크를 통해 라우드 이더넷 프로토콜을 사용하여 ~3.8 GBytes/sec의 데이터 전송 속도를 달성했으며, 낮은 지연과 사라진 시간 없이 작동한다.
• 신호 무결성과 성능은 CAT5/6 케이블, CAN-bus 제어 및 트리거 알고리즘과 대역폭 요구사항에 대한 광범위한 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 디지털이고 FPGA 기반의 카메라 시스템이 Cherenkov 망원경 응용에 필요한 시간 해상도와 진폭 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 분리된 PDP와 디지털 전자기기로 구성된 수평 아키텍처가 비용 절감, 모듈성 향상 및 유지보수 용이성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 각 픽셀당 단일 FADC와 FPGA가 물리적 감도 스위칭 없이도 충분한 다이나믹 레인지와 해상도를 제공할 수 있는가?
• RQ4 표준 이더넷 인프라가 고속 트리거 레이트에서 사라진 시간 없이 작동하기 위해 요구되는 데이터 전송 속도(최대 3.8 GBytes/sec)를 지원할 수 있는가?
• RQ5 하드웨어 변경 없이도 펌웨어 업데이트를 통해 실시간으로 시스템을 재구성할 수 있는가?

주요 결과

• FlashCam 시스템은 네 개의 10 Gbit 이더넷 인터페이스를 사용하여 약 3.8 GBytes/sec의 데이터 전송 속도를 달성했으며, 수십 kHz에 이르는 트리거 레이트에서 사라진 시간 없이 작동함을 입증했다.
• 5개 이상의 광전자 신호에서 1 나노초 이내의 시간 해상도를 확보했고, CTA 요구사항을 초월하는 진폭 해상도를 확보했으며, 단일 광전자에서 3000개 이상의 광전자까지의 다이나믹 레인지 범위를 확보했다.
• FPGA 기반의 신호 처리가 이중 반응 프리앰프를 통해 물리적 감도 분할 없이도 고감도 및 저감도 채널을 성공적으로 모의하여 하드웨어 자원 절약에 기여했다.
• 12개의 PDP 모듈과 8개의 FADC 보드를 포함한 144픽셀 미니카메라 프로토타입은 완전히 조립되었고 기능 검증을 완료하여 카메라 수준의 통합 설계가 가능함을 입증했다.
• 전체 규모 카메라 프로토타입의 무게는 2톤 이하이며, 약 4.5kW의 열을 발생시키며, 냉각을 위해 팬과 워터-에어 히트 익스체인지어를 계획하고 있어 구성 요소의 신뢰성을 유지한다.
• 모듈러하고 수평적인 설계 덕분에 카메라의 앞면 뚜껑을 제거하지 않고도 PDP 모듈과 읽기 전자기기를 현장에서 교체할 수 있어 유지보수성이 크게 향상되었다.