放射線環境下に耐えうるＶＭＥコントローラとＰＣＩインターフェースの開発

放射線環境下に耐えうるＶＭＥコントローラと

ＰＣＩインターフェースの開発

二ノ宮陽一 , 越前谷陽佑 , 坂本宏佐々木修 A, 池野正弘 A, 福永力 B

KEK A, 首都大理工 B

他 ATLAS 日本 TGC グループ

2010/3/20 東京大学素粒子センター　神谷隆之 1

東京大学素粒子センター神谷隆之

ATLAS 実験で用いられているコントロールシステム


ＨＳＣ

slave

ＣＣＩ

ＳＢＣ

ＶＭＥバス上のスレーヴモジュールをコントロールし、実験装置の制御を行うＶＭＥマスターモジュール

HPT SSW ControllerHPT SSW Controller

ＳＢＣの命令を受けＨＳＣの制御を行うＶＭＥスレーヴモジュール

放射線環境の実験ホール

カウンティングルームから遠隔操作端末からＳＢＣにログイン

光ファイバー Control Configuration InterfaceControl Configuration Interface

24krad/10year

～ 100m

Single Board ComputerSingle Board Computer

オンボード・コンピュータＶＭＥマスターモジュール

VME クレート

VME クレート

現在開発中の新システム


ＲＴＣ

ＲＴＣ

ＣＣＩ

Radiation-Tolerant ControllerRadiation-Tolerant Controller

ＰＣＩ－ＣＣＩ

ＨＳＣとほぼ同じだが基本的なＶＭＥバスの機能を残してＡＴＬＡＳに特化した機能を削除広く用いられている６Ｕサイズに変更

PCI-CCIPCI-CCI

ＰＣＩバスに変更することでＰＣに直接接続でき、ショートカット端末から直接操作できる

他の実験でも使える汎用性の高いコントロールシステムに他の実験でも使える汎用性の高いコントロールシステムに

光ファイバー～ 100m

slave

VME クレート

ATLAS で用いられている HSC の放射線耐性


• TID (Total Ionizing Doze) ・・・蓄積効果• SEE (Single Event Effect) ・・・確率的現象

• SEL (Single Event Latch-up), SEB (Single Event Burn-out)• SEU (Single Event Upset)

半導体が放射線に曝されると稀にレジスタの値が反転してしまうことがある

• 放射線対策• Anti Fuse FPGA の採用• 多数決論理回路の採用

陽子ビームを用いての照射試験 (2004 年東北大 CYRIC)HSC 上の各素子に対して照射試験を実施

陽子ビームを用いての照射試験 (2004 年東北大 CYRIC)HSC 上の各素子に対して照射試験を実施

結果結果 100 krad まで OK SEL や SEB も見られなかった＊予測されている放射線量・・・ 24 krad /10 year

ＲＴＣ (Radiation-Tolerant Controller)


• IC は HSC と同じ放射線テスト済みの物を使用　→放射線耐性は保たれている

• FPGA のロジックは HSC と同じ物を使用　→開発期間の短縮

• 余分な機能を削除し 9U から 6U サイズに変更　→汎用的なモジュールに

一般的な VME バスアーキテクチャ部分は保持

ATLAS 実験に特化した拡張部分を削除

HSCHSC RTCRTC

CERN で動作確認済み

ＰＣＩ - ＣＣＩ


• FPGA とバス以外は従来のものとほぼ同じ構造

• PCI バスとのインターフェース部分は Xilinx 社の IP Core を使用

• PCI バスに直接挿せるので VME クレートが不要に

光ファイバー通信と PCI バスのプロトコルに則り従来の CCI ロジックに準拠したロジックを独自に開発光ファイバー通信と PCI バスのプロトコルに則り従来の CCI ロジックに準拠したロジックを独自に開発

