gbtstatus.2013.02.01

Upload: toniko01

Post on 05-Jul-2018

216 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    1/15

    GBT Chipset Status and Production Plans 

    Paulo Moreira

    On behalf  of  the GBT team

    CERN

    01 February 2013

    http://cern.ch/proj‐gbt 1GBT Project Status

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    2/15

    Outline

    •   Radiation Hard Optical Link Architecture

    •   The GBT System

    •   GBLD Status

    •   GBTIA Status

      GBTX: –    Data Bandwidth

     –    ASIC Status

     –    Package Status

     – 

      Testing 

    Status•   GBT‐SCA Status

    •   GBT Building Blocks Status

    •   GBT‐FPGA Status

    •   Experiments Requirements•   GBT Project Future

    •   Activities / Manpower / Budget

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 2

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    3/15

    Radiation Hard Optical Link Architecture

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 3

    On-DetectorRadiation Hard Electronics

    Off-DetectorCommercial Off-The-Shelf (COTS)

    GBTX

    GBTIA

    GBLD

    PD

    LD

    Custom ASICs

    Timing & Trigger

    DAQ

    Slow Control

    Timing & Trigger

    DAQ

    Slow Control

    FPGA

    GBT GBT

    Versatile Link

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    4/15

    The GBT System

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 4

    FE

    Module

    FE

    Module

     P  h   a s  e– A  l    i     g n e r  s +  S   e r  /   D 

     e s  f    o r E – P  o r  t   s 

    FE

    Module

    E – P  o r  t  

    E –

     P  o r  t  

    E – P  o r  t  

    GBT  – SCA

    E – P  o r  t  

    Phase  ‐ Shifter

    E – P  o r  t  

    E – P  o r  t  

    E – P  o r  t  

    E – P  o r  t  

     C D  R 

    D E  C  /   D  S   C  R 

     S  E  R 

     S   C  R  /   E  N C 

    I2C MasterI2C Slave

    Control Logic   Configuration(e‐Fuses + reg‐Bank)

    Clock[7:0]

     C L   K  M a n a  g e

     r 

    CLK Reference/xPLL

    External clock reference

    control

    data

    One 80 Mb/s port

    I2C

    Port

    I2C (light)

    JTAG

    JTAG

    Port

    80, 160 and 320 Mb/s ports

    GBTIA

    GBLD

    GBTXe‐Link

    clock

    data‐up

    data‐down

     e P L  L   T  x 

     e P L  L   R  x 

    clocks

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    5/15

    GBLD Status

    •   GBLD V4.0 –    Available in small quantities

    •   Integrated in the VTRx and VTTx

     –    Fully functional

     –    Excellent performance

     –    Radiation hardness proved

     –    (Almost) production ready (V4.0):•   Problem: logic synthesis partially removed 

    the TMR in V4.0!•   This was not the case with V3!

     –    Version V4.1 corrects this problem:•   Submission:

     –    19th February 2014

    •   Only the digital logic will be changed: –    TMR logic was successfully tested in the 

    past with V3

     –    Minimum risk 

    •   Low power GBLD (LpGBLD) –    Reduce the power consumption by 40%

     –    VCSEL driver only:•   Lower modulation current (12 mA max)

     –    Prototyping:•

      Final design

     review:

     –    1st February

    •   Submission: –    19th February 2013

     –    No risk involved, version V4.1 is the baseline!

     –    If  successful the LpGBT will (likely) become the baseline!

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 5

    4.8 Gb/s, pre‐emphasis on

    Total  jitter: ≈25 ps

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    6/15

    GBTIA Status

    •   GBTIA V1.0 –    Fabricated in 2008:

     –    Fully functional

     –    Excellent performance

     –    Integrated in the VTRx

    •   GBTIA V2.0 –    Fabricated in 2012:

     –    Fully functional and production ready•   Available in small quantities

    •   Integrated in the VTRx

     –    Add features:•   New pad layout 

    •   Received Signal Strength Indication (RSSI)  –    To facilitate optical fiber/PIN‐diode 

    alignment.

