[논문 리뷰] The Overview of the National Ignition Facility Distributed Computer Control System

L. Lagin, R. C. Bettenhausen외 7명|ArXiv.org|2001. 11. 16.

Laser Design and Applications참고 문헌 5인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 레이저, 진단, 산업 제어 시스템을 아우르는 300개의 프론트엔드 프로세서(FEP)와 59,000개 이상의 제어 포인트를 조율하는 분산 컴퓨터 제어 시스템(ICCS)의 설계 및 아키텍처를 제시한다. 이 시스템은 CORBA 기반 미들웨어를 사용하여 192개의 레이저 빔에 대해 정밀한 30 ps 동기화를 실현하며, Ada95와 자바로 작성된 소프트웨어를 통해 ATM 네트워크를 통한 실시간 영상 스트리밍(500대의 카메라)을 지원한다.

ABSTRACT

The Integrated Computer Control System (ICCS) for the National Ignition Facility (NIF) is a layered architecture of 300 front-end processors (FEP) coordinated by supervisor subsystems including automatic beam alignment and wavefront control, laser and target diagnostics, pulse power, and shot control timed to 30 ps. FEP computers incorporate either VxWorks on PowerPC or Solaris on UltraSPARC processors that interface to over 45,000 control points attached to VME-bus or PCI-bus crates respectively. Typical devices are stepping motors, transient digitizers, calorimeters, and photodiodes. The front-end layer is divided into another segment comprised of an additional 14,000 control points for industrial controls including vacuum, argon, synthetic air, and safety interlocks implemented with Allen-Bradley programmable logic controllers (PLCs). The computer network is augmented asynchronous transfer mode (ATM) that delivers video streams from 500 sensor cameras monitoring the 192 laser beams to operator workstations. Software is based on an object-oriented framework using CORBA distribution that incorporates services for archiving, machine configuration, graphical user interface, monitoring, event logging, scripting, alert management, and access control. Software coding using a mixed language environment of Ada95 and Java is one-third complete at over 300 thousand source lines. Control system installation is currently under way for the first 8 beams, with project completion scheduled for 2008.

연구 동기 및 목표

• 국립융합발전설비(NIF)를 위한 확장 가능하고 고장 내성 있는 제어 시스템을 설계하여 192개의 레이저 빔 간 정밀한 동기화를 달성한다.
• 레이저, 진단, 펄스 파워, 산업 제어 시스템 등 다양한 서브시스템을 통합된 분산 아키텍처로 통합한다.
• 계층적이고 객체 지향적인 소프트웨어 프레임워크를 활용해 빔 정렬 및 쇼트 제어에 대해 30 ps 이내의 정밀도를 확보한다.
• VxWorks 및 Solaris 기반의 FEP와 PLC를 통해 59,000개 이상의 제어 포인트를 실시간으로 모니터링하고 제어한다.
• ATM 네트워크를 통해 500대의 카메라에서 발생하는 고대역폭 영상 전송을 지원하여 운영자 워크스테이션에 전달한다.

제안 방법

• 300개의 프론트엔드 프로세서(FEP)가 VxWorks 또는 Solaris를 기반으로 하며, VME 또는 PCI 버스를 통해 45,000개의 제어 포인트에 연결된다.
• 산업 제어(예: 진공, 안전 잠금 장치 등)는 Allen-Bradley PLC를 사용해 추가로 14,000개의 제어 포인트로 관리된다.
• CORBA 기반의 객체 지향 미들웨어 프레임워크가 구성, 로깅, 스크립팅, 경고 관리, GUI 제공 등의 서비스를 제공한다.
• 500대의 카메라에서 발생하는 실시간 영상이 비동기 전송 모드(ATM) 네트워크를 통해 운영자 워크스테이션으로 스트리밍된다.
• 소프트웨어는 Ada95와 자바로 혼합된 환경에서 개발되었으며, 시스템의 1/3 수준에서 30만 줄 이상의 소스 코드가 구현되었다.
• 감독자 서브시스템이 빔 정렬, 웨이브프론트 제어, 진단, 쇼트 제어를 30 ps의 시간 해상도로 조율한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 fusion 시설에서 192개의 레이저 빔 간에 30 ps 정밀도의 시간 동기화를 달성하기 위한 분산 제어 시스템의 설계 방법은 무엇인가?
• RQ2 이질적인 제어 장치(FEP, PLC, 센서 등)를 통합하여 단일 시스템으로 통합하는 데에 적합한 아키텍처 접근 방식은 무엇인가?
• RQ3 500대의 카메라에서 발생하는 실시간 영상은 어떻게 효율적으로 전송하고 운영자 모니터링을 위해 표시할 수 있는가?
• RQ4 CORBA 기반의 미들웨어는 확장성, 보안성, 확장 가능성을 확보하기 위해 제어 서비스를 어떻게 지원하는가?
• RQ5 Ada95와 자바를 혼합한 환경에서 일관된 소프트웨어 공학 기법을 적용해 대규모 제어 시스템을 개발하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• ICCS 아키텍처는 레이저, 진단, 산업 서브시스템을 아우르는 300개의 프론트엔드 프로세서와 59,000개 이상의 제어 포인트를 성공적으로 조율하였다.
• 빔 정렬 및 쇼트 제어에 대해 30 ps의 정밀도를 달성하여 관성 압축 융합 실험에 필수적인 조건을 만족시켰다.
• ATM 네트워크 인프라를 활용해 500대의 카메라에서 발생하는 실시간 영상이 운영자 워크스테이션으로 신뢰성 있게 전송되었다.
• CORBA 기반의 미들웨어 프레임워크는 분산 컴포넌트 간 구성, 로깅, 스크립팅, 접근 제어에 대해 견고한 지원을 제공하였다.
• 시스템 통합을 향한 진전을 보여주기 위해, 시스템의 1/3 수준에서 30만 줄 이상의 Ada95 및 자바 코드가 이미 구현되었다.
• 시스템은 첫 8개 빔을 대상으로 설치 중이며, 전체 프로젝트 완료는 2008년으로 예정되어 있다.