Datenprozessierung mit dedizierter Hardware

Auflösung in einer oder zwei räumlichen Dimension, die Messung von Energie mit hoher Präsision und insbesondere die die Einführung von zeit-aufgelösten Messungen mit hohen Sampling-Raten treiben Datenraten in Höhen, die weit jenseits der Kapazität kommerzieller "off-the-shelf" PC-Technologie liegen.

Hoch-auflösende Tramissions-Spektrometer für harte Röntgenstrahlen wie zum Beispiel dem "FOCAL" Spektrometer sind ein wesentlicher Teil der PNI Forschungsaktivitäten der GSI im Bereich der Quantenelektrodynamik. Es stützt sich stark auf positions-empfliche und energie-dispersive 2D Ge(i) Mikro-Strip-Detektoren. Um die volle Aulösung des Systems nutzen zu können, werden Messungen mit einer Sampling-Rate von 100MHz durchgeführt, was zu gewaltigen Datenmengen führt. Diamant-basierte Detektoren, die in der Ionen-Detektierung eingesetzt werden, können die Limitierungen konventioneller 2-D Micro-Channel-Plate Detektoren überwinden und ebenfalls Spitzen-Datenraten generieren, die von aktueller Software nicht gemanaged werden können.

Die Daten dieser Detektoren können mit programmierbarer Hardware sehr effizient vor-prozessiert werden. Die Grundkomponenten der Pre-Prozessierungs-Hardware sind im Wesentlichen immer dieselben: ein Input-Interface mit schneller Verbindung zur Detektor-Elektronik, eine Verarbeitungsstufe, und ein Standard-Interface zu kommerzieller Hardware. Die Verarbeitungsstufe kann zum Beispiel basieren auf Field Programmable Gate Arrays (FPGA), Digital Signal Processors (DSP) oder neuerdings auch als Graphics Processing Units (GPU). Die Algorithmen varieren von einfacher Treffererkennung bis hin zu komplexer Waveform Analyse oder Pattern-Prozessierung. Der Einsatz programmierer Hardware erlaubt die Änderung der Algorithmen durch Reprogrammierung, so dass dieselben Boards in verschiedenen Bereichen von PNI verwendet werden können. GSI hat einige Generationen von FPGA-basierten Pre-Prozessierungs-Systemen für die Nuklear- und Hochenergie-Physik entwickelt, mit der entsprechenden Link- und Interface-Elektronik.

Das Projekt wird daher zunächst die existierenden Lösungen und Implementierungen programmierbarer Hardware für die Signal-Prozessierung evaluieren, auf der Basis der Expertise der HGF im Bereich der Nuklear- und Hochenergie-Physik. Basierend auf den Resultaten werden die existierenden Lösungen soweit möglich an die Bedürfnisse von PNI angepasst, oder es werden aktuelle Entwicklungen unterstützt, so dass die PNI-Anforderungen mit in die Entwicklungen einfliessen können.