中国科学院高能物理研究所：下一代核仪器及设备标准XTCA进展（刘振安）

下一代核仪器及设备标准XTCA 进展 刘振安 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学院高能物理研究所触发实验室 核电子学与探测技术学术年会 2010年8月14日

下一代核仪器及设备标准XTCA 进展 刘振安 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学院高能物理研究所触发实验室 核电子学与探测技术学术年会 2010年8月14日

报告概述 标准化在核与高能物理实验中的重要性 核仪器标准的简史 核仪器研制的现状及研究 XTCA for Physics组织架构 新标准协调委员会CCTS及工作组 新标准制定现状与未来 2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA刘振安 2

2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA 刘振安 2 报告概述 • 标准化在核与高能物理实验中的重要性 • 核仪器标准的简史 • 核仪器研制的现状及研究 • xTCA for Physics组织架构 • 新标准协调委员会CCTS 及工作组 • 新标准制定现状与未来

仪器标准化在核与高能物理实验中的重要性 物理学研究的两个前沿 Particle physics looks at matter Astrophysics looks at matter in its Vision in its smallest dimensions largest dimensions 1~ Agent 1510-1210910610-3 10 z)Detection Detector Microscopes Jumelles Microscopes Binoculars Telescopes optiques rad Optical radio telescope Loeil nu Accelerateurs et detecter Naked eye Accelerators 肉眼观察研究 and detectors 光源/光线/物体眼睛 THE TWO FRONTIERS0 FPHYSICS·宏观研究: 宇宙线/探测器 自◎岛 微观研究 宇宙线放射源 加速器高能粒子靶 体探测器 2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA刘振安 3

2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA 刘振安 3 仪器标准化在核与高能物理实验中的重要性 • 肉眼观察研究： – 光源/光线/物体/眼睛 • 宏观研究： – 宇宙线/探测器 • 微观研究： – 宇宙线/放射源 – 加速器/高能粒子/靶 体/探测器 物理学研究的两个前沿

实验装置的运行需要复杂的控制 以北京正负电子对撞机和北京谱仪为例 同步辐射 束测线 直绲加速器 北京电子 谱仪 ·储存环 負電子 electron 正電子 Positron 1984.10-1989 人同步射光 SR Light 标准化的加速器控制设备 标准的控制机箱 标准的控制插件 2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA刘振安

2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA 刘振安 4 实验装置的运行需要复杂的控制 以北京正负电子对撞机和北京谱仪为例 直线加速器 电子 储存环 同步辐射 束测线 北京 谱仪 1984.10-1989。7 •标准化的加速器控制设备 •标准的控制机箱 •标准的控制插件

实验装置的运行需要复杂的信号处理与控制 物理过程 粒 触发判选 微弱电信号 探测装置 前端电子学模/数DAQ 转换 在线处理 慢控制 数据)离线 存储分析 标准化的谱仪控制与数据获取设备 标准的机箱 标准的插件 核仪器及设备标准XTCA刘振

2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA 刘振安 5 实验装置的运行需要复杂的信号处理与控制 探测装置 微弱电信号 前端电子学 放大、成形 模／数 转换 触发判选 DAQ／ 在线处理 离线 分析 数据 存储 物理过程 粒 子 慢控制 •标准化的谱仪控制与数据获取设备 •标准的机箱 •标准的插件

核仪器标准的简史 英国卢瑟福实验室于1960年代开创核电子学的标 准 欧洲核子研究中心CERN和美国实验室同期开展 美国国家标准局和核仪器插件委员会建立了NM 标准 7080年代建立了另2个标准 CAMAC, FASTBUS IIIIIIII 并被研究领域得到广泛应用 核谱测量、粒子物理、医学物理、加速器仪器、加 速器控制、航空航天、工业控制等 月前这些标准仍在使用,但显局限性 90年代借用工业标准ME(v等) 2000年后CPC 现在及将来?? 1 N/M(60S), CAMAC(70S), FASTBUS 80 s)-CAMAC processed as eee, ANsi and JEc standards 2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA刘振安

2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA 刘振安 6 核仪器标准的简史 • 英国卢瑟福实验室于1960年代开创核电子学的标 准 • 欧洲核子研究中心CERN和美国实验室同期开展 • 美国国家标准局和核仪器插件委员会建立了NIM 标准 • 70-80年代建立了另2个标准CAMAC，FASTBUS， 并被研究领域得到广泛应用 – 核谱测量、粒子物理、医学物理、加速器仪器、加 速器控制、航空航天、工业控制等 • 目前这些标准仍在使用，但显局限性 • 90年代借用工业标准VME（VXI等） • 2000年后CPCI • 现在及将来？？ • [1] NIM(~’60’s), CAMAC(~’70’s), FASTBUS (~80’s) – CAMAC processed as IEEE , ANSI and IEC standards

