SACLA/XFEL におけるイベント駆動型 データ収集システム

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SACLA/XFEL ににににににににににに ににににににににに にに に JASRI/SPring-8 ににににににににににににににに にににに ににににににににに 2012/1/28

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SACLA/XFEL におけるイベント駆動型 データ収集システム. 大端 通  JASRI/SPring-8. Contents. Glance over SACLA/XFEL Overview of DAQ system DAQ Front-end Future perspective Summary. DAQ for Large Image Sensors : > 5Gbps. CPU board. “K Supercomputer” 10 Pflops, 2012.4~. > 5 Gbps in total. Custom-made VME - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: SACLA/XFEL におけるイベント駆動型 データ収集システム

SACLA/XFEL におけるイベント駆動型データ収集システム大端 通  JASRI/SPring-8

   次世代データ収集システム研究会@大阪大学 核物理研究センター 2012/1/28

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Contents

• Glance over• SACLA/XFEL• Overview of DAQ system• DAQ Front-end• Future perspective• Summary

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DAQ for Large Image Sensors : >5Gbps

Camera Linkカード

PrPMC

FPGAデータ圧縮

Camera Linkカード

PrPMC

FPGAデータ圧縮

Camera Linkカード

PrPMC

FPGAデータ圧縮

Camera Linkカード

PrPMC

FPGAデータ圧縮

Camera Linkカード

PrPMC

FPGAデータ圧縮

Camera Linkカード

PrPMC

FPGAデータ圧縮

Camera Linkカード

PrPMC

FPGAデータ圧縮

Camera Grabber

PrPMCLinux

FPGALossless

Compression

>5 Gbpsin total

Custom-madeVMECamera Link Board

10 Gbps Ethernet

“K Supercomputer”10 Pflops, 2012.4~

10 Gbps Ethernet

CPU board

CCD array4M pixels(8 sensor modules)60Hz

High SpeedStorage

Data-handlingServers

CameraLink> 2Gbps/connection

Reduced data foron-line monitor

controlPC ClusterPreprocess10Tflops

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SACLA : XFEL facility at SPring-8 (SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser)

• Began operation in February 2011.– Aiming for < 1Å of wavelength of FEL by 8-GeV linac.

• First lasing achieved on June 2011 at 1.2Å .• User experiment will begin on April 2012.

SPring-8

SACLA~700m

e-

ExperimentalHall

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5

Anticipating a lot of Type of Experiments

XFELAtomic-level imaging for non-crystalline objects

Probing of ultrafast chemical reaction & phase transition

Generation of extreme state

High peak brilliancex109

Ultrafast pulse < 100 fs

Spatial coherence

100%

Courtesy of M. Yabashi

phage flagella, cilia

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Coherent X-ra

ys

Sample

Unstained Human Chromosome

Fourier Transform

Phase Retrieval

Coherent X-ray Diffraction

Sample ImageReconstruction

without the aid of Lenses

22 )(KFPrdd

e

rrK rK deF i )()(

Structure Factor

Differential Cross Section

(r) : Electron Density Distribution

e.g. Coherent X-ray Diffraction Imaging

Courtesy of Y. Nishino

A lot of images must be taken by a large pixel sensor to reconstruct the original structure.

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Overview of DAQ system

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Requirements for Data Acquisition(DAQ)

• Shot-by-shot data acquisition in synchronization with the beam operation cycle.– In order to correlate the beam characteristics with the data. – 60Hz at present, higher for future.

• Accumulate data of large image sensors into storage without data loss.

⇒ >5 Gbps of data rate with 6M pixels at 60Hz .– Data compression to reduce the bandwidth and storage size.

• On-line data-quality monitor for efficient data collection.• Any type of users instrument specific to their

experiment can be attached to our DAQ to work with.– Like a Plug-and-play device.

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• Network distributed system.• MADOCA as the control framework.

Schematic of DAQ

Front-endElectronics

Front-end Computer

1G/10G Ethernet

DataBuffering

VME : Solaris PC : Linux

DataBuffering

Sybase

MySQL

On-lineDatabase

AcceleratorStatusDatabase

DAQ Control

GUI

On-lineData Monitor

GUI

VME : Solaris PC : Linux

DataBuffering

PC farmfor

Analysis

京 (K)Super

ComputerImage SensorsCCD cameras

Beam lineInstruments Monitors

UsersExperimentalInstruments Detectors

HighSpeed

Storage

Windows LabVIEW TCP socket

client vi   次世代データ収集システム研究会@大阪大学 核物理研究センター 2012/1/28

Page 10: SACLA/XFEL におけるイベント駆動型 データ収集システム

• Data transfer via TCP/IP over 1- and 10-Gbps Ethernet. • FIFO buffering for non-real-time components.

Schematic of DAQ

Front-endElectronics

Front-end Computer

1G/10G Ethernet

DataBuffering

VME : Solaris PC : Linux

Sybase

MySQL

On-lineDatabase

AcceleratorStatusDatabase

DAQ Control

GUI

On-lineData Monitor

GUI

VME : Solaris PC : Linux

PC farmfor

Analysis

京 (K)Super

Computer

TCP/IP

Image SensorsCCD cameras

UsersExperimentalInstruments Detectors

HighSpeed

Storage

DataBuffering

Beam lineInstruments Monitors Data

Buffering

Windows LabVIEW TCP socket

client vi   次世代データ収集システム研究会@大阪大学 核物理研究センター 2012/1/28

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Event Synchronization: Tag Number• To reconstruct the data set in the same beam shot,

a “tag number” is recorded in every data to identify which one is related to which beam shot.– Sequential number of master trigger pulse.– Counted by the trigger-counter module at each station.

