Темы исследований

1. Высокая пропускная способность триггерной электроники

Последние разработки детекторов позволяют проводить научные эксперименты с беспрецедентным временным и пространственным разрешением. Для того чтобы осуществить эту аппаратуру обширным объемам данных нужно быть управляемым электроникой DAQ. Мы используем самые последние коммерчески доступные технологии и продукты, для того чтобы сфокусировать с нашими изготовленными на заказ развитиями на специфических требованиях наших применений.

Высокая пропускная способность НЛО платформы сбора данных

Мы разработали модульную высокопроизводительную платформу DAQ на базе ПЛИС, предназначенную для быстрого развития систем сбора научных данных. Основные цели проектирования включают следующее:

Архитектура считывания может быть разделена на три основные части: дочерняя карта, содержащая специальные датчики, фильтры и дигитайзеры, материнская плата на основе мощных Плис и ПК, используемый для системы сбора данных (DAQ) и дальнейшего анализа данных. Дочерние и материнские платы соединены высокоскоростным разъемом FMC-Samtec с высокой плотностью. Для того, чтобы считывать данные как можно быстрее, используется стандартный кабель PCI Express (PCIe) для передачи данных непосредственно из DAQ electronics в память основного компьютера. Для этого интерфейса доступны пассивные медные кабели и активные оптические линии связи. Чтобы в полной мере воспользоваться высокой пропускной способностью канала PCIe link, мы используем прямой доступ к памяти (DMA) для передачи данных с камеры в память основного компьютера и наоборот. Инфраструктура включает в себя библиотеку IP-блоков, которые часто используются в приложениях DAQ. Это включает в себя двигатели DMA, также поддерживающие AMD GMAdirect и Nvidias GPUdirect, быстрый сериализатор, блоки десериализатора для сопряжения датчиков изображения или АЦП и модуль памяти DDR для промежуточного хранения с использованием встроенной памяти DDR.

Сверхбыстрый дигитайзер с пикосекундной выборкой

На базе высокопроизводительной платформы DAQ был разработан быстрый дигитайзер. Система предназначена для всех научных применений которая требует измерения быстрых импов Ульс с вниз к FWHM 100 ps. Быстрая потоковая передача данных платформы UFO позволяет осуществлять выборку и хранение отдельных импульсов с частотами импульсов в диапазоне от кГц до 5oo МГц. Другими словами, система способна записывать отдельные импульсы в непрерывном режиме с разрешением МВ и разрешать относительное время джиттера импульса между двумя последовательными импульсами с пикосекундным временным разрешением.

Поддерживаются различные детекторы, такие как YBCO, NbN, нулевой смещенный диод Шоттки. LNA и широкополосный делитель мощности были разработаны для усиления и последующего разделения аналогового импульса на четыре идентичных аналоговых сигнала с минимальными вносимыми потерями. Плата быстрого дигитайзера принимает четыре аналоговых сигнала от делителя мощности и отсчитывает входящие сигналы по четырем отдельным выборкам. Время между соседними образцами контролируется микросхемами пикосекундной задержки и настраивается ПЛИС. Из-за очень низкого уровня шума макета распределение общего времени дрожания показывает Гауссову форму без систематических компонентов и очень низкое стандартное отклонение (Std-Dev), измеренное менее 1,7 ПС. Высокая плата считывания пропускной способности получает 4 цифровых образца каждые 2 НС с разрешением АЦП 12 бит и передает полученные данные непосредственно в высокопроизводительные графические процессоры (GPU) для анализа данных в реальном времени. Таким образом, плата считывания основана на архитектуре шины master DMA, подключенной к основной логике PCI Express, разработанной для обеспечения высокой пропускной способности данных до 4 Гбайт/с.

Модульная научная платформа потоковой камеры

Высокоскоростное управление технологическим процессом на основе изображений требует непрерывной записи и анализа потоков изображений. Для этой цели платформа камеры UFO научная обеспечивает быстрые соединения, ориентированные на заказчика изображени-основанные пуски и врезанную логику управления производственным процессом. Все эти функции недоступны в коммерческих камерах. Оно основан на различных датчиках пиксела CMOS активных, установленных на карточках дочери мезонина. Дочерняя карта подключена к основной плате считывания. Для более дальнеишего анализа данных Платформа камеры плавно интегрирована в рамках параллельной обработки UFO.

Основные преимущества платформы камеры с высокой пропускной способностью:

Для платформы камеры UFO существует несколько плат датчиков изображения с пространственным разрешением от 1 до 20 мегапикселей и частотой кадров до 5000 кадров в секунду в полном разрешении датчика. Даже более высокие тарифы возможны на уменьшенном или интерполированном разрешении путем использование быстрой логики брака. Частота кадров и разрешение ограничены только текущей пропускной способностью данных датчика около 6,5 Гбайт / с. сама архитектура считывания открыта для других датчиков, чтобы соответствовать конкретным требованиям научных экспериментов. Благодаря модульной конструкции камеры электроника является легко расширяемой, электронная.g. для оптических каналов передачи данных.

2. Оперативная обработка быстрых потоков данных

Наукоемкие науки всегда производят большие потоки данных. Только массивные параллельные вычислительные архитектуры обеспечивают решение для требовательной обработки и анализа данных. Группа компаний UFO использует технологии высокопроизводительных вычислений для создания современных систем сбора данных.