核仪器研制的现状及研究 标准与技术的演变 ·标准是有寿命的,但其 CDCF CLK80 BUS Intertace 演化要缓慢温和 ClackeD 物理实验中的标准已经有 BUS 些过时,但很多系统却仍 LVDS 然在使用 XC2VP40 微电子工业的巨大进展需 LVDS Back FFl152 Short track plane 要新的平台来展现他的优 点自前的平台已不适应: Fiher 高速处理芯片4Gsps 集成电路的功能已经把 原来插件完成的功能在 片可变成逻辑器件 FPGA中实现 片处理器提了可变 能力 的固件得以实现多种功〓= 能设计 ·片上串并/并串转换能力 3-10Gbps 需要新的标准 BES通用插件专用总线205Gb秒同步 传(BES 2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA刘振安 7

2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA 刘振安 7 核仪器研制的现状及研究 标准与技术的演变 • 标准是有寿命的，但其 演化要缓慢温和 – 物理实验中的标准已经有 些过时，但很多系统却仍 然在使用 – 微电子工业的巨大进展需 要新的平台来展现他的优 点,目前的平台已不适应: • 高速处理芯片4Gsps • 集成电路的功能已经把 原来插件完成的功能在 一片可变成逻辑器件 FPGA中实现 • 片上处理器提供了可变 成控制和并行数据处理 能力 • 通用硬件设计配以不同 的固件得以实现多种功 能设计 • 片上串并/并串转换能力 3-10Gbps • 需要新的标准 BESIII通用插件 205Gb/秒同步 传（BESIII） 专用总线

电信最新标准简介 电信领域大多数基于CPC|、ⅥME总线的处理器系统,总线带宽已经 成为制约系统处理能力的瓶颈。ⅥME64X的总线带宽为320Mb/s,已 经不能满足要求高吞吐量、低延迟的系统。随着对更高系统带宽、总 线速度、实时性、系统可靠性、温度范围、散热及更小空间等方面越 来越高的要求,迫切需要一种新的运算架构来满足信号处理的需求。 ·PCMG协会成立了一个ATCA委员会,该委员会由代表了工业和电信 设备制造商及终端用户的105个公司组成,其目标是建立、修改并计 划在2002年底发布新的规范—ATCA。经过12个月的奋战, PCMG3.0规范——先进的通讯计算机构架(ATCA)如期发布 后来,低成本、小尺寸的应用,PCMG协会又在ATCA构架的基础上 提出了 MicroTCa构架,该技术在2006年逐渐成熟,吸引着越来越多 人的目光。 2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA刘振安 8

2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA 刘振安 8 电信最新标准简介 • 电信领域大多数基于CPCI、VME总线的处理器系统，总线带宽已经 成为制约系统处理能力的瓶颈。VME64X的总线带宽为320Mb/s，已 经不能满足要求高吞吐量、低延迟的系统。随着对更高系统带宽、总 线速度、实时性、系统可靠性、温度范围、散热及更小空间等方面越 来越高的要求，迫切需要一种新的运算架构来满足信号处理的需求。 • PICMG协会成立了一个ATCA委员会，该委员会由代表了工业和电信 设备制造商及终端用户的105个公司组成，其目标是建立、修改并计 划在2002年底发布新的规范——ATCA。经过12个 月的奋战， PICMG3.0规范——先进的通讯计算机构架（ATCA）如期发布。 • 后来，低成本、小尺寸的应用，PICMG协会又在ATCA构架的基础上 提出了MicroTCA构架，该技术在2006年逐渐成熟，吸引着越来越多 人的目光

ATCA的系统构成 Carrier Blade ATCA Chassis AdvancedMC Modules MicroTCA Chassis 2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA刘振安 9

2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA 刘振安 9 ATCA的系统构成

ATCA的系统构成 香管管[NM Switch blade Blades 1个典型的ATCA系统包括:12块刀片模块( Blades)、2个交换刀片 ( Switch blades)、2个控制刀片( Control blades)、互连背板(Back Plane)以及电源( Power)、散热等模块。 2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA刘振安 10

2010年8月14日 下一代核仪器及设备标准XTCA 刘振安 10 ATCA的系统构成 1个典型的ATCA系统包括： 12块刀片模块（Blades）、2个交换刀片 （Switch Blades）、2个控制刀片（Control Blades）、互连背板（Back Plane）以及电源（Power）、散热等模块。 Blades Switch Blade IPMI Management & Power Control Blade