• Delivered to users instruments as well.– Encoded serial pulse-train, parallel bit-pattern.

MasterTrigger

BeamlineComponents

ExperimentalDetectors

Trigger Counter

AcceleratorComponents

MonitorSystemGun

Trigger Counter

Trigger Counter

Trigger Counter

Trigger Counter

Trigger Counter

Trigger Counter

Trigger Counter

Trigger Counter

60Hz Pulse

1,2,3,.. 1,2,3,..

UsersInstruments

Trigger Counter

1,2,3,..

1,2,3,..

1,2,3,.. 1,2,3,.. 1,2,3,..

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DAQ Front-end

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DAQ front-end

DAQ Front-end

# of pixel 500k pixelDepth 16 bitRepetition rate 60 HzTotal bit rate 480 Mbps

Cameralink (base configuration) < 2.04 Gbps

Gigabit Ethernet << 1Gbps- Protocol overhead- Congestion control

Interface with CCD camera and transfer the data to storage system

Trigger

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Safety margin < 300 Mbps

On-the-fly lossless compression

Trigger tag counter

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• general purpose FPGA board with custom user logic executable.

FPGA: VIRTEX-5 (XC5VFX70T)

• CPU board with GbE I/F CPU: PowerQUICC III• Cameralink board.

Designed for a RF-beam monitor system and an x-ray diamond monitor system of SPring-8

Implementation of DAQ front-end

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Implementation

Cameralink

CPU board

Bandwidth Limit: 760Mbps Repetition limit is ~90Hz    次世代データ収集システム研究会@大阪大学 核物理研究センター 2012/1/28

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Implementation

IP cores on FPGA   次世代データ収集システム研究会@大阪大学 核物理研究センター 2012/1/28

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Cam

eraL

ink

Data file servers

Data Direct Network S2A9900

Quantum StorNextfile system

> 5Gbps in total

SAN>100Gbps

High Speed Storage : DDN + StorNext• Parallel-writing to a single file system

– Achieve over 5 Gbps in total.– Convenient to handle data files in a centralized repository.

~180TB>GB/sec

Single file system

Data ofCCD sensor #1

#2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12

additionalsensor

1G/10G Ethernet

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June 7, 2011First lasing at SACLABeam energy: 7GeVWavelength: 1.2ÅMPCCD image

DAQ System Worked as Expected

1 mm

• Intensively used during beam tuning of SACLA to view the beam profile.

• Ready for user experiments.

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Future perspective

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Upgrade plan In near future:Requirement for next gen. DAQ system• Image sensor: 6M 76M pixels⇒• Beam repetition: 60Hz 120Hz ⇒ 300Hz⇒

⇒ Data rate ~ x26 : ~150Gbps !~ x65 : ~380Gbps !

Target specification of DAQ front-end

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Number of Pixel 1.92MDepth 24bit+metadataRepitation 60HzTotal bit rate 2.77Gbps※

Number of Pixel 1.92MDepth 24bit+metadataRepitation 300HzTotal bit rate 13.85Gbps※

1st phase Final target

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Overview of DAQ system

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Latest action and future plan

Cameralink Cameralink HS CoaXPress 10GigE VisionMax speed / single 2.04Gbps(Base) 3.125Gbps 6.25Gbps 10GbpsMax speed / several 5.44Gbps(Full) 3.125Gbps x N 6.25Gbps x N 40Gbps (4 lanes)Max length 7~10m 15m 40~130m 37~100mConnector/Cable SDR CX4 BNC/coaxial RJ45/Cat6A-Trigger Yes Yes Yes ?Optical option Yes not yet ? YesStandardization done not yet done not yet

- Features of several VISION technologies -

Because progress of vision technology is very fast, we can wait until a market is growing up and specification will be settled down.

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Latest action and future plan

XAUI (10GbE) SerDes(RocketIO) sRIO PCIe

Max speed / single 6~10Gbps 3.125~6.5Gbps※ 6.25Gbps 5~40Gbps

Max speed / several - 3.125~6.5Gbps x N 6.25Gbps x N -

Max length several 100 m / optical fiber

Connector/Cable SFP+ (Q)SFP+ SFP+ (Q)SFP+Trigger Yes Yes Yes Yes

Optical option Yes Yes Yes YesStandardization Yes Yes Yes YesCost of IP core Free Free Some Some

- Features of several generic serial link technologies -

※ depend on transceiver We started preparing test stand for XAUI and RocketIO, and will finish evaluation within this fiscal year.

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Latest action and future plan- Platform design -

FMC (FPGA Mezzanine Card) separate a logic and I/O from a platform. change suitable I/F enough performance. ~20Gbps

Study itemsActual bandwidth between FMCs .

Actual bandwidth of DMA transfer at PCIe

Hardware implementation

FPGA Logic implementation

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Summary• We have constructed an event-synchronized data

acquisition system for >5 Gbps of data rate for the SACLA experiment.– Shot-by-shot data acquisition up to 60Hz .– Expandable for user instruments.

⇒ Ready for user experiments.

• Further upgrades for larger detector size and higher repetition rate will be necessary in future.– Faster data transfer and storage system.– Effective data compression / suppression.

⇒ Start fighting them.

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