ATLAS実験における FTK受信モジュールの 開発構築と実機試験 早大理工 白神賢 飯澤知弥、木村直樹、郡川智洋、昌子貴洋、 仲松弥、寄田浩平、他 ATLAS-FTK group 日本物理学会 2013年秋季大会 高知大学 朝倉キャンパス 2013/9/20（金） 20pSM-10 FTK全体像 Data Fomatter Input Mezzanine Dual-output HOLA RODの出力を FTK用にコピー 各処理単位へ分配 RODからのhitを Cluster化 Waseda UChicago FNAL ATCA AM board(並列) パターンパッチング AUX board(並列) トラックフィッティング PISA Argonne 13/09/20 日本物理学会 2013年秋期大会 FTK to LVL2 Crate FTK全飛跡情報をLVL2へ 2 FTKのInput ROD Output Fiber Pixel SCT IBL (IBL) N/A→56 (2015) 80Mch (12M) 6Mch B バンチ衝突 1 ~20(40)MHz Pixel 2 44 44 38 →76 (2018) 76 26 →52 (2015) 52 Disk 24 ROD ROD 132 → 252 Total (~2018) SCT ~75kHz WithinTotal 2.5μs 56 Advanced Telecom Computing Architecture x 4crate D x 8枚 F 24 252 90 → 128 (2015) 128 222 → 380 (~2018) 380 Event rate: 100kHz ~1kHz Within 40ms ROB ROB ROD data: 40MHz 32bit data (最大2hitを含む) LVL2 CPU Farm 13/09/20 Fiber x4 IM (計128枚) 512 Fiber links(Pixel/IBL:256, SCT:256) 日本物理学会 2013年秋期大会 3 受信部の詳細(IM) FPGA一つがPixel, SCTそれぞれを一つずつ受け取りClusteringを行う →FPGAには全て同じFWを実装できる FPGA SCT Spartan6 Pixel SCT to DF from ROD Pixel F M C Fiber links Clustering Pixel ToT φ 小 SCT 1 2 3 4 5 中 大 η 13/09/20 : ToTの重み付け平均 日本物理学会 2013年秋期大会 平均: 3.5 幅: 4 4 受信部の詳細(DF) 並列処理のためのデータ分割及びoverlap regionにおけるhitのsharingを行う η方向を4分割 ビーム軸 φ方向を16分割 overlap region ビームスポット η方向ではビーム衝突点の z positionを考慮して、φ方向ではトラックの曲率か らヒットを重複分配する → 取り回しが複雑に 最上流における、高速・複雑な処理を可能にし、柔軟性や堅牢性を持たせる 為にATCAを採用 ATCA用にIMのoutputを変更 13/09/20 日本物理学会 2013年秋期大会 5 テスト用IMから実機用IMへ Outputプロトコルの変更 VME用IM ATCA用IM DFの開発に伴いIMをそれまでのテスト版から実機版へと変更 frequency VME用IM EDRO 40MHz output線 Single-ended 24lines 1wordあたりの clock数 1clockで1word(24bits) 320MHz ATCA用IM DF LVDS 3lines 8clockで1word(24bits) 少ない線で通信できるように、output線を減少 → high frequencyでのLVDSによるserializeへ VME VME用IM 13/09/20 ATCA ATCA用IM 日本物理学会 2013年秋期大会 6 IMテスト戦略 Standalone Test @Waseda Test @FNAL Test @CERN Test @Waseda ←疑似ヒット 送信モジュール ↓評価ボード Pixel/SCT ROD 13/09/20 ATCA ・ IMのみのテスト ・ 変更点であるOutput のテスト ATCA 読み出し Mini-backplane DF HOLA 読み出し ・ IM-DF Communication テスト 読み出し ・ Inputのテスト ・ データフローテスト 日本物理学会 2013年秋期大会 FTKシステム下流へ η-φ Tower ・ 実際の運転環境での データフローテスト 7 Standalone Test @Waseda 320MHzでは output全線を同一のClock phaseで読み出すのは困難 3になってしまう 立ち上がりが早い それぞれの線ごとに読み出すClock phaseを変えることも可能だが、、、 