    •   Higher reverse bias voltage for the PIN‐diode

    •   Internal voltage regulator

     –    Jitter performance slightly  worse than the first version:

    •   Tj = 36 ps instead of  30 ps in V1

    •   But BER  performance still  very  good !

    •   GBTIA V2.1

     –    Submitted for fabrication: November 2013

     –    Targets the improvement of  the  jitter performance

     –    Will become the base line solution if  successful:

    •   No risk involved, version V2.0 is still a good 

    baseline solution

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 6

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    7/15

    GBTX Data Bandwidth

    •   The GBTX supports three frame 

    types: –    “GBT”  Frame

     –    “Wide Bus”  Frame

     –    “8B/10B”  Frame

    •   “GBT” Mode

     –    User bandwidth: 3.28 Gb/s

    •   Up/down‐links

    •   “Wide Bus” and “8B/10B”frames are only supported for the uplink

     – 

      The 

    downlink 

    always 

    uses 

    the 

    “GBT” frame.

    •   “8B/10B” Mode

     –    Downlink data 8B/10B encoded

     –    No FEC

     –    User bandwidth: 3.52 Gb/s•   “Wide Bus” Mode:

     –    Uplink data scrambled

     –    No FEC

     –    User bandwidth: 4.48 Gb/s

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 7

     P  h   a s  e– A  l    i     g n e r  s +  S   e r  /   D 

     e s  f    o r E – P  o r  t   s 

    Phase ‐ Shifter

    E – P  o r  t  

    E – P  o r  t  

    E – P  o r  t  

    E – P  o r  t  

     C D  R 

    D E  C  /   D  S   C  R 

     S  E  R 

     S   C  R  /   E  N C 

    I2C MasterI2C Slave

    Control Logic   Configuration(e‐Fuses + reg‐Bank)

     C L   K  M a n a  g e

     r 

    CLK Reference/xPLL

    JTAG

    GBTX

     e P L  L   T  x 

     e P L  L   R  x 

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    8/15

    GBTX Status

    •   GBTX submitted for fabrication on the 6th

    of  August

    •   Prototypes (bare die) available: –    160 ASICs (Since December 2012)

     –    Possible to buy 240 pieces in 2013

    •   The GBTX in numbers: –    ½ million gates

     –    Approximately:•   300 8‐bit programable registers

    (all TMR)

    •   300 8‐bit e‐Fuse memory

     –    Clock tree (chip wide):

    •   9 clock trees (all TMR)

      Frequencies: 

    40/80/160/320 

    MHz –    7 PLLs:

    •   RX: CDR PLL + Reference PLL (2.4 GHz)

    •   Serializer PLL (4.8 GHz)

    •   Phase‐Shifter PLL (1.28 GHz)

    •   xPLL (VCXO based PLL, 80 MHz)

    •   (2x) ePLL (320 MHz)

     –    17 master DLLs:

    •   9 for phase alignment of  the e‐links

    •   8 for clock de‐skewing

     –    40 replica delay lines:

    •   For phase alignment of  the e‐links

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 8

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    9/15

    GBTX Package Status

    •   Package: –    20 × 20 ball array

     –    0.8 mm pitch

     –    Size: 17 mm × 17 mm

     –    8 layer substrate

     –    Heat slug

     –    On package:•   Quartz Crystal

    •   Decoupling capacitors

    •   Manufactured and designed by ASE: –    Design verified an simulated by CERN:

    •   Interconnectivity

    •   AC performance

    •   Electro  ‐migration

     –    Information flow:•   CERN ↔ IMEC ↔ASE

    •   Long “feedback” cycle: 1 to 4 weeks!

    •   Five iterations were required to agree on the design!

    •   Status: –    Package design complete.

     – 

      About 

    to 

    start:•   Tooling development

    •   Substrate manufacturing

     –    Some export license problems still to be sorted out:

    •   Capacitors!!!

