Acquisizione dati su disco a 75 GB/s

Una soluzione economica con ADQ35 e la libreria libads.

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I digitalizzatori della serie ADQ3 di Teledyne SP Devices offrono un'elevata velocità di trasferimento dei dati e un SDK progettato per semplificare lo sviluppo delle applicazioni. In questo articolo presentiamo un sistema di acquisizione e registrazione su disco in grado di mantenere una velocità di scrittura sostenuta di 75 GB/s su 6 canali per oltre 50 secondi, acquisendo complessivamente 4 TB di dati. Il sistema si basa sulla piattaforma DPS7-PCIe, equipaggiata con sei digitalizzatori ADQ35, ciascuno operante a 10 GSPS (12,5 GB/s per canale). Soluzioni di questo tipo trovano applicazione, ad esempio, nel monitoraggio satellitare e nei sistemi LiDAR.

Le unità NVMe consumer a basso costo vengono configurate in modalità Single-Level Cell (SLC), così da raggiungere velocità di scrittura superiori a 12,5 GB/s per unità. In combinazione con libads, la libreria di Teledyne SP Devices per lo streaming dei dati su disco, che consente di bypassare il file system e ridurre il carico sulla CPU, si ottiene una soluzione economicamente vantaggiosa e caratterizzata da un overhead di sistema minimo. Le configurazioni più economiche possono costare appena il 5-10% rispetto alle più costose soluzioni enterprise, rappresentando quindi un'alternativa particolarmente interessante quando l'applicazione non richiede i livelli di resistenza e durata delle unità enterprise.

Panoramica del sistema
Basato sulla piattaforma DPS7-PCIe di Teledyne SP Devices, il sistema è integrato in un formato compatto 4U, installabile su rack o utilizzabile come unità desktop (Figura 1). Consente di acquisire e memorizzare dati da 6 canali a 10 GSPS oppure da 12 canali a 5 GSPS. Una registrazione continua di oltre 50 secondi permette di raggiungere un volume complessivo di 4 TB. Il sistema è completamente autonomo e integra tutte le funzioni necessarie per la generazione e la distribuzione del clock, nonché per la sincronizzazione dei trigger su tutti i canali.

•  DPS7-PCIe, piattaforma informatica configurabile di classe server.
•  6 digitalizzatori ADQ35, ciascuno configurato per acquisire dati a 12,5 GB/s.
•  6 SSD NVMe Kingston Fury Renegade G5 da 2 TB (configurati con una capacità effettiva di 670 GB ciascuno).
• libads, libreria di Teledyne SP Devices per lo streaming dei dati su disco.
•  Ubuntu 24.04 LTS, sistema operativo.
• Scheda clock fanout di Teledyne SP Devices, per la generazione e la distribuzione del clock di riferimento.

Un segnale di clock di riferimento a 10 MHz, generato dalla scheda clock fanout, viene distribuito a tutti i digitalizzatori. Le porte di trigger dei digitalizzatori sono collegate in cascata (daisy chain), con un'unità configurata come master. Questa architettura consente di sincronizzare l'avvio dell'acquisizione su tutti i digitalizzatori.



Figura 1: Teledyne SP Devices DPS7-PCIe in formato 4U, per installazione su rack o utilizzo desktop. Esempio di configurazione con due digitalizzatori installati.

La libreria libads
libads è una libreria ad alte prestazioni per lo streaming dei dati su disco, progettata per i digitalizzatori della serie ADQ3. È strettamente integrata con l'API dei digitalizzatori, facilitando lo sviluppo delle applicazioni. Gli esempi forniti, altamente parametrizzabili, coprono la maggior parte degli scenari applicativi e possono essere utilizzati come punto di partenza per lo sviluppo di applicazioni avanzate. L'impiego di un file system personalizzato elimina il carico aggiuntivo sulla CPU e consente di identificare facilmente i dataset memorizzati.

La soluzione descritta utilizza un'unità di archiviazione per ciascun digitalizzatore, ma la libreria supporta anche configurazioni con più digitalizzatori collegati alla stessa unità e più unità per ciascun digitalizzatore (RAID). Il supporto opzionale a NVIDIA GPUDirect Storage consente inoltre di eseguire elaborazioni in tempo reale sulla GPU prima della memorizzazione dei dati.