VME バスから PCI バスへ

CCICCI PCI-CCIPCI-CCI

通信のプロトコル


RTC CCI命令

応答

• 連続した 3 クロックでひとまとまりのデータをやりとりする• 16 bit ごとのデータ転送で 32 bit 転送を行うため

通信中の信号線をロジックアナライザで見たときの様子

Control Word

データや命令の種類を表すData Word 下位 16 bit

Data Word 上位 16 bit

データの書き込み


ＣＣＩ

ＲＴＣ SlaveF9600018

F9600018 というアドレスを持つスレーヴモジュールに12345678 というデータを書き込む

12345678F9600018

VME クレート

データの書き込み (1)


ＣＣＩ

ＲＴＣ SlaveF9600018


12345678

VME クレート

ADDRESSF9600018



ＣＣＩ

ＲＴＣF9600018

SlaveF9600018


12345678

VME クレート



ＣＣＩ

ＲＴＣF9600018

SlaveF9600018


VME クレート

DATA12345678



ＣＣＩ

ＲＴＣF960001812345678

SlaveF9600018


VME クレート



ＣＣＩ

ＲＴＣF960001812345678

SlaveF9600018


VME クレート

WRITE



ＣＣＩ

ＲＴＣF9600018

SlaveF9600018


VME クレート

WRITE12345678

データの書き込み


ＣＣＩ

ＲＴＣF9600018

SlaveF96000181234567

8

VME クレート

完了

データの読み出し


ＣＣＩ

ＲＴＣ SlaveF96000181234567

8

F9600018 というアドレスを持つスレーヴモジュールに書いてあるデータを読み出す

F9600018

VME クレート

データの読み出し (1)


ＣＣＩ

ＲＴＣ SlaveF96000181234567

8


VME クレート

ADDRESSF9600018



ＣＣＩ

ＲＴＣF9600018

SlaveF96000181234567

8


VME クレート



ＣＣＩ

ＲＴＣF9600018

SlaveF96000181234567

8


VME クレート

READ



ＣＣＩ

ＲＴＣF9600018

SlaveF96000181234567

8


VME クレート

READ12345678



ＣＣＩ

ＲＴＣF960001812345678

SlaveF96000181234567

8


VME クレート



ＣＣＩ

ＲＴＣF9600018

SlaveF96000181234567

8


VME クレート

12345678

データの読み出し


ＣＣＩ

ＲＴＣF9600018

SlaveF96000181234567

8

12345678

VME クレート

完了

ドライバ・ソフトウェアの作成


Win Driver を用いて PCI カードのドライバとソフトウェアのソースコードを自動生成

PCI カード上のレジスタにアクセスするサンプルプログラム

VME スレーヴモジュールのレジスタに100万回読み書きのチェックをするテストを行ったが

一度もエラーは起こらなかった

VME スレーヴモジュールのレジスタに100万回読み書きのチェックをするテストを行ったが

一度もエラーは起こらなかった


まとめ

• 放射線耐性を持ち、光ファイバーと PCI カードを用いた遠隔操作で VME クレート上のモジュールをコントロールするシステムを開発している

• 汎用的なシステムなので様々な実験で使用することができる

• 現在は試作品ができあがり、骨組みとなる機能は完成した

• WinDriver を用いてドライバはすぐに出来るので使い始めるのは簡単

• 放射線環境下で VME クレートを使用したい場合に最適


最後に

• 様々な実験に用可能な VME コントロールシステム• A16, A24, A32, D16, D32 の各モードに対応• ブロック転送や割り込み機能も実装可能• 放射線環境下で使用可能• Bit3 と違って光ファイバーなので長距離での遠隔操作に最適

• Bit3 に代わる新 VME コントロールシステムとしてぜひご検討ください


Back Up

How to operate Word 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Ctrl N U opecode operand

Word 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Data Data [15:0]

Word 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Data Data [31:16]

Word 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Ctrl N U code State of RTC

RTC CCIorder

response

Radiation Level at Atlas Muon (TGC) System

• Neutron (1Mev equivalent neutron/cm2/10yr)– 1.4x1011 (CMOS), 2.2x1011(Bipolar)– Neutron from reactor