     –    Forecast (conservative!?):•

      Prototypes 

    available 

    for 

    testing: 

    May 

    2013

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 9

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    10/15

    GBTX Testing Status

    •   The Credence Sapphire ASIC 

    tester: –    Characterization

     –    Production

     –    Three auxiliary boards are needed:

    •   Load board:

     –    Ready

    •   The GBTX Test Board (TB)

     –    Schematic ready:

     –    PCB under development:

    »   15th March•   The GBTX Link Tester Board (LTB)

     –    Ready

    •   The Stand Alone Test board (SAT):

     –    Dedicated to:

    •   Field tests

    •   SEU tests

     –    Design under development

    •   Schematic under development

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 10

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    11/15

    GBT‐SCA Status

    •   Analog Circuitry

     –    ADC block•   Design development outsourced to an IP vendor based on the DCU ADC architecture

    •   Preliminary design database delivered to CERN, simulation results according specifications.

    •   Final design delivery expected in early February 2013

    •   Bandgap –    Design ready

    •   DAC –    Building blocks are ready from MEDIPIX‐3 project.

    •   Integration work is needed

    •   Digital Circuitry

     –    Core Logic  –    RTL code extensively redesigned during last year. Level of  completeness 80%

    •   Need to triplicate and synthetize the RTL code.

     –    Development of  a Testbench based on System Verilog

    •   ePort (with HDLC transmission protocol)

     –    RTL code 80% ready (Minor effort is needed to finalize triplication) –    Functionality checks are O.K. and code is synthesizable

    •   Chip Assembly and prototype submission –    Place & Route work and physical verification to be done

     –    Target tape out date: MOSIS MPW run in May 2013

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 11

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    12/15

    GBT Building Blocks (IP) Status

    Available “IP” to facilitate the implementation of 

    e‐Link transceivers in the frontend ASICs:

    •   SLVS Receiver

     –    Wire‐bond, DM metal stack

     –    C4, LM metal stack

    •   SLVS Driver

     –    Wire‐bond, DM metal stack

     –    C4, LM metal stack

    •   SLVS Bi‐directional

     –    C4, LM metal stack

    •   HDLC transceiver

     –    Synthesizable Verilog

    •   7B/8B CODEC

     –    Synthesizable Verilog

    •   ePLL‐FM

     –    Frequency Multiplier PLL

     –    Radiation Hard

     –    130 nm CMOS technology with the DM metal stack (3‐

    2‐3).

     –    Input frequencies: 40/80/160 MHz

     –    Output frequencies: 160/320 MHz regardless the input 

    frequency

     –    Programmable phase of  the output clocks with a 

    resolution of  11.25° for the 160 MHz clock and 22.5°

    for the 320 MHz clock

     –    Programmable charge pump current, loop filter 

    resistance and capacitance to optimize the loop 

    dynamics

     –    Supply voltage: 1.2 V  ‐ 1.5 V

     –    Nominal power consumption: 20 mW @ 1.2 V  ‐ 30 

    mW @1.5 V

     –    Operating temperature range:  ‐30°C to 100°C

    •   ePLL‐CDR (under development)

     –    Data rate: 40/80/160/320 Mbit/s

     –    Output clocks: data clock + 40/80/160/320 MHz with 

    programmable phase

     –    Internal or external calibration of  the VCO frequency

     –    Possibility to use it as a frequency multiplier PLL 

    without applying input data

     –    Programmable charge pump current, loop filter 

    resistance and capacitance to optimize the loop 

    dynamics

     –    Supply voltage: 1.2 V  ‐ 1.5 V

     –    Operating temperature range:  ‐30°C to 100°C

     –    Prototype fabrication: May 2013

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 12

    ePLL‐ FM

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    13/15

    GBT‐FPGA Status

    •   GBT‐SERDES successfully implemented in FPGAs: –    Scrambler/ Descrambler + Encoder/ Decoder + 

    Serializer/CDR•   Firmware:

     –    KITs are available for download for:•   Stratix II, IV

    •   Virtex 4 and 5

    •   Virtex 6 (with a project on ML605 evaluation card)

