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

1. 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 東京大学素粒子センター 神谷隆之 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 東京大学素粒子センター　神谷隆之

2. ATLAS 実験で用いられているコントロールシステム 24krad/10year VME クレート HPT SSW Controller ＨＳＣ 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 slave 放射線環境の 実験ホール Control Configuration Interface 光ファイバー ～100m ＳＢＣの命令を受けＨＳＣの制御を行う ＶＭＥスレーヴモジュール VME クレート ＣＣＩ Single Board Computer ＳＢＣ オンボード・コンピュータ ＶＭＥマスターモジュール 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 東京大学素粒子センター　神谷隆之

3. 現在開発中の新システム VME クレート ＲＴＣ Radiation-Tolerant Controller 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 slave ＲＴＣ 光ファイバー ～100m PCI-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 ＣＣＩ ＰＣＩ－ＣＣＩ 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 東京大学素粒子センター　神谷隆之

4. 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 結果 100 krad までOKSEL 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 東京大学素粒子センター　神谷隆之

5. ＲＴＣ (Radiation-Tolerant Controller) HSC RTC 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 CERN で動作確認済み • 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 東京大学素粒子センター　神谷隆之

6. ＰＣＩ-ＣＣＩ PCI-CCI CCI VME バスから PCI バスへ • 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 東京大学素粒子センター　神谷隆之

7. 通信のプロトコル • 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 Data Word上位 16 bit データや命令の種類を表す Data Word下位 16 bit 命令 RTC CCI 応答 東京大学素粒子センター　神谷隆之

8. データの書き込み F9600018 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 12345678 ＣＣＩ VME クレート Slave F9600018 ＲＴＣ 東京大学素粒子センター　神谷隆之

9. データの書き込み (1) 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 12345678 ＣＣＩ ADDRESS F9600018 VME クレート Slave F9600018 ＲＴＣ 東京大学素粒子センター　神谷隆之

10. データの書き込み (1) 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 12345678 ＣＣＩ VME クレート Slave F9600018 ＲＴＣ F9600018 東京大学素粒子センター　神谷隆之

11. データの書き込み (2) 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 ＣＣＩ DATA 12345678 VME クレート Slave F9600018 ＲＴＣ F9600018 東京大学素粒子センター　神谷隆之

12. データの書き込み (2) 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 ＣＣＩ VME クレート Slave F9600018 ＲＴＣ F9600018 12345678 東京大学素粒子センター　神谷隆之

13. データの書き込み (3) 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 ＣＣＩ WRITE VME クレート Slave F9600018 ＲＴＣ F9600018 12345678 東京大学素粒子センター　神谷隆之

14. データの書き込み (3) 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 ＣＣＩ VME クレート Slave F9600018 ＲＴＣ F9600018 WRITE 12345678 東京大学素粒子センター　神谷隆之

15. データの書き込み 完了 ＣＣＩ VME クレート Slave F9600018 12345678 ＲＴＣ F9600018 東京大学素粒子センター　神谷隆之

16. データの読み出し F9600018 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 ＣＣＩ VME クレート Slave F9600018 12345678 ＲＴＣ 東京大学素粒子センター　神谷隆之

17. データの読み出し (1) 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 ＣＣＩ ADDRESS F9600018 VME クレート Slave F9600018 12345678 ＲＴＣ 東京大学素粒子センター　神谷隆之

18. データの読み出し (1) 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 ＣＣＩ VME クレート Slave F9600018 12345678 ＲＴＣ F9600018 東京大学素粒子センター　神谷隆之

19. データの読み出し (2) 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 ＣＣＩ READ VME クレート Slave F9600018 12345678 ＲＴＣ F9600018 東京大学素粒子センター　神谷隆之

20. データの読み出し (2) 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 ＣＣＩ VME クレート Slave F9600018 12345678 ＲＴＣ F9600018 READ 12345678 東京大学素粒子センター　神谷隆之

21. データの読み出し (2) 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 ＣＣＩ VME クレート Slave F9600018 12345678 ＲＴＣ F9600018 12345678 東京大学素粒子センター　神谷隆之

22. データの読み出し (2) 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 ＣＣＩ 12345678 VME クレート Slave F9600018 12345678 ＲＴＣ F9600018 東京大学素粒子センター　神谷隆之

23. データの読み出し 完了 12345678 ＣＣＩ VME クレート Slave F9600018 12345678 ＲＴＣ F9600018 東京大学素粒子センター　神谷隆之

24. ドライバ・ソフトウェアの作成 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 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 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 東京大学素粒子センター　神谷隆之

25. 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 東京大学素粒子センター　神谷隆之

26. 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 東京大学素粒子センター　神谷隆之

27. Back Up 東京大学素粒子センター　神谷隆之

28. How to operate order RTC CCI response

29. 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

30. 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.

31. Setup • Proton 70MeV beam (0.5 – 4 nA) at 31 beam course • Broaden beam size to around 20 mmf • A 100 – 200 mm thick Cu foil on the DUT for dosimetry

32. 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 mmf area.

33. 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.

34. 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 ms mean, less than 10 ms at the longest. • G-Link Rx • Data Error = 1.2x10-8 cm2 ,Link Error = 6.7x10-10 cm2 • The recovery time is approximately 8 ms mean, less than 10 ms 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

35. 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.