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xTCA for Physics 技术标准的制定

xTCA for Physics 技术标准的制定. 刘振安 中国科学院核探测技术与核电子学重点实验室 学术报告会 2009 年 4 月 21 日. 报告概述. 标准化在核与高能物理实验中的重要性 电子学标准的重要性、历史、现状 标准和技术的演化 xTCA for Physics 组织架构 CCTS 及工作组. 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. 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： 加速器 / 高能粒子 / 靶体 / 探测器.

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  1. xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安 中国科学院核探测技术与核电子学重点实验室 学术报告会 2009年4月21日

  2. 报告概述 • 标准化在核与高能物理实验中的重要性 • 电子学标准的重要性、历史、现状 • 标准和技术的演化 • xTCA for Physics组织架构 • CCTS 及工作组 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  3. 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 • 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： • 加速器/高能粒子/靶体/探测器 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  4. 加速器的运行需要复杂的控制以北京正负电子对撞机为例加速器的运行需要复杂的控制以北京正负电子对撞机为例 同步辐射 束测线 直线加速器 电子 储存环 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 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  5. 实验装置的运行需要复杂的信号处理与控制 物理过程 触发判选 粒子 微弱电信号 DAQ／在线处理 模／数转换 探测装置 前端电子学 放大、成形 慢控制 离线分析 数据存储 • 标准化的谱仪控制设备 • 标准的控制机箱 • 标准的控制插件 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  6. 电子学标准的重要性、历史、现状 • 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 • 美国原子能委员会的研究显示这些标准在65-85年间节省资金 $1B • 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 • 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 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  7. 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: • 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/并串转换能力丢弃了背板总线的需求 • 需要新的标准 专用总线 通用插件 205Gb/秒同步传输 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  8. 新标准是什么 • ATCA • 优点 • 高速IO及互连10Gb/s • 高可用性HA ~99.999% • 智能管理 • MicroTCA (MTCA) • ATCA的优点 • 半高度 • AdvancedMC（AMC） • 小插板 高能物理实验借鉴？ xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  9. 高能所：高性能节点计算机的设计 • High Performance Compute Power: • 5x (Virtex-4 FPGA + 2Gb DDR2) • ~32Gbps Bandwidth • 13xRocketIO to backplane • 5xGigabit Ethernet • 8xOptical Link • 2 Embedded PowerPC in each FPGA • Real time Linux • ATCA compliant • 完成第二板 高能所设计的基于ATCA和FPGA的高性能处理板 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  10. 国际上其它实验室的相关研究 • 德国DESY在 XFEL 1 km 电子直线加速器领先设计 (~1/20th an ILC) – LLRF, 连锁保护，束线仪器 – ATCA + MicroTCA • SLAC 开始评估用MTCA对3km电子直线加速器进行更新 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  11. xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  12. 展望未来的下一代需求 • 下一代加速-国际直线对撞机(ILC)要求 • 高可用率（high availability) • 高数据产生率（>500Gbps） • 解决办法ATCA/MTCA？ • HA ~99.999% • 波特率 10Gbps xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  13. 谁在用ATCA？ IHEP xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  14. xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  15. Why xTCA • ATCA 缺点： • 高8U，不适合控制用 • 没有后插板 • 没有定义子板及信号 • 没有定义后插板（HA） • 没有控制信号… • MTCA缺点： • 没有后插板 • 没有定义子板及信号 • 没有定义后插板（HA） • 没有控制信号… • AMC缺点： • 互联？ • 控制信号 • 信号管脚定义 • … 制定新标准：xTCA for Physics xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  16. xTCA for Physics 大事 • 2007年5月 在FNAL第一次ATCA workshop • 2007年5月 IEEE RT07 ATCA 专题 • 2008年初讨论建立新标准的可行性 • 2008年10月在Dresden第二次ATCA workshop • 2008年10月IEEE NSS ATCA 专题 • 2009年5月高能所第三次 xTCA workshop • 2009年5月IEEE RT09 NSS ATCA 专题 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  17. xTCA for Physics 大事 • 2009年3月10日在PICMG下成立 xTCA for Physics 协调委员会（CCTS） • IHEP,SLAC,FNAL,Juelich 发起单位 • 40多厂商参加 • 选举产生了事务人员 • 主席：SLAC Ray Larsen • 会议秘书：三环公司　Augustus Lowell • 文件编辑：高能所刘振安 • 每周开电话会 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

  18. 协议标准的工作组及任务 • Physics xTCA I/O, Timing and Synchronization Working Group Vollrath Dirksen, NAT Claus-J. Gross, PCI Robert Downing, SLAC Tomasz Jezynski, DESY Stefan Simrock, DESY Kay Rehlich, DESY Claus Gross, PCI Zhen’An Liu, IHEP • Subtopic 1: Specifications for AMC Rear I/O • Subtopic 2: Specifications for Shelf & µRTM • Subtopic 3: Specifications for ATCA RTM • Subtopic 4: Guidelines for Timing, Triggering and Synchronization in xTCA • Physics xTCA Software Architectures & Protocols Working Group Augustus (Gus) Lowell, Triple Ring Technologies • Physics User Survey Task Group Stefan Simrock, DESY • WG4: Guidelines for Commercial Mezzanine Cards in xTCA • WG6: Guidelines for Custom Packaging of Standard ATCA and AMC Modules • WG9: Guidelines for Shelf & Rack Cooling, Environmental Control 谢谢大家 xTCA for Physics技术标准的制定 刘振安

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