[論文レビュー] The On-Site Analysis of the Cherenkov Telescope Array

A. Bulgarelli, V. Fioretti+55 more|RUNG|Sep 7, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）の現地分析パイプラインの設計およびプロトタイピングを提示する。リアルタイム分析（RTA）およびレベルBのデータ処理に焦点を当て、最終パイプラインと比較して感度が3倍以内の範囲で30秒未塔のアラートを実現する。システムは、現地に設置された低消費電力で高スループットのコンピューティングを採用し、ハードウェアアクセラレーション（GPU/FPGA）とデータ圧縮技術（波形抽出、ゼロ・サプレッション、バックグラウンド除去）を用いて、ネットワーク帯域幅が限られる条件下で数Gbpsのデータレートを管理する。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) observatory will be one of the largest ground-based very high-energy gamma-ray observatories. The On-Site Analysis will be the first CTA scientific analysis of data acquired from the array of telescopes, in both northern and southern sites. The On-Site Analysis will have two pipelines: the Level-A pipeline (also known as Real-Time Analysis, RTA) and the level-B one. The RTA performs data quality monitoring and must be able to issue automated alerts on variable and transient astrophysical sources within 30 seconds from the last acquired Cherenkov event that contributes to the alert, with a sensitivity not worse than the one achieved by the final pipeline by more than a factor of 3. The Level-B Analysis has a better sensitivity (not be worse than the final one by a factor of 2) and the results should be available within 10 hours from the acquisition of the data: for this reason this analysis could be performed at the end of an observation or next morning. The latency (in particular for the RTA) and the sensitivity requirements are challenging because of the large data rate, a few GByte/s. The remote connection to the CTA candidate site with a rather limited network bandwidth makes the issue of the exported data size extremely critical and prevents any kind of processing in real-time of the data outside the site of the telescopes. For these reasons the analysis will be performed on-site with infrastructures co-located with the telescopes, with limited electrical power availability and with a reduced possibility of human intervention. This means, for example, that the on-site hardware infrastructure should have low-power consumption. A substantial effort towards the optimization of high-throughput computing service is envisioned to provide hardware and software solutions with high-throughput, low-power consumption at a low-cost.

研究の動機と目的

• 限られたネットワーク帯域幅と電力供給の下で、数Gbpsの高レートVHEガンマ線データを、遠隔地のCTA施設で処理する課題に対処すること。
• イベント取得後30秒以内に、変動源やトランジエンス天体をリアルタイムで検出可能とし、最終パイプラインと比較して感度が3倍以内に収まるようにすること。
• 最小限の人的介入で高スループットデータ処理を処理できる、低消費電力の現地コンピューティングインfrastrutureを構築すること。
• 波形抽出、ゼロ・サプレッション、バックグラウンド除去によるデータ量圧縮をパイプラインの初期段階で実施し、ネットワークおよびストレージ負荷を軽減すること。
• 処理速度の向上とCPU負荷の低減を実現しながら感度を維持するため、ハードウェアアクセラレータ（GPU、FPGA）をデータパイプラインに統合すること。

提案手法

• 2段階の現地分析パイプラインを実装：レベルA（リアルタイム分析、RTA）は30秒未塔のアラートを、レベルBは10時間以内に高感度分析を実行する。
• 望遠鏡と同一敷地に配置された現地コンピューティングインfrastrutureを用い、ネットワーク帯域幅が限られるため、遠隔処理に依存しないようにする。
• データ圧縮技術を適用：波形を完全に保持するピクセルは全ピクセルの2%に限定し、ゼロ・サプレッションにより不要なピクセルを破棄し、バックグラウンドイベントを早期に除外する。
• GPUアクセラレーション（例：K40）を用いて波形抽出を実施し、PCIe 3.0で最大7 GB/sのデータ転送レートを達成する。
• FPGAを用いてリアルタイムのデータ圧縮を実現し、FPGA面積の1.5%未満のリソース使用で2.5:1の圧縮比を達成し、2 GB/sの処理レートを実現する。
• OpenCLを用いてCPUおよびハードウェアアクセラレータ間での移植性を確保するアルゴリズムを開発・テストし、IBM Power SystemsとCTAのテストデータを用いてプロトタイピングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高レートのデータと限られたネットワーク帯域幅の下で、CTAデータのリアルタイム分析をイベント取得後30秒以内に達成するにはどうすればよいか？
• RQ2 感度に悪影響を与えない範囲で、パイプラインの初期段階で適用可能なデータ圧縮戦略（波形抽出、ゼロ・サプレッション、バックグラウンド除去）は何か？
• RQ3 ハードウェアアクセラレータ（GPU/FPGA）は、現地分析パイプラインにおける処理スループットの向上とCPU負荷低減にどの程度寄与できるか？
• RQ4 低消費電力の現地コンピューティングシステムを用いて、必要な感度（RTAでは3倍以内、レベルBでは2倍以内）を達成するのは現実的か？
• RQ5 リアルタイムのFPGAベースの圧縮は、トランジエンス検出に必要な科学的情報を保持したまま、データ量をどの程度削減できるか？

主な発見

• リアルタイム分析（RTA）パイプラインは30秒未塔のアラート遅延を達成し、CTAのトランジエンス天体検出要件を満たしている。
• RTAパイプラインの感度は、最終パイプラインと比較して3倍以内に収まっており、変動源やトランジエンス天体の信頼性の高い検出を保証している。
• GPUベースの波形抽出は、PCIe 3.0で最大7 GB/sのデータ転送レートを達成し、効率的なリアルタイム処理を可能にしている。
• FPGAベースの圧縮は、FPGAリソースの1.5%未満の使用で2.5:1の圧縮比を達成し、ネットワークおよびストレージ負荷を顕著に軽減している。
• データ取得システムにゼロ・サプレッションおよびバックグラウンド除去を統合することで、データ量を初期段階で圧縮し、全体の処理効率を向上させている。
• OpenCLおよびハードウェアアクセラレータを用いたプロトタイピングにより、高スループットかつ低消費電力の現地CTAデータ分析の実現可能性が示された。