Architecture of a Synchronous High-Bandwidth Real-Time Network with Sub-Nanosecond Latency Determinism at the Hardware Level
Year: 2026
Type: book
Abstract: Mit dem Ziel, immer komplexere physikalische Phänomene zu beobachten und zu untersuchen, entwickeln sich Experimente in der Teilchenphysik hinsichtlich Umfang und Leistungsfähigkeit kontinuierlich weiter, was zwangsläufig zu größeren Mengen an Messdaten führt, die transportiert und gespeichert werden müssen. Herkömmliche Hardwaresysteme reduzieren dieses Datenvolumen durch eine niedriglatenteVorauswahl. Die Effizienz vonHardware-Triggersystemen ist jedoch intrinsisch durch die Komplexität der erforderlichen Auswahlkriterien begrenzt. In modernen Experimenten werden diese Einschränkungen zunehmend zu einem wesentlichen limitierenden Faktor für das Erreichen der physikalischen Ziele. Dies hat zur Entwicklung von Free-Streaming-Auslesekonzepten geführt, die die Fortschritte in der Hochgeschwindigkeitskommunikation und -rechnertechnik nutzen, um die Notwendigkeit einer Vorauswahl durch Hardware zu beseitigen. Als eines der Experimente, das das Konzept des Free-Streaming-Auslesekonzepts übernommen hat, ist das Compressed Baryonic Matter (CBM)-Experiment stark auf hochpräzise Taktsignale und Zeitsynchronisation zwischen seinen Hardwarekomponenten sowie auf eine reaktionsschnelle und deterministische Datenflusskontrolle angewiesen, um seine wissenschaftlichen Ziele zu erreichen. Diese Anforderungen bilden einen anspruchsvollen Anwendungsfall für ein synchrones, verteiltes Echtzeitsystem (DRTS). Diese Arbeit stellt eine skalierbare und anpassungsfähige DRTS-Architektur vor. Durch den Einsatz moderner feldprogrammierbarer Gate-Arrays (FPGA) und Multi-Gigabit-Glasfasertechnik sind die Systemkomponenten über bidirektionale Verbindungen verbunden, um Zeit- und Steuerbefehle mit geringer und deterministischer Latenz zu übertragen. Die Punkt-zu-Punkt-Architektur des Systems ermöglicht Redundanz und Anpassungsfähigkeit für konkrete Anwendungsfälle. Der Zugriff auf die Daten und Rechenressourcen in jedem Knoten des Systems ermöglicht die Implementierung domänenspezifischer Funktionen, z. B. lokalisierte Steuerung oder Domänenstatusaggregation. Darüber hinaus arbeitet das vorgeschlagene Echtzeitnetzwerk synchron mit einer Stabilität der Zeitverschiebungen zwischen den Komponenten im Sub-Nanosekundenbereich, wodurch sich das System für verteilte zeitkritische Anwendungen mit strengen Zeitanforderungen eignet. Das vorgeschlagene Systemwurde in einer minimalenKonfiguration implementiert und mit einem automatisierten Charakterisierungsverfahren im Labor getestet. Nach erfolgreicher Designverifikation wurde es im CBM-Experiment als Timing and Fast Control (TFC)-System eingesetzt.
Source: KITopen
Author: Sidorenko, Vladimir
Language: English
Subfield: Computer Networks and Communications
Field: Computer Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7222996273