CBM‑TOF 슈퍼모듈 품질 평가를 위한 고속 읽기 전자회로 설계

초록

본 논문은 CBM‑TOF 실험에 사용되는 MRPC 기반 슈퍼모듈의 품질 검증을 위해 6 Gbps까지 전송 가능한 읽기 전자계통을 제안한다. 광섬유 1.5 Gbps·4채널 → 16개 딸리 모듈(각 375 Mbps) → Gigabit Ethernet 구조로 구성했으며, 테스트 결과 4개의 병렬 그룹이 각각 1.6 Gbps를 안정적으로 전송함을 확인하였다.

상세 분석

본 연구는 CBM‑TOF(Time‑of‑Flight) 시스템의 핵심 부품인 MRPC(Multi‑Gap Resistive Plate Chamber) 슈퍼모듈을 대량 생산 후 현장 적용 전에 품질을 정밀히 평가해야 하는 요구에서 출발한다. 슈퍼모듈당 수천 개의 채널이 동시에 발생시키는 데이터는 피크 상황에서 6 Gbps에 달할 수 있어, 기존의 단일 라인 Ethernet이나 PCIe 기반 전송 방식으로는 병목 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해 저자들은 ‘병렬 광섬유‑다중 딸리 모듈‑Gigabit Ethernet’ 3단계 아키텍처를 설계하였다.

첫 번째 단계는 프론트‑엔드(FEE)에서 발생한 원시 데이터를 1.5 Gbps 광섬유 4개(총 6 Gbps)로 전송하는 것으로, 광모듈은 저손실 싱글‑모드 파이버와 10 Gbps SFP+ 트랜시버를 사용해 전송 지연을 최소화한다. 두 번째 단계에서는 각 광섬유 라인을 4개의 리드아웃 모듈 그룹으로 분배하고, 각 그룹 내에서 4개의 딸리 모듈(총 16개)로 다시 세분화한다. 딸리 모듈은 FPGA 기반 데이터 버퍼와 550 Mbps까지 지원하는 1000BASE‑T PHY를 탑재해, 실제 전송률 375 Mbps를 충분히 여유 있게 처리한다. 이 구조는 데이터 흐름을 균등하게 분산시켜 특정 모듈에 과부하가 걸리는 상황을 방지한다.

세 번째 단계는 딸리 모듈이 표준 Gigabit Ethernet 포트를 통해 DAQ 서버에 데이터를 전송하는 것으로, 기존의 네트워크 인프라와 완벽히 호환된다. 또한, 모듈 간 동기화는 PPS(Precise Pulse per Second) 신호와 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)를 이용해 100 ps 이하의 타임스탬프 정밀도를 유지한다.

시스템 검증에서는 각 광섬유 라인당 1.6 Gbps(목표 1.5 Gbps) 전송을 성공했으며, 패킷 손실률은 10⁻⁹ 이하로 측정되었다. FPGA 내부의 FIFO 깊이를 4 Mbit으로 설정해 버스트 전송 시에도 버퍼 오버플로우가 발생하지 않았다. 또한, 소프트웨어 레벨에서 TCP/IP 대신 UDP 기반의 커스텀 프로토콜을 사용해 전송 지연을 2 µs 이하로 낮추었다.

이 설계의 핵심 강점은 확장성이다. 필요에 따라 광섬유 라인 수를 8개로 늘리면 총 12 Gbps까지 지원 가능하고, 딸리 모듈당 PHY를 10 Gbps Ethernet으로 교체하면 개별 모듈당 처리량을 9 Gbps까지 확대할 수 있다. 또한, 모듈당 전력 소비는 3 W 수준으로, 전체 시스템 전력 효율도 우수하다. 이러한 특성은 CBM‑TOF 외에도 고속 입자 검출기, 의료 영상, 실시간 산업 IoT 등 대용량 데이터 스트림을 요구하는 분야에 적용 가능성을 시사한다.