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

by Torben Mehner (KIT - IPE)

Thursday Feb 12, 2026, 2:00 PM → 3:00 PM Europe/Berlin

Seminarraum EG + zoom (IPE)

Torben Mehner wird das Thema seiner Promotion vorstellen. Der Vortrag wird auf Deutsch gehalten werden.

Abstrakt:

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 Dissertation schließt diese Lücke durch einen werkzeugunabhängigen Entwurfsansatz zur Modularisierung komplexer Hardwarearchitekturen.

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 sowieWiederverwendbarkeit 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 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 die Übertragbarkeit des Ansatzes und unterstreicht den methodischen Beitrag der Modular-Hardware-Toolbox zur Systematisierung des Leiterplattenentwurfs.

Vortragssprache: Deutsch