ИТМиВТ - Институт точной механики и вычислительной техники С. А. Лебедева РАН
Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН - научно-исследовательский институт в области информационных технологий, вычислительной техники и микроэлектроники
English
Главная страница Контактная информация Карта сайта и поиск
Об институте Решения Проекты Образование

Исследование архитектурных и схемных решений, направленных на снижение потребляемой мощности многоканальной «системы-на-кристалле» для координатных детекторов

Ю.И. Бочаров, А.С. Гуменюк, А.Б. Симаков, В.Е. Шунков, А.В. Поляков, Е.А. Борзунова, Д.Л. Осипов, В.Н. Бойнов
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

Представлены результаты работ по созданию аналого-цифровой «системы-на-кристалле» для детекторов физического эксперимента СВМ. Рассмотрены варианты архитектуры системы и методы снижения энергопотребления конвейерных АЦП, входящих в состав проектируемой БИС.

Сотрудники кафедр электроники и микроэлектроники МИФИ участвуют в работе международной группы, которая разрабатывает аппаратуру для готовящегося физического эксперимента СВМ (научный центр GSI, Дармштадт, ФРГ). Работа связана с созданием системы считывания сигналов координатных детекторов на базе кремниевых микрополосковых сенсоров. Разрабатываются 128-канальные БИС типа «система-на-кристалле» (СНК), содержащие аналоговые блоки предварительной обработки в каждом канале, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а также цифровые узлы. Технология — КМОП процесс компании UMC с проектными нормами 0,18 мкм. Главное требование при проектировании СНК — достижение предельно низкого уровня потребляемой мощности (менее 10 мВт на один канал), а также обеспечение функционирования при большой поглощенной дозе ионизирующих излучений и устойчивость к сбоям при попадании отдельных частиц [1].

Основные направления работы: исследование различных архитектур систем считывания и сравнительная оценка их эффективности по критерию минимизации энергопотребления при заданном быстродействии; анализ методов снижения потребляемой мощности быстродействующих АЦП, разработка конвейерного АЦП с использованием схемных решений, обеспечивающих минимизацию потребляемой мощности; разработка цифровых узлов по стандартной технологии КМОП 0,18 мкм и технологий кремний на изоляторе, устойчивых к воздействию ионизирующих излучений.

Архитектура СНК, названная CBM-XYTER, характеризуется наличием в каждом канале пикового детектора и аналогового запоминающего устройства типа FIFO, включающего несколько ячеек памяти. Способ опроса каналов — последовательный с эстафетной передачей маркера, по принципу схожий с методом, используемым в сетях Token Ring [2].

Был предложен модифицированный (множественно-ассоциативный) вариант архитектуры, отличающийся способом подключения сенсоров к каналам считывания и учитывающий особенности пространственной локализации треков частиц в чувствительной зоне детекторов [3].

В данной работе рассматривается новый - альтернативный XYTER вариант архитектуры асинхронного типа. При таком построении отсутствует необходимость в наличии аналоговых ЗУ в каналах считывания. Вместо них используются цифровые ЗУ типа FIFO. Аналоговая и цифровая части СНК функционируют асинхронно - независимо друг от друга.

Приводятся результаты анализа эффективности различных методов построения малоразрядных (5—9 бит) АЦП с быстродействием 10 Мвыб/с, а также способов снижения энергопотребления АЦП конвейерного типа. Рассматривается вариант такого АЦП разрядностью 9 бит, в котором благодаря использованию эффективных схемных решений удалось снизить потребляемую мощность до 8,5 мВт (по результатам моделирования). Предварительная оценка мощности потребления 5-битного АЦП — 4 мВт. Занимаемая площадь — 0,15 мм2.

С учетом полученных оценок энергопотребления и занимаемой площади для АЦП трех типов: конвейерного, параллельного и циклического выполнено имитационное моделирование 128-канальной системы считывания и определена вероятность потери данных для различных вариантов архитектуры СНК.

Список литературы

  1. Бочаров Ю.И., Гуменюк А.С., Симаков А.Б., Горбунов М.С., Шунков В.Е., Поляков А.В. Анализ методов построения и разработка КМОП БИС аналого-цифровой многоканальной «системы на кристалле». // Науч. сессия МИФИ-2007: Сб. науч. тр.: В 17 т. М.: МИФИ, 2007. Т. 1. С.111—112.
  2. Armbruster T. CBM-XYTER design aspects. // Symposium and 10-th CBM Collaboration Meeting: Symp. Proc. Dresden, 2007.
  3. Аткин Э.В., Бочаров Ю.И., Симаков А.Б. Новая множественно-ассоциативная архитектура cистемы-на-кристалле (СНК) для микрополосковых детекторов. // Науч. сессия МИФИ-2007. Научно-обр. центр CRDF. V Конф. Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях. Физика ядра и элементарных частиц. М.: МИФИ, 2007, С. 60—62.

 

© 1948—2016 «ИТМиВТ»
Версия для печати Контактная информация