Acquisition de données sur disque à 75 Go/s

Une solution économique avec l’ADQ35 exploitant la bibliothèque libads.

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Teledyne SP Devices propose avec sa série de numériseurs ADQ3 des solutions d’acquisition de données à haut débit, accompagnées d’un SDK conçu pour faciliter le développement d’applications. Cet article présente un système d’enregistrement direct sur disque capable de maintenir un débit d’écriture de 75 Go/s sur six voies pendant plus de 50 secondes, soit un volume total de 4 To de données. Le système repose sur la plateforme DPS7-PCIe équipée de six numériseurs ADQ35, chacun fonctionnant à 10 GSPS (12,5 Go/s par voie). Ce type de système répond notamment aux besoins d’applications telles que la surveillance satellitaire et le LiDAR.

Des SSD NVMe grand public à faible coût sont configurés en mode cellule à un seul niveau (SLC) afin d'atteindre un débit supérieur à 12,5 Go/s par disque. Associée à la bibliothèque libads de Teledyne SP Devices, dédiée à l’enregistrement direct sur disque et permettant de contourner le système de fichiers tout en déchargeant le processeur, cette architecture constitue une solution économique qui limite la charge du système. Les configurations à moindre coût peuvent représenter seulement 5 à 10 % du prix des solutions professionnelles haut de gamme. Elles méritent donc d’être envisagées lorsque l’application ne nécessite pas le niveau d’endurance offert par les solutions destinées aux entreprises.

Présentation du système
Développé autour de la plateforme Teledyne SP Devices DPS7-PCIe, dans un format compact 4U pouvant être installé en rack ou utilisé comme système de bureau (voir figure 1), ce système acquiert et enregistre les données de six voies à 10 GSPS ou de douze voies à 5 GSPS. Un enregistrement continu de plus de 50 secondes permet d'atteindre un volume total de 4 To. Entièrement autonome, le système intègre la génération et la distribution de l’horloge ainsi que la synchronisation des déclenchements sur l’ensemble des voies.

•  DPS7-PCIe : plateforme informatique configurable de qualité serveur.
•  6 × numériseurs ADQ35, chacun configuré pour acquérir des données à 12,5 Go/s.
•  6 × SSD NVMe Kingston Fury Renegade G5 de 2 To (configurés pour une capacité effective de 670 Go).
• libads : bibliothèque d’enregistrement direct sur disque de Teledyne SP Devices.
•  Ubuntu 24.04 LTS : système d’exploitation.
• Carte de distribution d’horloge Teledyne SP Devices, assurant la génération et la distribution de l’horloge de référence.

Une horloge de référence de 10 MHz, générée par la carte de distribution, est distribuée à l’ensemble des numériseurs. Les ports de déclenchement des différents appareils sont connectés en chaîne, l’un des numériseurs étant configuré comme maître. Cette architecture permet de synchroniser le démarrage de l’acquisition sur tous les numériseurs.



Figure 1 : Plateforme Teledyne SP Devices DPS7-PCIe au format 4U, pour montage en rack ou utilisation sur bureau. Exemple de configuration avec deux numériseurs installés.

À propos de libads
libads est une bibliothèque d’enregistrement direct sur disque à hautes performances, spécialement conçue pour les numériseurs de la série ADQ3. Étroitement intégrée à l’API des numériseurs, elle facilite le développement d’applications. Les exemples fournis, hautement paramétrables, couvrent la plupart des cas d’utilisation et peuvent servir de base au développement d’applications plus avancées. Un système de fichiers personnalisé permet de supprimer la charge du processeur et de faciliter l’identification des jeux de données enregistrés.

La solution présentée utilise un disque par numériseur, mais la bibliothèque prend également en charge plusieurs numériseurs par disque ainsi que plusieurs disques par numériseur (configuration RAID). La prise en charge optionnelle de NVIDIA GPUDirect Storage permet d’effectuer des traitements en temps réel sur GPU avant le stockage des données.

La bibliothèque est optimisée pour offrir un débit élevé tout en limitant la charge du système. Les données sont écrites de manière asynchrone sur les SSD NVMe, en contournant le système de fichiers et les mécanismes de mise en cache du système d’exploitation. Cette approche décharge le processeur et concentre les éléments critiques sur le bus PCIe, les disques et la mémoire DRAM (ou le GPU). Le cheminement des données est illustré à la figure 2. Les données acquises sont transférées du numériseur vers des tampons en mémoire DRAM, puis récupérées par les disques pour être stockées. Le processeur intervient uniquement pour les opérations de contrôle et de supervision.



Figure 2 : Schéma illustrant le cheminement des données à haut débit en vert et le cheminement des signaux de contrôle et de supervision à faible débit en rouge.

Sélection des composants du système
Les exigences de l’application qui déterminent le choix des composants sont les suivantes :

• Débit : six voies à 10 GSPS ou douze voies à 5 GSPS avec une compression sur 10 bits, soit 6 × 12,5 Go/s ou 12 × 6,25 Go/s = 75 Go/s. La compression sur 10 bits permet de réduire le volume de données avec un impact minimal sur la qualité du signal.
•  Capacité de stockage : enregistrement continu pendant au moins 50 secondes, soit 75 Go/s × 50 s = 3,75 To.
• Capacités de traitement : aucun traitement en temps réel n’est requis.

Les critères spécifiques pris en compte pour la sélection des composants sont détaillés ci-dessous.

