Modular-Hardware Toolbox for Data Acquisition Systems in High Energy Physics Experiments

Das Upgrade des High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) für das Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiment erfordert angesichts stark steigender Datenraten eine Neugestaltung der Back-End-Elektronik. Herkömmliche Entwurfsprozesse für Datenerfassungssysteme (DAQSysteme) stoßen dabei an Grenzen hinsichtlich Entwicklungsdauer, Komplexität und Wiederverwendbarkeit. Während bestehende Modularitätskonzepte vorwiegend auf Systemebene ansetzen, fehlt bislang ein methodischer Rahmen zur Anwendung modularer Prinzipien innerhalb einzelner Leiterplatten. Diese Thesis schließt diese Lücke durch einen werkzeugunabhängigen Entwurfsansatz zur Modularisierung komplexer Hardwarearchitekturen.
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Hierzu wurde eine modulare Hardware-Toolbox entwickelt, die Prozesse, Strukturen und Schnittstellendefinitionen zur Entwicklung wiederverwendbarer Hardwarekomponenten beschreibt. Sie dient als methodisches Rahmenwerk für zentrale Entwurfsprozesse und unterstützt eine systematische Modularisierung des Designs, wodurch Entwicklungsaufwand und Fehleranfälligkeit reduziert sowie Wiederverwendbarkeit und Anpassungsfähigkeit erhöht werden. Die Anwendung der Toolbox wird exemplarisch mit dem Werkzeug Altium Designer demonstriert.

Die Validierung des Ansatzes erfolgte anhand der Serenity-S1-Karte, einer Back-End-Verarbeitungseinheit für mehrere CMS-Subdetektoren, die auf dem Advanced Telecommunications Computing Architecture (ATCA)-Standard basiert. Sie integriert einen modularen Servicebereich für Infrastrukturfunktionen und einen flexiblen Nutzbereich mit einem AMD Virtex UltraScale+ VU13P Field-Programmable Gate Array (FPGA) und optischen Links. Die Karte erreicht einen aggregierten Datendurchsatz von über $3\,\mathrm{Tbit\,s^{-1}}$ bei Latenzen im Mikrosekundenbereich, die maßgeblich durch die Datenverarbeitung im FPGA bestimmt sind. Ergänzend zur technischen Verifikation wurde der Entwicklungsprozess anhand einer Capability Maturity Model Integration (CMMI) bewertet, wobei der Vergleich mit Projekten ohne Toolbox eine deutliche Steigerung der Prozessreife und Standardisierung zeigte.

Die Arbeit zeigt, dass der modulare Ansatz die verteilte Entwicklung in internationalen Kollaborationen erleichtert und eine schnelle Anpassung an technologische Änderungen ermöglicht. Die Wiederverwendung mehrerer entwickelter Module in unabhängigen Projekten belegt dieÜbertragbarkeit des Ansatzes und unterstreicht den methodischen Beitrag der Modular-Hardware-Toolbox zur Systematisierung des Leiterplattenentwurfs.

The upgrade of the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) for the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment imposes new requirements on the architecture and development of back-end electronics due to the rapidly increasing data rates. Conventional design processes for Data Acquisition (DAQ) systems are reaching their limits in terms of development time, complexity, and reusability. While existing modularity concepts primarily focus on the system level – combining multiple printed circuit boards (PCBs) into complete systems – a methodological framework for applying modular design principles within individual boards has been lacking. ... mehrThis thesis addresses this gap by introducing a tool-agnostic design approach for structuring complex hardware architectures.

For this purpose, a modular hardware toolbox has been developed that defines processes, structures, and interface specifications for creating reusable hardware components. It serves as a methodological framework for the standardisation of core design processes and supports systematic modularisation of the design, thereby reducing development effort and error susceptibility while increasing reusability and adaptability. The approach is exemplified using an implementation with Altium Designer.

The concept was validated through the development of the Serenity-S1 Advanced Telecommunications Computing Architecture (ATCA) board, a back-end processing card for multiple CMS subdetectors. The design integrates a modular service region for infrastructure functions and a flexible payload area hosting an AMD Virtex UltraScale+ VU13P FPGA and optical links. The board achieves an aggregate data throughput exceeding $3\,\mathrm{Tbit\,s^{-1}}$ with latencies in the microsecond range, which are largely determined by the data processing implemented in the FPGA. In addition to technical verification, the development process was evaluated using a Capability Maturity Model Integration (CMMI), where comparison with projects developed without the toolbox demonstrated a significant increase in process maturity and standardisation.

The results show that the modular approach facilitates distributed development in international collaborations and enables rapid adaptation to technological changes. The reuse of several developed modules in independent projects demonstrates the transferability and sustainability of the approach and underlines the methodological contribution of the modular hardware toolbox to the systematisation of printed circuit board design.