[論文レビュー] Flexible and Scalable Data-Acquisition Using the artdaq Toolkit

K. Biery, Eric Flumerfelt+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2018

Particle Detector Development and Performance被引用数 7

ひとこと要約

この論文では、フェルミラブで開発された、高エネルギー物理学実験向けの柔軟でスケーラブルなデータ取得ツールキットであるartdaqを紹介する。このツールキットは、リアルタイムでのデータ転送、イベント構築、カスタム分析コードの統合を可能にし、構成管理、ラン制御、ファームウェアブロックによるハードウェア抽象化をサポートする。otsdaqにおける即時利用可能な実装が提供されており、現在および将来のニュートリノおよびミューオン実験で既に導入済みである。

ABSTRACT

The Real-Time Systems Engineering Department of the Scientific Computing Division at Fermilab is developing a flexible, scalable, and powerful data-acquisition (DAQ) toolkit which serves the needs of experiments from bench-top hardware tests to large high-energy physics experiments. The toolkit provides data transport and event building capabilities with the option for experimenters to inject art analysis code at key points in the DAQ for filtering or monitoring. The toolkit also provides configuration management, run control, and low-level hardware communication utilities. Firmware blocks for several commercial data acquisition boards are provided, allowing experimenters to approach the DAQ from a high level. A fully-functional DAQ "solution" of the toolkit is provided in otsdaq, sacrificing some flexibility in favor of being ready-to-use. artdaq is being used for several current and upcoming experiments, and will continue to be refined and expanded for use in the next generation of neutrino and muon experiments.

研究の動機と目的

• ベンチトップでのテストから大規模な高エネルギー物理学実験までをカバーする統合的かつ拡張可能なデータ取得システムのニーズに対応すること。
• データ取得を実験固有の論理から分離するモジュラーなフレームワークを提供し、カスタム分析およびモニタリングコードの統合を可能にすること。
• 商用データ取得ボード向けのファームウェアブロックを用いて、低レベルのハードウェア通信を抽象化し、パラダイムの移植性を高めること。
• 小規模なプロトタイプから大規模な実験まで、多様な実験構成にわたるスケーラブルな展開を可能にすること。
• otsdaqと呼ばれる事前設定済みの即時利用ソリューションを通じて、迅速なプロトタイピングと展開を促進し、使いやすさと設定の柔軟性のバランスをとること。

提案手法

• イベント処理の基盤としてartフレームワークを活用し、モジュラーかつ再利用可能なデータ取得コンponentを実現すること。
• データ転送およびイベント構築に、構成可能なデータフローパイプラインを備えた発行-購読パターンを実装すること。
• リアルタイムでのフィルタリング、モニタリング、またはキャリブレーションのため、データフローの重要なポイントに実験固有の分析コードを統合すること。
• 一元化されたバージョン管理済みの構成システムを通じて構成管理を提供し、実験設定の一貫性を確保すること。
• 実験の状態（例：開始、停止、一時停止）を管理し、分散コンポONENT間で同期するラン制御機能を提供すること。
• 商用DAQボード向けのファームウェアブロックを提供し、低レベルのハードウェア通信を抽象化し、プラットフォーム間での移植性を確保すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の再構成で、小規模なテストから大規模な高エネルギー物理学実験までをカバーできるデータ取得システムは、どのように設計できるか？
• RQ2 標準化されたデータ取得パイプライン内で、実験固有の分析論理を柔軟に統合するためのアーキテクチャパターンは何か？
• RQ3 多様な商用DAQボードをサポートしつつ、パフォーマンスと移植性を維持するハードウェア抽象化は、どのように達成できるか？
• RQ4 分散的かつ異種の実験設定において、構成とラン制御の一貫性を保証するメカニズムは何か？
• RQ5 モジュラーかつ拡張可能なツールキットは、次世代のニュートリノおよびミューオン実験において、開発時間を短縮し信頼性を向上させる程度はどの程度か？

主な発見

• artdaqは、ベンチトップでのハードウェアテストから大規模な高エネルギー物理学実験まで、広範な実験を成功裏にサポートしており、そのスケーラビリティと柔軟性を実証している。
• データフローの重要なポイントにカスタム分析コードを統合することで、コアのデータ取得パイプラインを損なわずにリアルタイムでのフィルタリングやモニタリングが可能になった。
• otsdaq実装は、最小限の柔軟性の損失で即時利用可能な完全なDAQソリューションを提供し、迅速なプロトタイピングと展開を可能にしている。
• 商用DAQボード向けのファームウェアブロックにより、異なるプラットフォーム間で一貫した低レベルのハードウェアインタラクションが実現され、開発のオーバーヘッドが低減された。
• このツールキットは、現在および将来のニュートリノおよびミューオン実験で採用されており、次世代実験物理学における適正性が裏付けられている。
• 構成管理およびラン制御コンponentにより、複雑で分散型の実験設定においても再現性と運用安定性が確保されている。