Updates and new developments of the DAQ firmware and hardware for the DSSC camera at the European XFEL

The DEPFET Sensor with Signal Compression (DSSC) project at the European X-ray Free Electron Laser (EuXFEL) in Hamburg has developed a cutting-edge megapixel X-ray camera capable of ultra-fast imaging at a 4.5 MHz frame rate. The camera produces a continuous data stream of up to 134 Gbit/s, necessitating an advanced data acquisition (DAQ) system to handle this high throughput. The current DAQ system utilizes a two-stage architecture: the first stage is composed of 16 identical Spartan-6 FPGA boards, and the second stage consists of 4 Kintex-7 FPGA boards, both designed by Xilinx. This system efficiently manages data output through ordered UDP Ethernet packets. This PhD research is focused on advancing and renewing the existing DAQ system to ensure its future-proofing, simplify the readout mechanism, and unlock new potential for enhancing the overall camera performance. Initial efforts concentrated on analyzing, modifying, and optimizing the firmware for the Spartan-6 (IOB) and Kintex-7 (PPT) boards, along with the custom Linux build system running on the PPT. These efforts led to significant improvements, correcting system misbehaviors, introducing new features, and making the system more robust and user-friendly. In parallel, new technologies were evaluated to redesign the DAQ system, particularly considering the end-of-life status of the Spartan-6 and the aging of the 7-Series devices. The research identified Xilinx's UltraScale+ devices as ideal candidates for the DAQ renewal plan. These devices offer enhanced performance, scalability, and energy efficiency, critical for supporting the DSSC camera and future upgrades at EuXFEL. A comprehensive evaluation process was conducted to select the most suitable FPGA, focusing on area occupation, power consumption, and timing performance. The chosen UltraScale+ devices promise significant improvements in operating frequency, resource availability and large bandwidth transceivers, ensuring that the new DAQ system can accommodate both current functionalities and future developments. The Bill of Materials (BoM) for the redesigned IOB PCB has been defined in various options, considering many use cases, including direct replacement of the current IOB, feature enhancements, and standalone module configurations. This research lays the groundwork for the next generation of DAQ systems, ensuring they meet the evolving needs of the EuXFEL and maintain cutting-edge performance in X-ray imaging.

Il progetto DEPFET Sensor with Signal Compression (DSSC), presso lo European X-ray Free Electron Laser (EuXFEL), ad Amburgo, ha sviluppato una megapixel camera per raggi X d'avanguardia, in grado di effettuare imaging ultra veloce ad un frame-rate di 4.5 MHz. La camera è in grado di generare un flusso dati continuo fino a 134 Gbit/s, rendendo indispensabile l'utilizzo di una elettronica di acquisizione (DAQ) avanzata per gestire l'alto throughput. L'attuale DAQ consiste in un sistema a due stadi: il primo stadio è composto da 16 schede elettroniche identiche, chiamate Input/Output Board (IOB) e basate su FPGA Spartan-6, mentre il secondo stadio si confà di 4 identiche schede elettroniche basate su FPGA Kintex-7, chiamate Patch Panel Transceiver (PPT). Il sistema gestisce il flusso dati in modo efficiente utilizzando pacchetti Ethernet UDP ordinati. La ricerca di dottorato si è focalizzata su avanzamenti e innovazione della DAQ corrente per assicurarne la longevità, semplificarne i meccanismi di lettura e aggiungere funzionalità per migliorare le performance della camera. Gli sforzi iniziali si sono concentrati sull'analizzare, modificare e ottimizzare il firmware delle Spartan-6 (IOB) e Kintex-7 (PPT) ed il build system per l'installazione Linux della PPT. Questa fase ha portato a migliorie significative, correggendo malfunzionamenti, aggiungendo funzionalità innovative e rendendo il sistema più robusto e user-friendly. Parallelamente sono state valutate nuove tecnologie per il redesign del sistema di acquisizione, resosi necessario in particolare per l'avvicinamento al fine vita dei dispositivi Spartan-6 e l'invecchiamento di quelli Kintex-7. La ricerca ha identificato nella famiglia di dispositivi Xilinx UltraScale+ i candidati più idonei per il piano di rinnovamento della DAQ, offrendo altissime performance, scalabilità ed efficienza energetica, aspetto critico per supportare la DSSC camera e gli eventuali upgrade di XFEL. È stata condotta una precisa valutazione per selezionare, all'interno della famiglia UltraScale+, i dispositivi FPGA più indicati per il compito secondo metriche come occupazione d'area, consumo di potenza e performance di timing. I dispositivi selezionati promettono miglioramenti significativi in termini di frequenza di funzionamento, disponibilità di risorse e transceivers a banda larga, assicurando la possibilità di ospitare sia le funzioni correnti che interessanti sviluppi futuri. La Bill of Materials (BoM) di per la riprogettazione del PCB della IOB è stata definita in varie versioni, consideranti molteplici casi d'uso: una versione per il rimpiazzo 1 a 1 dell'implementazione IOB corrente, una versione più permissiva in termini di funzionalità aggiuntive, ed infine una versione per permettere l'utilizzo in modalità standalone. Questa ricerca pone le basi per la nuova generazione di DAQ, assicurando il raggiungimento dei requisiti necessari alle evoluzioni future di EuXFEL e nantenendo le performance d'avanguardia nell'X-ray imaging.