La libreria è ottimizzata per garantire un'elevata velocità di trasferimento e un basso carico sul sistema. I dati vengono scritti in modo asincrono sugli SSD NVMe, bypassando il file system e i meccanismi di caching del sistema operativo. Questo approccio riduce il carico sulla CPU, concentrando i componenti critici del percorso di trasferimento su PCIe, unità di archiviazione e DRAM (o GPU). Il flusso dei dati è illustrato nella Figura 2. I dati acquisiti vengono trasferiti dal digitalizzatore ai buffer DRAM, dai quali vengono prelevati dalle unità di archiviazione per la memorizzazione. La CPU interviene esclusivamente nelle operazioni di controllo e monitoraggio.



Figura 2: Schema del percorso di trasferimento dei dati ad alta larghezza di banda, evidenziato in verde, e del percorso di controllo e monitoraggio a bassa larghezza di banda, evidenziato in rosso.

Selezione dei componenti del sistema
I requisiti applicativi che determinano la scelta dei componenti del sistema sono riportati di seguito.

• Velocità di trasferimento: 6 canali a 10 GSPS oppure 12 canali a 5 GSPS, con compressione a 10 bit -> 6 × 12,5 GB/s oppure 12 × 6,25 GB/s = 75 GB/s. La compressione a 10 bit consente di ridurre il volume dei dati con un impatto minimo sulla qualità del segnale.
•  Capacità di archiviazione: registrazione continua per almeno 50 secondi -> 75 GB/s × 50 s = 3,75 TB.
• Capacità di elaborazione: non sono richieste elaborazioni in tempo reale.

Di seguito vengono illustrate le principali considerazioni alla base della scelta dei componenti per questa applicazione.

•  Digitalizzatori: è stato scelto il digitalizzatore ADQ35 per l'elevata frequenza di campionamento e la velocità di trasferimento. Ogni unità può acquisire dati su un canale a 10 GSPS oppure su due canali a 5 GSPS e trasferirli a una velocità superiore a 14 GB/s.
•  Archiviazione: la configurazione del sistema di archiviazione dipende principalmente dalla capacità richiesta e dalla velocità di trasferimento. La durata operativa delle unità, ovvero la quantità totale di dati che possono essere scritti prima che si usurino, può rappresentare un fattore critico nei sistemi destinati a un utilizzo intensivo. Per questa applicazione è stata scelta un'unità da 2 TB a basso costo, configurata per supportare una velocità di trasferimento superiore a 12,5 GB/s per unità, riducendone la capacità effettiva a 670 GB.

Il sistema si basa sulla piattaforma DPS7-PCIe di classe server, configurabile in funzione della maggior parte delle esigenze applicative attraverso la selezione dei componenti. Le specifiche dettagliate del sistema sono riportate nella tabella seguente. I digitalizzatori e le unità NVMe sono illustrati nella Figura 3. La scheda clock fanout è mostrata nella Figura 4, nella configurazione per il montaggio nello slot PCIe.






Figura 3: Digitalizzatori e unità NVMe installati nel sistema DPS7-PCIe.



Figura 4: Scheda clock fanout di Teledyne SP Devices configurata per il montaggio nello slot PCIe.

Risultati
Il sistema ha registrato con successo un'acquisizione continua a una velocità di trasferimento sostenuta di 75 GB/s su 6 canali (12,5 GB/s per canale), per una durata di 53 secondi e un volume complessivo di 4 TB. Sono stati scritti complessivamente 4.020 GB a una velocità di 74,989 GB/s. La lieve differenza rispetto al valore di 75 GB/s è dovuta al fatto che il tempo misurato include anche le fasi di avvio e arresto dell'acquisizione.

Al termine della registrazione, sono state utilizzate le funzioni di sviluppo per verificare l'integrità dei dati acquisiti e dei relativi metadati. L'acquisizione è stata ripetuta più volte, formattando le unità tra una sessione e l'altra, poiché durante ciascuna prova veniva utilizzata l'intera capacità disponibile.

