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viernes , junio 5 2020
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MEN hace posible que las tarjetas VME estén disponibles hasta el 2032

MEN ha desarrollado una nueva placa VME con procesador Intel Xeon D para CERN. Gracias a una FPGA-based PCIe-VME64x bridge de código abierto, el equipamiento existente del acelerador de partícu­las ahora puede actualizarse con un procesador más actual y perma­necer en funcionamiento durante muchos años. El plan es utilizar VME hasta el final programado de LHC en 2032.

CERN es el centro de investi­gación más grande del mundo en el campo de la física de partícu­las, cuyos cimientos se remontan a 1954. Hoy en día, más de 2.500 empleados y más de 12.000 cien­tíficos visitantes de 85 naciones es­tán investigando allí los bloques de construcción de nuestro Universo. Probablemente el más conocido es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de 27 kilómetros de largo, que entró en funcionamiento en 2008. Una de las preguntas que ayuda a examinar, es por qué nues­tro Universo consiste principalmen­te en materia y no en partes iguales también de antimateria. El equipo más avanzado se utiliza para esta y muchas otras tareas, y se realizan enormes inversiones año tras año. También es muy importante man­tener la infraestructura existente durante los próximos años.

Dispositivos flexibles para adquisición de datos y control de aceleradores

Tomemos, por ejemplo, los miles de las llamadas cajas que se han instalado en los numerosos acele­radores de partículas en el CERN durante años. Desplegados en la infraestructura de soporte de varios detectores de partículas, general­mente se usan para la electrónica de activación y la adquisición de datos. Las cajas tienen una confi­guración típica basada en ranuras con backplane y módulos confi­gurables libremente. Este tipo de sistema electrónico modular está predestinado para su uso en insti­tuciones científicas como el CERN, ya que dichos sistemas modulares permiten que los circuitos indivi­duales se reutilicen muchas veces y se implementen en múltiples sis­temas y en varias configuraciones. Una vez que se termina un experi­mento, las cajas se reutilizan para nuevos experimentos en diferentes configuraciones, lo que asegura la inversión inicial a largo plazo.  Un tipo de estas cajas se basa en el bus VME, que se especificó por primera vez en 1981 y se ha desa­rrollado continuamente desde en­tonces. Actualmente, más de 900 cajas de este tipo están en uso en el propio CERN, principalmente para controlar los aceleradores. Se utili­zan cajas en diferentes configura­ciones para la adquisición de datos en los experimentos y detectores. En el experimento LHCb, por ejem­plo, se utilizan para pre-procesar partes de los datos nativos de apro­ximadamente un millón de senso­res para que los científicos reciban solo los datos relevantes para sus análisis. Otras cajas se encuentran en muchos otros detectores CERN como ATLAS, CMS, ALICE, ISOLDE y TOTEM, en algunos casos cumplen tareas completamente diferentes, ya que, al igual que cualquier otro sistema de backplane modular, se pueden usar de manera extremada­mente flexible.

Nuevos dispositivos para nuevos retos

Dado que las tareas cambian con cada experimento, constante­mente se desarrollan nuevas con­figuraciones de cajas que deben proporcionar lo último en rendi­miento informático. Solo en 2016, y en los aceleradores, se pusieron en funcionamiento alrededor de 50 cajas nuevas. Además, ya es previ­sible que se instalen alrededor de 200 cajas nuevas durante el “Long Shutdown” planificado de 2019 a 2020, que se usará para reparar y revisar completamente los equipos.  Sin embargo, un problema con los sistemas basados en VME radica en el hecho de que los procesado­res no admiten de forma nativa la comunicación a través del bus VME. Por lo tanto, las placas pro­cesadoras deben proporcionar un  puente PCIe-VME64x para interac­tuar con el bus VME. Sin embargo, solo algunos fabricantes disponían de componentes discretos, mien­tras que el proveedor principal ha­bía anunciado el fin de la vida útil del componente actual (TSI148). La dimensión de este problema se aclara rápidamente al considerar la cantidad de ordenadores monopla­ca (SBC) con el bus VME instalado en el CERN: en la actualidad, están instalados más de 900 SBC basados en VME de MEN Mikro Elektronik con Intel® Core™ Duo y Core™ 2 Duo. Si bien estas son cantidades significativas para las placas VME de alta calidad, este volumen por sí solo no justificaría la fabricación de un componente discreto solo para este propósito. Por lo tanto, el Beams Department / Control Group del CERN, BE / CO para abreviar, estaba buscando alternativas sos­tenibles para los próximos años mediante la publicación de una nueva licitación.