Высокопроизводительная вычислительная инфраструктура для распределенного сбора и управления данными

Для масштабирования обработки потока данных с увеличением скорости передачи данных желательно гибкое расширение системы обработки. Для высоких скоростей передачи данных эффективная передача данных является сложной задачей. Мы стремимся построить высокоскоростную сеть сбора данных, соединяющую детекторы, узлы обработки и распределенные системы хранения. Мы интегрируем различные высокоскоростные протоколы, такие как Infiniband, в общий уровень обмена данными.

Инструменты для эффективного параллельного программирования

Для обработки больших потоков данных требуется программная инфраструктура, поддерживающая различные группы с различными интересами, такие как разработчики программного обеспечения, разработчики алгоритмов, администраторы и пользователи.

Основными целями проектирования эффективной среды параллельного программирования являются:

С точки зрения разработки программного обеспечения желательны дальнейшие цели:

В НЛО платформа параллельных вычислений организует задачу обработки потока данных в виде графика, который описывает поток данных, поступающий от детектора к хранилищу. Он использует OpenCL для использования возможностей параллельной обработки текущих устройств GPU. Фреймворк содержит обширную библиотеку алгоритмов томографической реконструкции. Доступны все узлы фильтра, необходимые для вычисления аналитических и алгебраических методов реконструкции, а также обобщенная ламинография. Наиболее критичные по времени операции были оптимизированы для различных архитектур NVIDIA и ATI.

Управление процессом и триггер на основе изображений с низкой задержкой

Эффективная обработка данных с массивными параллельными вычислительными архитектурами экономит драгоценное время ученых. Можно было бы рассмотреть еще более сложные алгоритмы, повышающие качество результатов. Но разработка эффективных алгоритмов становится новаторской, когда алгоритмы достаточно быстры для обработки в реальном времени. Он-лайн обработка потока данных включает немедленный контроль качества данных, он-лайн регулировку экспириментально параметров и даже контуры автоматического регулирования. Интеллектуальные триггерные системы могут использоваться для уменьшения размеров данных.

Для реализации контуров управления на основе изображений НЛО фреймворк органично интегрирован в быструю систему управления «концерт».

Для контуров управления и триггерных систем помимо вычислительной пропускной способности также имеет значение задержка передачи и обработки данных. Мы исследуем удаленные технологии DMA для прямой передачи данных от электроники DAQ к устройствам обработки или сетевым адаптерам. Мы стараемся удалять ненужные копии данных из основной памяти компьютеров. Наши результаты показывают, что время передачи данных вплоть до микросекундного уровня.

3. Службы анализа данных для интенсивных наук

Интенсивные приложения, такие как синхротронная томография, достигли объемов данных, которые часто превышают возможности, с которыми могут справиться пользователи. Наборы данных, записанные в imaging beamlines, становятся слишком большими, чтобы копировать их на отдельные диски. С помощью проекта ASTOR мы начали разрабатывать среду анализа, чтобы предоставить пользователям доступ к своим данным и предложить индивидуальные функции анализа. Кроме того, стандартные функции анализа часто больше не подходят и нуждаются в замене.

Визуализация сложных научных данных

Международное сотрудничество требует открытого веб-доступа к их данным. Но отображение сложных структур данных в веб-средах часто ограничено. Мы стремимся разработать инструменты для визуализации сложных наборов данных в веб-браузере. Мы стремимся к интеллектуальным каталогам данных, которые разработаны в соответствии с внутренним значением данных. Браузер данных должен позволить ученому выбрать только те данные, которые необходимы для определенного вопроса, и таким образом избежать загрузки неиспользуемых копий больших блоков данных.

Эта работа включает в себя анализ и обобщение типовых структур данных и разработку библиотек для визуализации типовых объектов данных.

Высокопроизводительные алгоритмы для параллельных вычислительных архитектур

Ключом к эффективному программированию параллельных архитектур является взаимодействие математических алгоритмов и аппаратного программирования. При рассмотрении оба алгоритма часто могут быть ускорены на порядки. Примерами применения являются методы корреляции изображений для оптических систем контроля или томографической реконструкции изображений. Оба приложения были переведены с длительной автономной обработки на оперативное выполнение.

Инструменты сотрудничества для международных исследовательских сообществ

Крупные исследовательские инфраструктуры открывают уникальные возможности для ученых. Имеющиеся данные часто анализируются только в отношении одного вопроса. Большие части наборов данных (например, для синхротронной томографии) часто не анализируются. До сих пор огромный потенциал совместной работы над имеющимися наборами данных практически не используется. Используя новый совместный подход, этот проект направлен на создание новых возможностей, которые позволяют более эффективно использовать ценное экспериментальное время, например, на томографических синхротронных линиях связи через координацию исследований взаимодополняющих исследовательских групп и регулирование использования данных общей политикой данных.

Технически каталоги данных должны быть расширены для поддержки совместного анализа. Результаты различных источников должны быть оценены и объединены. Предполагаемая инфраструктура совместного анализа делает исследовательские данные доступными для широкой научной аудитории, позволяет внедрять последние исследования в преподавание и даже обеспечивает платформу для проектов «гражданской науки».

http://ufo.kit.edu/

Ссылка на основную публикацию