Per determinare la velocità massima di trasferimento sostenuta delle unità, sono state eseguite ulteriori acquisizioni utilizzando record discreti da 2048 campioni in formato a 16 bit. Anche queste registrazioni sono state completate con successo, raggiungendo una velocità di trasferimento sostenuta di 75,9 GB/s. Questo valore rappresenta la massima velocità di trasferimento sostenuta ottenibile con la configurazione di sistema descritta.

Scalabilità ed espansioni future
I sistemi di streaming su disco possono essere dimensionati e ampliati per soddisfare la maggior parte dei requisiti applicativi. Anche le opzioni firmware dei digitalizzatori offrono possibilità di aggiornamento e ampliamento nel tempo. Ad esempio, è possibile realizzare inizialmente un sistema a 4 canali con 2 digitalizzatori ADQ35 dotati di firmware a 2 canali e operanti a 5 GSPS, per poi espanderlo a 4 ADQ35 con firmware a canale singolo e funzionamento a 10 GSPS. Le opzioni disponibili per i sistemi di streaming su disco includono:

•  Capacità di archiviazione nell'ordine dei petabyte e velocità di scrittura sostenute superiori a 80 GB/s: utilizzando unità NVMe di classe enterprise e relativi carrier.
•  Unità ad alta resistenza: ciascuna con una durata nominale superiore a 70.000 TB scritti (TBW).
•  Configurazioni multi-chassis sincronizzate per applicazioni con un elevato numero di canali: il sistema può essere ampliato utilizzando il chassis di espansione DPS16-PCIe a 16 slot. In alternativa, è possibile collegare più sistemi DPS7-PCIe. I segnali di clock e trigger dei digitalizzatori possono essere sincronizzati su tutti i chassis.
•  Elaborazione in tempo reale su GPU prima della memorizzazione: l'elaborazione dei dati sulla GPU consente di ridurre la quantità di informazioni da archiviare e, di conseguenza, i requisiti di capacità e velocità del sistema di archiviazione. La libreria libads supporta NVIDIA GPUDirect Storage, che permette il trasferimento diretto dei dati dal digitalizzatore alla GPU e successivamente al disco.
•  Elaborazione in tempo reale su FPGA prima della memorizzazione: i dati possono essere elaborati e ridotti direttamente nell'FPGA utilizzando le opzioni firmware disponibili per i digitalizzatori della serie ADQ3 oppure implementando logiche personalizzate attraverso l'opzione Development Kit.
•  Formato: sono disponibili configurazioni PXIe, desktop e rackmount.

Conclusioni
La soluzione di streaming su disco presentata consente di ridurre i costi delle applicazioni di acquisizione e registrazione ad alta velocità, grazie all'utilizzo della libreria libads di Teledyne SP Devices e di unità di archiviazione configurate in modalità SLC. Il costo complessivo dello storage viene così ridotto in misura significativa. Inoltre, poiché le unità di archiviazione occupano un numero inferiore di slot PCIe, è possibile ottenere una maggiore densità di canali per ciascun chassis.

Una soluzione di streaming su disco economicamente vantaggiosa può essere configurata per soddisfare praticamente qualsiasi esigenza applicativa. Teledyne SP Devices offre sia sistemi completi sia consulenza e supporto per la realizzazione o l'aggiornamento di sistemi personalizzati.

Informazioni su Teledyne SP Devices
Teledyne SP Devices è un'azienda pioniera nel settore dell'acquisizione dati ad alta velocità e sviluppa digitalizzatori avanzati e soluzioni di elaborazione dei segnali destinate alle applicazioni più esigenti in tutto il mondo. Forte di una lunga tradizione di innovazione, che comprende un ruolo pionieristico nello sviluppo della tecnologia di digitalizzazione a 10 GSPS, l'azienda aiuta i propri clienti ad acquisire ed elaborare i dati in modo più rapido, accurato ed efficiente.

Per saperne di più: https://www.spdevices.com/en-us?utm_source=mepax

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