German Title: Design von Multi-Gigabit Verbindungsnetzwerkelementen- und Protokollen für ein Datenerfassungssystem in der Umgebung von ionisierender Strahlung

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Abstract

Modern High Energy Physics experiments (HEP) explore the fundamental nature of matter in more depth than ever before and thereby benefit greatly from the advances in the field of communication technology. The huge data volumes generated by the increasingly precise detector setups pose severe problems for the Data Acquisition Systems (DAQ), which are used to process and store this information. In addition, detector setups and their read-out electronics need to be synchronized precisely to allow a later correlation of experiment events accurately in time. Moreover, the substantial presence of charged particles from accelerator-generated beams results in strong ionizing radiation levels, which has a severe impact on the electronic systems. This thesis recommends an architecture for unified network protocol IP cores with custom developed physical interfaces for the use of reliable data acquisition systems in strong radiation environments. Special configured serial bidirectional point-to-point interconnects are proposed to realize high speed data transmission, slow control access, synchronization and global clock distribution on unified links to reduce costs and to gain compact and efficient read-out setups. Special features are the developed radiation hardened functional units against single and multiple bit upsets, and the common interface for statistical error and diagnosis information, which integrates well into the protocol capabilities and eases the error handling in large experiment setups. Many innovative designs for several custom FPGA and ASIC platforms have been implemented and are described in detail. Special focus is placed on the physical layers and network interface elements from high-speed serial LVDS interconnects up to 20 Gb/s SSTL links in state-of-the-art process technology. The developed IP cores are fully tested by an adapted verification environment for electronic design automation tools and also by live application. They are available in a global repository allowing a broad usage within further HEP experiments.

Translation of abstract (German)

Moderne Teilchenphysikexperimente erforschen die Zusammensetzung von Materie inzwischen aufwendiger als jemals zuvor und profitieren dabei stark vom Fortschritt in der Kommunikationstechnologie. Die immer höher auflösenden Detektoraufbauten stellen die Datenerfassungssysteme vor große Herausforderungen um die Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Die Ausleseelektronik muss präzise synchronisiert werden um aufgenommene Ereignisse genau zu rekonstruieren und zeitlich einzuordnen. Außerdem führt die starke radioaktive Strahlung, welche durch die Teilchenbeschleuniger erzeugt wird zu ernsthaften Fehlfunktionen in den elektronischen Systemen. Diese Arbeit beschreibt eine Architektur für ein vereinheitlichtes Netzwerkprotokoll mit angepasst entwickelten physikalischen Schnittstellen für die Verwendung in zuverlässigen Datenerfassungssystemen unter radioaktiver Strahlung. Speziell konfigurierte serielle bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Verbindungen werden verwendet um Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, Kontrollzugriff, Synchronisierung und eine globale Taktverteilung in einem einzigen Kommunikationskanal zu realisieren. Damit können erhebliche Ressourcen eingespart werden und die Ausleseaufbauten werden deutlich effizienter und kompakter. Hervorzuheben sind außerdem die entwickelten strahlungstoleranten Funktionseinheiten um einzelne und mehrere Bitfehler abzufangen, und eine gemeinsame Diagnoseschnittstelle die sich in den Kontrollkanal des Protokolls integriert und eine einfache Fehlerbehandlung in großen Aufbauten ermöglicht. Viele innovative Entwicklungen für FPGA und ASIC Plattformen wurden umgesetzt und sind im Detail beschrieben. Besonderes Augenmerk liegt hier auf den physikalischen Netzwerkschnittstellen von LVDS Verbindungen bis zu 20 Gb/s SSTL Serialisierern in hochmodernen Fertigungstechnologien. Die Entwicklungen sind umfangreich in einer angepassten Verifikationsumgebung für Softwarewerkzeuge der Entwurfsautomatisierung, sowie im Live-Einsatz getestet. Sie sind in einem zentralen Speicher frei verfügbar und bieten sich für eine universelle Verwendung in vielen Teilchenphysikexperimenten an.