• Dose (Dose/10yr)– CMOS :110 Gy (ASIC), 210Gy (COTS)– Bipolar : 5 times larger– Gamma source : 60Co

• SEE (h/cm2/10yr, no safety factor, h>21MeV)– 2.1x1010 h/cm2/10yr– SEE

• Single Event Upset, Single Event Latch-Up, Single Event Burn-out

– Proton beam with 70MeV < E < 1GeV

DUTs (Device Under Test)

• Anti-Fuse FPGAs (Actel A54SX and AX family)– Data Read/Write/Verify of Memories and Registers

• Serial Links– G-Link (HDMP-1032A/1034A),

OE/EO converter (V23818-K305-L57)– LVDS Link

• Tx : SN65LV1023, DS65LV1023

• Rx : SN65LV1224, DS65LV1224

– Data Tx/Rx/Verify• Link status signals and

Current are monitored.

Setup

• Proton 70MeV beam (0.5 – 4 nA) at 31 beam course

• Broaden beam size to around 20 mm• A 100 – 200 m thick Cu foil on the DUT for

dosimetry

Dosimetry• Gamma-ray spectrum from activated radioisotopes of

the Cu foil was measured for 1,000 sec with a Ge detector, after 1 hour cooling from the irradiation.

• Intensity distribution of the each Cu foil is measured with Imaging Plate. The intensitl is relatively flat in central 20 mm area.

61 C

u(6

7ke

V)

61C

u(2

83ke

V)

61 C

u(3

73ke

V) 5

11ke

V62 Z

n(548k

eV

)

61C

u(6

56ke

V)

60 C

u(8

26ke

V)

56 C

o(8

47ke

V)

63Zn(9

62ke

V)

61 C

u(1

185k

eV

)

60C

u(1

332ke

V)

Anti-Fuse FPGA (A54SX and AX Family)

• A54SX: Ring Oscillator (101 NAND gates with two loads each) and 4x256 shift registers– Register SEU < 1.5x10-15 cm2/bit– No SEE was observed.

• AX Family: Ring Oscillator (101 NAND gates with two loads each), 4-bit x 345 shift registers and memories (12 x 9-bit x 512 depth)– Register SEU = 1.6x10-14 cm2/bit (32 upsets observed)– Memory SEU = 4.9x10-14 cm2/bit (3869 upsets observed)– No significant difference of the SEUs between 0-to-1 and 1-to-0

upsets.– Any other SEE was not observed.

• Voting logics are used for all the registers.

G-Link and OE/EO converter (SEE)• G-Link Tx

– Data Error = 2.2x10-8 cm2, Link Error = 3.3x10-10 cm2

• The recovery time is approximately 8 s mean, less than 10 s at the longest.

• G-Link Rx– Data Error = 1.2x10-8 cm2 ,Link Error = 6.7x10-10 cm2

• The recovery time is approximately 8 s mean, less than 10 s at the longest.

• OE/EO converter (Sum of OE and EO)– Data Error = 8.6x10-11 cm2 ,Link Error < 3.0x10-12 cm2

• Trigger signal (from experimental hall to control room, 1k links)– 0.19 data errors/min. in the system– 0.17 link errors/hr in the system

• Read-out signal (from experimental hall to control room, 200 links x 10% [duty])– 0.23 errors/hr. in the system– 0.1 link errors/day in the system

• Control signal (28 bi-directional links x 1% [duty])– 0.1 errors/day in the system

LVDS Link (SEE cross sections)• Tx

– NS SEU = 1.3x10-13 Link Error = 1.2x10-12 cm2

– TI SEU = 2.5x10-12 Link Error = 1.5x10-12 cm2

• Rx– NS SEU = 2.0x10-11 Link Error = 1.2x10-11 cm2

– TI SEU = 8.0x10-13 Link Error = 6.3x10-13 cm2

• 0.6 SEUs/day and 0.4 Link Errors/day in 10k links.

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