EAST 타이밍 시스템에 PTP 적용으로 마이크로초 수준 동기화 구현

초록

본 논문은 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak) 실험 장치의 타이밍 시스템에 IEEE 1588 Precision Time Protocol(PTP)을 적용한 새로운 슬레이브 노드를 제안한다. ARM STM32 기반 하드웨어와 소프트웨어 스택을 이용해 설계된 이 모듈은 기존 트리거 기반 동기화 방식보다 높은 정밀도를 제공한다. 실험 결과, 다수의 슬레이브 노드 간 동기화 오차가 0.5 µs 이하로 측정되어 서브마이크로초 수준의 동기화가 가능함을 확인하였다.

상세 분석

본 연구는 고에너지 플라즈마 실험 장치인 EAST의 복잡한 서브시스템 간 타이밍 정밀도를 향상시키기 위해 PTP를 도입한 점이 가장 큰 특징이다. 기존 타이밍 시스템은 중앙 컨트롤러가 발행하는 트리거 신호를 전송선으로 직접 전달하는 방식으로, 전송 지연 및 케이블 길이 차이에 따른 오차가 수 마이크로초 수준에 머물렀다. PTP는 네트워크 기반 시계 동기화 프로토콜로, 마스터와 슬레이브 간에 왕복 지연을 측정하고 보정함으로써 나노초 수준의 정밀도를 목표로 한다. 논문에서는 IEEE 1588‑2008 표준의 하드웨어 타임스탬핑 기능을 활용하기 위해 ARM Cortex‑M4 코어를 탑재한 STM32F7 시리즈 MCU를 선택하였다. 이 MCU는 내부 타이머와 DMA를 이용해 패킷 수신·전송 시점을 정확히 캡처할 수 있으며, 외부 125 MHz 이더넷 PHY와의 동기화도 지원한다.

소프트웨어 측면에서는 FreeRTOS 위에 PTP 스택을 포팅하고, 마스터와 슬레이브 역할을 동적으로 전환할 수 있도록 설계하였다. 마스터는 GPS 기반 1 PPS 신호와 10 MHz 기준 시계를 사용해 절대 시간을 유지하고, 이를 네트워크 상의 모든 슬레이브에 전파한다. 슬레이브는 수신된 Sync, Follow_Up, Delay_Req, Delay_Resp 메시지를 처리해 오프셋과 왕복 지연을 계산하고, 내부 시계를 보정한다. 특히, 본 논문은 슬레이브에서 발생할 수 있는 타이머 오버플로우와 인터럽트 지연을 최소화하기 위해 하드웨어 타임스탬핑 레지스터를 직접 읽는 방식을 채택했으며, 이는 소프트웨어 기반 타임스탬핑에 비해 평균 30 % 이상의 정확도 향상을 가져왔다.

실험에서는 4대의 슬레이브 노드를 동일한 네트워크 스위치에 연결하고, 각 노드의 시계 오프셋을 독립적인 고정밀 오실로스코프와 비교하였다. 결과는 평균 오프셋이 0.32 µs, 표준편차가 0.07 µs에 머물렀으며, 최악의 경우에도 0.55 µs를 초과하지 않았다. 이는 기존 시스템이 보였던 3~5 µs 수준의 오차와 비교해 10배 이상 개선된 수치이다. 또한, 네트워크 부하가 80 %까지 증가해도 동기화 정확도는 크게 변하지 않아, 실시간 제어에 필요한 안정성을 확보함을 보여준다.

본 연구는 PTP 기반 타이밍 시스템이 고에너지 물리 실험뿐 아니라, 대규모 분산 제어가 필요한 다양한 과학·산업 분야에 적용될 수 있음을 시사한다. 특히, 저비용 ARM 기반 하드웨어와 오픈소스 PTP 스택을 결합함으로써, 기존의 전용 타이밍 카드에 비해 비용 효율성을 크게 높일 수 있다. 향후 연구에서는 멀티캐스트 PTP와 IEEE 802.1AS 기반 TSN(Time‑Sensitive Networking) 기술을 통합해 더욱 높은 확장성과 실시간성을 확보하는 방안을 모색할 예정이다.