データ読み出しの様子 評価ボードを用いてIMのみのテスト 16進数 VME用IM → ATCA用IMに伴う変更点の動作確認を行った DATA (2進数表示) ↓評価ボード 3 4 2 1 8 1 4 2 8 Kintex7 FPGA 1 4 2 8 Output プロトコルを最適化 2 1 8 4 2 1 8 4 IMでデータ作製 200MHz ↓ DDRでラッチすることで、FPGA内での線ご との配線の差が減少 FMCコネクタを介してLVDS 320MHzでoutput ↓ →→ データ読み出しに成功 評価ボードでreferenceと比較し、PCで読み出し Spartan6 FPGAs ~finalize frequency 320MHz 200MHz DDR output線 LVDS 3lines LVDS 4lines clockあたりのbit数 3bits 8bits 1wordあたりの clock数 8clockで 1word(24bits) 4clockで 1word(32bits) DF(評価ボード)との IM内で Clockを送信 IMが送信するデータ : X”888…8”→ X”444…4” → X”222…2” → X”111…1” →.. PCで読み出し delay tuning clockの同期方法 13/09/20 日本物理学会 2013年秋期大会 8 Test @FNAL • IM-DF間のコミュニケーションテスト • ATCAに実装する代わりにMini backplaneからの電源供給にてテスト 2013,8/29 データ読み出しの様子 IMでデータ作製 ↓ : X”aaa…a”→ X”555…5” →.. IMが送信するデータ Fermilab High-rise 10Fにて DF内のreferenceと比較 (200MHz : 1clockあたり5ns) ↓ μ controller、Mini backplaneを介して、PCで読み出し Clockを5/16 ns 遅らせて読み出し Mini backplane さらに、5/16 ns 遅らせて読み出し 裏には μ controllerが PCで読み出し IM-DF初接続の記 →念すべき瞬間!! データの読み出しに成功 ATLASで使用するエレクトロニクスの要求：Error Rate < 10-16をクリア 13/09/20 9 日本物理学会 2013年秋期大会 量産に向けた最終テストスタンド構築 @Waseda • Clustering FWを実装しての、データフローテスト 疑似ヒット送信モジュール → IM → DF(ATCA) → PC • 現在は、Mini backplaneでのテストを行っている Inputの動作確認を行った後、 DF(ATCA)でのテストに移行 疑似ヒット 疑似ヒット 送信モジュール クラスター化 Mini backplane PC ATCA Run controlで制御 13/09/20 PC 日本物理学会 2013年秋期大会 10 Test @CERN • ATLASのトリガーフロー本流に干渉しないように、Pixel/SCTの一部領域の 実データを受け取って、実際の運転環境でのFTK動作テストを行う • 並列処理における単一の処理単位系でのテスト（Vertical Slice） • 昨年末、VME用IMではテスト済 最終テストスタンド@Waseda 疑似ヒット 送信モジュール Test @CERN IBL/Pixel/SCT 実ヒット 疑似ヒット IM IM DF DF クラスタ情報 クラスタ情報 読み出し 13/09/20 η-φ Towerへ 日本物理学会 2013年秋期大会 11 今後の予定 2014 2015 13(14) TeV Run シャットダウン (増強) LHC • Test @CERN (with IBL ROD & ATCA) • Quality Controlを整備 インストール・運用 IM • 次期IM設計・製造 • 量産に向けて、最終テス トスタンドの構築 13/09/20 • 最終版IMの量産 • Quality Control 日本物理学会 2013年秋期大会 12 纏めと展望 • 開発は戦略的かつ段階的に行っており、順調である • IM-DFテストを行った@FNAL – 読み出しに成功、エラーレート < 10-16 – IM-DF間の通信プロトコルを決定 • IM量産に向けて、最終テストスタンドの構築を開始@Waseda • SCT, PixelのFWも作成中 • 次期IM（〜最終版）のデザインを開始 • • • • 年内にIBL ROD & ATCAを含めたテストを行う予定@CERN IMの量産に向けたQCを整備する 年度内に最終版を決定・量産へ QCを終えた後、2014年度始めにCERNへ輸送しインストール 13/09/20 日本物理学会 2013年秋期大会 13
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