En busca de una nueva solución para el bus VME64x

Se especificaron tres opciones posibles para la comunicación de PCI / PCIe a VME64x.  tener un stock suficiente de chips TSI148 para poder produ­cir la cantidad de placas especi­ficadas en el contrato, o  utilizar el Tundra Universe II, el predecesor del TSI148, o  utilizar la tecnología FPGA: en ese caso, el CERN solicitó a los licitadores que pusieran a dis­posición las fuentes VHDL com­pletas para el diseño de FPGA a través de una licencia GPL3 o posterior.   Además de las dos primeras op­ciones, el CERN sabía que había compañías con implementaciones patentadas de puentes VME rea­lizadas en FPGA. Por ejemplo, las generaciones anteriores de SBC uti­lizados en CERN (antes de las pla­cas basadas en TSI148) tenían un procesador PowerPC con una FPGA para conectarse a un bus VME. Por lo tanto, con la última opción en la convocatoria de licitación, el CERN esperaba que al menos una de es­tas empresas estuviera lista para su implementación de código abierto. Por otro lado, para garantizar con­diciones justas para cualquiera que presente sus ofertas, el CERN no dio preferencia a ninguna de estas opciones. La selección se basó en el precio de las ofertas presenta­das en la licitación. Finalmente, se eligió a la compañía que ofrecía los mejores precios para que se le adjudicara el contrato.

El puente de código abierto PCIe-VME64x ya está disponible

El resultado de esa licitación conduce a una solución basada en la tecnología FPGA y, por lo tanto,  todas las fuentes VHDL ahora están disponibles bajo la licencia GPL3 o posterior, y el paquete de contro­ladores de Linux bajo la licencia GPL2 o posterior en la página del proyecto puente PCIe-a- VME del Repositorio de Hardware Abierto. El puente open source PCIe-a-VME es un gran paso no solo para el CERN, sino también para todas las demás instituciones alrededor del mundo donde VME todavía está en uso. En primer lugar, los ingenieros del CERN ya no depen­den de un proveedor en particular. Incluso si el chip FPGA que se usa actualmente se vuelve obsoleto, el acceso a las fuentes VHDL comple­tas les permite portar el puente de PCIe a VME a otro FPGA. Gracias al hecho de que el diseño es de código abierto, cualquier instituto o empresa ahora no solo puede comprar un producto actualizado con ese puente, sino que también puede construir cualquier otro SBC de VME utilizando el mismo puen­te. El uso del mismo puente VME en SBC significa también los mis­mos controladores del kernel de Linux y la API VME de usuario para todos los institutos y empresas. En el futuro, esto debería permitir a todos los ingenieros colaborar más eficientemente en el mundo VME y tener más libertad para compartir y reutilizar los controladores del kernel de Linux para las placas VME que, por ejemplo, los ingenieros del CERN diseñan por su cuenta.

Colaborador de la nueva lógica FPGA

La empresa que estaba abierta a invertir un gran esfuerzo junto con el CERN para diseñar, probar y validar un puente PCIe Gen 3 ade­cuado para los sistemas de 64 bits de VME fue MEN Mikro Elektronik. La compañía no solo trabajó junto con el equipo de CERN en la vali­dación y las pruebas, sino también en el código abierto, publicando el puente de PCIe a VME que traduce las operaciones de lectura y escri­tura en el espacio de direcciones de PCIe para leer y escribir transac­ciones en el bus VME. Actúa como un punto final PCIe en un lado y un bus maestro VME en el otro. El puente puede generar ciclos únicos de VME y transferencias de blo­ques.

Actualmente se admiten los siguientes tipos de acceso:  Ciclos únicos de VME: A16, A24, A32 con cualquiera de los an­chos de datos D8, D16, D32  Transferencias de bloques VME (BLT): A24D16, A24D32, A32D32 más la transferencia de bloques multiplexada (MBLT) A24D64 y A32D64  Acceso al espacio de configura­ción CR / CSR   Las transferencias de bloques VME se ejecutan mediante un mo­tor de acceso directo a memoria (DMA), donde los bloques de datos se transfieren entre la memoria del sistema y el bus VME, sin pasar por la CPU. Además, también es posible usar DMA con ciclos indi­viduales, lo que es especialmente útil para las placas conectadas que no admiten el modo de acceso BLT. En general, esta es una for­ma más rápida y más eficiente de intercambiar varias palabras de datos, ya que la CPU es libre de continuar su funcionamiento nor­mal hasta que el motor DMA ter­mina con una tarea programada. El puente también admite algunas características agregadas en las ex­tensiones VME64x.

