Evaluation of Ethernet-based solutions for applications in the CERN radiation environment

At CERN, data transmission is one of the most important operations as it allows to transfer and make accessible the information obtained from the acquisition, control, and diagnostic systems. The need for a radiation-tolerant communication link compatible with a wide range of devices has led to an investigation of possible alternative solutions to those currently used at CERN. In recent years, the Ethernet communication protocol has seen increased use in different areas, from the commercial to the industrial. The possibility of using this protocol as a basis for building more complex ones and the wide compatibility with many platforms has made it a very promising candidate for different possible applications at CERN. Unfortunately, in the literature there are few works dealing with Ethernet-based systems in the presence of ionizing radiation. For this reason, it was necessary to investigate the feasibility of using this protocol in the framework of CERN. To validate the feasibility of the protocol, several implementations have been developed using as a test device a system on chip (SoC), where a flash-based field-programmable gate array (FPGA) and a microcontroller coexist, making the system highly configurable. Considering the Large Hadron Collider (LHC) accelerator complex, the proposed implementations have been subjected to a detailed qualification process. The results obtained during the different test campaigns have been compared with respect to the event cross-section metric, the sensitivity of the different implementations has been evaluated according to the bit error ratio (BER), and lastly, the results have been projected in the CERN context through the evaluation of the failure rate and the prediction of the reliability of these implementations in a realistic accelerator environment.

Al CERN la trasmissione di dati é una delle operazioni piu importanti in quanto permette di trasferire e rendere accessibili le informazioni ricavate dai sistemi di acquisizione, controllo e diagnostica. La necessità di un link di comunicazione tollerante alle radiazioni e compatibile con una vasta gamma di dispositivi ha spinto a investigare possibili soluzioni alternative a quelle attualmente impiegate al CERN. Negli ultimi anni il protocollo di comunicazione Ethernet ha visto un sempre maggiore impiego in diversi ambiti: dal commerciale all'industriale. La possibilita di utilizzare questo protocollo come base per costruirne di piu complessi e la vasta compatibilita con molte piattaforme lo ha reso un candidato molto promettente per i possibili diversi utilizzi nel contesto del CERN. Sfortunatamente in letteratura sono pochi i lavori che trattano di sistemi basati su Ethernet in presenza di radiazioni ionizzanti, per questo motivo si è reso necessario investigare la fattibilità di utilizzo di questo protocollo nel contesto del CERN. Per validare la bontà del protocollo sono state realizzate diverse implementazioni utilizzando come device di test un system on chip (SoC), dove coesistono una flash-based field-programmable gate array (FPGA) e un microcontrollore, rendendo il sistema altamente configurabile. Considerando il complesso di acceleratori del Large Hadron Collider (LHC), le implementazioni proposte sono state sottosposte a un dettagliato processo di qualificazione. I risultati ottenuti durante le diverse campagne di test sono stati confrontati rispetto alla metrica della event cross-section, la sensitività delle diverse implementazioni è stata valutata in accordo con il bit error ratio (BER) e infine, i risultati sono stati proiettati nel contesto del CERN attraverso la valutazione del tasso di fallimento e la previsione dell'affidabilità di queste implementazioni in un reale contesto di utilizzo all'interno del complesso degli acceleratori del CERN.