•  Numériseurs : le modèle ADQ35 a été retenu pour sa fréquence d’échantillonnage élevée et son débit important. Chaque numériseur peut acquérir des données sur une voie à 10 GSPS ou sur deux voies à 5 GSPS, et les transférer à un débit supérieur à 14 Go/s.
•  Stockage : la configuration de stockage dépend principalement de la capacité et du débit requis. L’endurance, c’est-à-dire la quantité totale de données pouvant être écrites sur un disque avant son usure, peut constituer un facteur limitant dans les systèmes fortement sollicités. Pour cette application, un disque économique de 2 To a été choisi. Sa configuration permet d’atteindre un débit supérieur à 12,5 Go/s par disque, en ramenant sa capacité effective à 670 Go.

Le système repose sur la plateforme de qualité serveur DPS7-PCIe, dont la configuration peut être adaptée à la plupart des applications grâce à la sélection des composants. Les spécifications détaillées du système sont présentées dans le tableau ci-dessous. Les numériseurs et les disques NVMe sont illustrés à la figure 3. La carte de distribution d’horloge est présentée à la figure 4, dans une configuration prévue pour son installation dans un emplacement PCIe.






Figure 3 : Numériseurs et disques NVMe installés dans le système DPS7-PCIe.





Figure 4 : Carte de distribution d’horloge Teledyne SP Devices configurée pour une installation dans un emplacement PCIe.

Résultats
L’acquisition continue a été enregistrée avec succès à un débit soutenu de 75 Go/s sur six voies (12,5 Go/s par voie), pendant 53 secondes, pour un volume total de 4 To. Au total, 4 020 Go ont été écrits à un débit de 74,989 Go/s. Le léger écart par rapport aux 75 Go/s s’explique par le fait que la mesure du temps inclut les phases de démarrage et d’arrêt de l’acquisition.

Une fois l’acquisition terminée, des fonctions de développement ont été utilisées pour vérifier l’intégrité des données acquises et des métadonnées associées. L’acquisition a été répétée à plusieurs reprises, avec un formatage des disques entre chaque essai, puisque leur capacité totale avait été utilisée.

Afin de déterminer le débit maximal soutenu des disques, des acquisitions supplémentaires ont été réalisées avec des enregistrements discrets de 2 048 échantillons au format 16 bits. Ces enregistrements ont atteint avec succès un débit soutenu de 75,9 Go/s. Il s’agit du débit maximal soutenu obtenu avec cette configuration du système.

Évolutivité et extensions futures
Les systèmes d’enregistrement direct sur disque peuvent être dimensionnés pour répondre à la plupart des exigences. Les différentes options de firmware des numériseurs offrent également des possibilités d’évolution. Par exemple, un système à quatre voies peut être initialement constitué de deux ADQ35 équipés d’un firmware à deux voies fonctionnant à 5 GSPS, puis être étendu à quatre ADQ35 équipés d’un firmware à une voie fonctionnant à 10 GSPS. Les possibilités d’évolution des systèmes d’enregistrement direct sur disque comprennent notamment :

•  Capacité de stockage à l’échelle du pétaoctet et débit d’écriture soutenu supérieur à 80 Go/s : grâce à l’utilisation de disques NVMe de qualité entreprise et de supports de montage adaptés.
•  Disques à haute endurance : chacun offrant une endurance supérieure à 70 000 To écrits (TBW).
•  Configurations synchronisées à plusieurs châssis pour augmenter le nombre de voies : le système peut être étendu à l’aide du châssis d’extension 16 emplacements DPS16-PCIe. Il est également possible d’utiliser plusieurs systèmes DPS7-PCIe. Les signaux d’horloge et de déclenchement des numériseurs peuvent être synchronisés entre tous les châssis.
•  Traitement en temps réel sur GPU avant stockage : le traitement des données sur GPU permet de réduire le volume à enregistrer et, par conséquent, les besoins en capacité et en débit de stockage. La bibliothèque libads prend en charge NVIDIA GPUDirect Storage, qui assure le transfert direct des données du numériseur vers le GPU, puis vers le disque.
•  Traitement en temps réel sur FPGA avant stockage : les données peuvent être traitées et réduites directement dans le FPGA grâce aux options de firmware disponibles pour les numériseurs de la série ADQ3, ou à l’aide d’une logique personnalisée développée avec l’option kit de développement.
•  Format : des configurations PXIe, de bureau et pour montage en rack sont disponibles.

Conclusion
La solution d’enregistrement direct sur disque présentée permet de réduire le coût de l’enregistrement à haut débit grâce à l’utilisation de la bibliothèque libads de Teledyne SP Devices et de disques fonctionnant en mode SLC. Le coût total du stockage s’en trouve considérablement réduit. En outre, le nombre d’emplacements PCIe mobilisés par les dispositifs de stockage étant limité, il devient possible d’augmenter le nombre de voies par châssis.

Une solution économique d’enregistrement direct sur disque peut être configurée pour répondre à pratiquement toutes les exigences. Teledyne SP Devices propose à la fois des systèmes complets et un accompagnement technique pour la conception ou la mise à niveau de vos propres systèmes.

À propos de Teledyne SP Devices
Teledyne SP Devices est un pionnier de l’acquisition de données à haut débit. L’entreprise fournit des numériseurs de pointe et des solutions de traitement du signal destinés aux applications les plus exigeantes dans le monde entier. Forte d’une longue tradition d’innovation, notamment grâce à son rôle précurseur dans le développement de technologies de numérisation à 10 GSPS, elle aide ses clients à acquérir et à traiter les données plus rapidement, avec davantage de précision et une meilleure efficacité.

Pour en savoir plus : https://www.spdevices.com/en-us?utm_source=mepax

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