[논문 리뷰] Flexible and Scalable Data-Acquisition Using the artdaq Toolkit

K. Biery, Eric Flumerfelt외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 19.

Particle Detector Development and Performance인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 물리학 실험을 위한 실시간 데이터 전송, 이벤트 구축, 및 맞춤형 분석 코드 통합을 가능하게 하는 영구 랩(Fermilab)에서 개발한 유연하고 확장 가능한 데이터 수집 툴킷인 artdaq를 제시한다. 구성 관리, 런 제어, 하드웨어 추상화를 위한 펌웨어 블록을 지원하며, otsdaq에서 사용 가능한 구현이 이미 존재하며 현재 및 향후 중성미자 및 뮤온 실험에 배포되어 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 벤치탑 테스트부터 대규모 고에너지 물리학 설정에 이르기까지 실험을 지원하는 통합되고 확장 가능한 데이터 수집 시스템의 필요성을 해결한다.
• 데이터 수집을 실험에 특화된 논리에서 분리하는 모듈러 프레임워크를 제공하면서도 맞춤형 분석 및 모니터링 코드의 통합을 가능하게 한다.
• 상용 데이터 수집 보드를 위한 펌웨어 블록을 통해 하드웨어 추상화를 실현하여 저수준 구현 복잡성을 감소시킨다.
• 소형 프로토타입부터 대규모 실험에 이르기까지 다양한 실험 구성에 걸쳐 확장 가능한 배포를 지원한다.
• 사전 설정된, 즉시 사용 가능한 솔루션인 otsdaq를 통해 빠른 프로토타이핑과 배포를 촉진하며, 사용성과 구성 가능성의 균형을 이룬다.

제안 방법

• 이벤트 처리의 기초로 art 프레임워크를 활용하여 모듈러이고 재사용 가능한 데이터 수집 컴포넌트를 가능하게 한다.
• 구성 가능한 데이터 플로우 파이프라인을 사용한 발행-구독 패턴을 통해 데이터 전송 및 이벤트 구축을 구현한다.
• 실시간 필터링, 모니터링 또는 校정을 위해 데이터 플로우의 핵심 지점에 실험에 특화된 분석 코드를 통합한다.
• 일致한 실험 설정을 위해 중심화되고 버전 관리되는 구성 시스템을 통해 구성 관리를 제공한다.
• 실험 상태(예: 시작, 정지, 일시정지)를 관리하고 분산된 구성 요소 간에 동기화할 수 있는 런 제어 功能을 포함한다.
• 상용 DAQ 보드를 위한 펌웨어 블록을 제공하여 저수준 하드웨어 통신을 추상화하고 플랫폼 간 이식성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 재구성으로도 소규모 테스트와 대규모 고에너지 물리학 실험 모두를 지원할 수 있도록 데이터 수집 시스템을 설계하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 표준화된 데이터 수집 파이프라인 내에서 실험에 특화된 분석 논리를 민첩하게 통합할 수 있는 아키텍처 패턴은 무엇인가?
• RQ3 다양한 상용 DAQ 보드를 지원하면서도 성능과 이식성을 유지할 수 있도록 하드웨어 추상화를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ4 분산된, 이종적인 실험 설정 간에 일致한 구성과 런 제어를 보장하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 모듈러이고 확장 가능한 툴킷이 차세대 중성미자 및 뮤온 실험에서 개발 시간을 얼마나 줄이고 신뢰성을 높일 수 있는가?

주요 결과

• artdaq는 벤치탑 하드웨어 테스트부터 대규모 고에너지 물리학 실험에 이르기까지 다양한 실험을 성공적으로 지원하여 확장성과 유연성을 입증했다.
• 데이터 플로우의 핵심 지점에 맞춤형 분석 코드를 통합함으로써 핵심 데이터 수집 파이프라인에 영향을 주지 않고도 실시간 필터링 및 모니터링이 가능해졌다.
• otsdaq의 구현은 완전히 기능하는, 즉시 사용 가능한 DAQ 솔루션을 제공하며, 즉각적인 배포와 빠른 프로토타이핑을 위해 최소한의 유연성 손실을 감수한다.
• 상용 DAQ 보드를 위한 펌웨어 블록은 다양한 플랫폼 간에 일관된 저수준 하드웨어 상호작용을 가능하게 하여 개발 오버헤드를 감소시켰다.
• 이 툴킷은 현재 및 향후 중성미자 및 뮤온 실험에서 채택되어 차세대 실험 물리학에 적합함을 입증했다.
• 구성 관리 및 런 제어 컴포넌트는 복잡한 분산 실험 설정 간의 재현성과 운영 안정성을 보장한다.