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. xTCA for Physics 技术标准的制定 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 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

3. 2009 年 4 月 21 日 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 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 物理学研究的两个前沿

4. 2009 年 4 月 21 日 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 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

5. 2009 年 4 月 21 日 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 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 粒子粒子 慢控制 标准化的谱仪控制设备 标准的控制机箱 标准的控制插件

6. 2009 年 4 月 21 日 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

7. 2009 年 4 月 21 日 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 通用插件 205Gb/ 秒 同步传输 专用总线

8. 2009 年 4 月 21 日 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？

9. 2009 年 4 月 21 日 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 13x RocketIO to backplane 5x Gigabit Ethernet 8x Optical 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

10. 2009 年 4 月 21 日 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

11. 2009 年 4 月 21 日 xTCA for Physics 技术标准的制定 刘振安 11

12. 2009 年 4 月 21 日 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

13. 2009 年 4 月 21 日 xTCA for Physics 技术标准的制定 刘振安 13 谁在用 ATCA ？ IHEP

14. 2009 年 4 月 21 日 xTCA for Physics 技术标准的制定 刘振安 14

15. 2009 年 4 月 21 日 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

16. 2009 年 4 月 21 日 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

17. 2009 年 4 月 21 日 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,Juelic h 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

18. 2009 年 4 月 21 日 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