Puede usar los pines de la dirección geográfica y generar un tipo especial de acceso A24 para leer y escribir el espa­cio de configuración CR / CSR de los esclavos VME instalados en la misma caja. Sin embargo, aunque ninguno de los modos de transfe­rencia rápida (2eVME, 2eSST) son compatibles actualmente, estos podrían implementarse en el fu­turo ya que las próximas tarjetas esclavas VME pueden requerirlos; Este tema ya está siendo evaluado en MEN. Además, el módulo de bus VME implementado por MEN puede actuar tanto como maestro VME como esclavo VME. Esto per­mite no solo su uso en SBCs VME que se ejecutan como maestros, sino también para aprovecharlos en E / S y otras tarjetas periféricas conectadas como esclavos. Aunque para la aplicación de SBC VME, la configuración se centra solo en la funcionalidad maestra de VME. Ac­tualmente, todo el diseño de puen­te ocupa solo el 30 por ciento del área FPGA del Intel Cyclone. Esto significa que hay mucho espacio disponible para implementar nue­vas funciones adicionales (como 2eVME, transferencias 2eSST).

Disponibilidad a largo plazo garantizada

Al lanzar la especificación junto con el despliegue de las primeras placas con el nuevo puente PCIe a VME64x basado en FPGA, el CERN ha alcanzado un hito importante para la disponibilidad a largo plazo de sus cajas basadas en VME para la adquisición de datos y el con­trol del acelerador. La referencia también es un hito para todos los demás usuarios existentes de sis­temas basados en VME, porque la disponibilidad de la lógica adecua­da ahora también está garantizada para ellos a largo plazo. Según las estimaciones actuales, el mercado para las nuevas placas aún ascen­derá a más de 200 millones de dólares USD en 2020.  Durante el proyecto, el espe­cialista en informática embebida  MEN Mikro Elektronik demostró una vez más su gran experiencia en tecnología FPGA e informática embebida estandarizada junto a los conocimientos de la CPU VME. Con el puente PCIe-a-VME, los clientes se benefician de la disponibilidad a largo plazo de las instalaciones existentes. MEN Mikro Elektronik también puede ofrecer soluciones customizadas a cada tipo de clien­te, por ejemplo, PCIe a PCI o inclu­so PCIe a ISA, que también hacen que el hardware heredado de los OEMs esté disponible a largo plazo, lo que proporciona un retorno de la inversión aún más prolongado. Junto a las soluciones de puente para buses heredados internos para asegurar la disponibilidad a largo plazo, la compañía también ofrece puentes basados en FPGA a inter­faces y buses externos, como UART, bus CAN o controladores QSPI utili­zando SPI.

Este escenario permite a los clientes OEM crear variantes de forma extremadamente rentables. Por ejemplo, un solo diseño de una tarjera CPU se puede utilizar para aplicaciones completamente dife­rentes. Incluso cuando los tama­ños de los lotes son pequeños, es posible atender significativamente más aplicaciones, como soluciones con diferentes buses de campo o variantes de Ethernet industrial, o, específicamente, soluciones con re­quisitos de migración, por ejemplo, en ingeniería ferroviaria o construc­ción de aeronaves. Los OEM pue­den utilizar una única plataforma de hardware en todas las variantes, lo que simplifica significativamente el servicio, la documentación y la certificación.

La primera placa con el nuevo puente

La primera placa con el nuevo puente basado en FPGA para el bus VME y utilizada en el CERN es la A25 de MEN Mikro Elektronik. Está equipada con la CPU Xeon D-1500 de Intel y, además del nuevo FPGA, combina una alta eficiencia de cos­tes con un rico conjunto de carac­terísticas. Además, el A25 admite la reducción del tamaño del sistema, el funcionamiento fiable a largo plazo sin refrigeración forzada por aire y las múltiples funciones de cálculo con una sola placa. Con dos puertos USB 3.0, hasta tres puertos Gigabit Ethernet y dos RS232 COM en la parte frontal, la placa ofrece los fundamentos básicos de un ordenador industrial multiuso.

Al estar equipado con hasta 8 GByte de DDR4 SDRAM con ECC acom­pañado de Flash, la necesidad de ampliaciones de almacenamiento masivo flexibles está cubierta por ranuras para microSD y mSATA. Además, la A25 se puede equipar con una tarjeta intermedia XMC / PMC y una tarjeta mini PCI Express, que proporcionan E / S frontales adicionales (XMC / PMC) para fun­ciones como gráficos, almacena­miento masivo o puertos Ethernet adicionales. La ranura PMC admite módulos de PCI-X de hasta 64 bits / 133 MHz, mientras que la ranura XMC está controlada por un enlace PCI Express x8. La ampliación mo­dular con mezzanines de E / S en un ordenador monoplaza permite configurar sistemas personalizados a partir de componentes estándar abiertos, lo que reduce el tiempo y el coste de la integración. El A25 admite el funcionamiento en un rango de temperatura desde -40°C a +60°C. La resistente placa so­porta golpes y vibraciones ya que todos los componentes de la placa están soldados, lo cual es un requi­sito previo para un funcionamiento fiable y una vida útil más larga del producto.



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