     –    On going work for:•   Cyclone

    •   Kintex7

    •   Implementation of  the GBT‐Wide Bus mode 

    •   Implementation of  the IC channel protocol

     –    The GBT is now implemented in its latency optimized version on the GLIB SVN

     –    Available soon for:•   Stratix IVGx

    •   Virtex  6LXT

    •   Optimization studies: –    Optimization of  use of  resources –    Low and “deterministic” latency

    •   Not for ALTERA

    •   GBT‐FPGA Community: –    Users have access to the sharepoint site:

    •   https://espace.cern.ch/GBT‐Project/GBT‐FPGA/default.aspx

     –    56 registered members (most users from collaborating 

    institutes)•   LHC experiments, but also CLIC, PANDA, GBT

    •   Active users are now part of  the development “team”

     –    To register to the GBT‐FPGA community:•   email to [email protected] with

     –    Full name

     –    Project

     –    Experiment

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 13

    Altera + opto TRx  ‐ 4.8 Gb/s

    Xilinx  ‐ 4.8 Gb/s

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    14/15

    Experiments Requirements

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 14

    GBT Chipset Production: Q2 2014

    Forecast including 20% spares (based on the above numbers):

    •   10k GBTIA•   28k GBLD (+10k depending on ATLAS and ALICE)

    •   28k GBTX (+10k depending on ATLAS and ALICE)

    •   5k GBT‐SCA

    Production costs supported by PH to be recovered later from the experiments!

    LS1: 2013‐2014

    LS2: 2018

    LS3: 2022‐2023

    Experiment Upgrade ASICs needed ASIC Quantities Systems Notes

    ALICE LS2 2014 GBTIA/GBTX/GBLD 4,000 TPC / ITS / m‐Tracker To be confirmed

    ATLAS LS2 GBTIA/GBTX/GBLD 288 TGC Trigger & Readout To be confirmed

    LS2 GBTX/GBLD 1,280 µmegas

    LS2 GBTIA 640 µmegas

    LS2 GBTIA/GBTX/GBLD 150 LAr calorimeter, Trigger

    LS2 GBTX/GBLD 6,000 LAr calorimeter, Trigger Not confirmed, backup solution only!

    LS2 GBTIA/GBTX/GBLD 100 Tracker

    CMS (prototyping) Yesterday! GBTX/GBLD 120 Forward HCAL

    2015 (XMAS)  2013 GBTX/GBLD 1,500 Forward HCAL

    LS2 2014 GBTX/GBLD 4,200 HCAL Barrel and Endcaps

    LHCb LS2 2014 GBTIA 3,000 Almost All The vertex detector will likely use a GBT transmitter “IP”

    GBTX/GBLD 14,000

    GBT‐SCA 3,000

  • 8/15/2019 gbtStatus.2013.02.01

    15/15

    GBT Project Future

    •   LpGBT: Low power GBT chip set – 

      Reduce the GBT chipset power consumption to ~ ¼•   GBTX: ~500 mW

     –    Two ASICs:•   Simple SERDES with reduced functionality (LpGBT  – SerDes)

     –    Low pin count and footprint (targeting tracker developments)

     –    Simple parallel port

    •   Full GBTX functionality (LpGBTX) –    General purpose

     –    E‐Links

     –    High bandwidth capability:•   Downlink 4.8 Gb/s (as in the GBTX)

    •   Uplink two modes: 4.8 and 9.6 Gb/s – 

      E‐Links double the bandwidth in the 10 Gb/s mode –    Technology: 65 nm CMOS

    •   LpGBT  – SerDes

    •   LpGBTX

    •   LpGBLD (2nd generation, 10G) will be very likely kept in 130 nm CMOS?

    •   Serious development effort to start Q1 2014 –    (Testing and production of  the GBTX is the priority for 2013)

     –    Target:•   LpGBT  – SerDes prototypes in 2017

    •   LpGBTX prototypes in 2018

     –    Developments:

    •   LpGBLD (4.8 Gb/s): MOSIS MPW, 19th February 2013

    http://cern.ch/proj‐gbt GBT Project Status 15