Combining HPC and low-power systems for data-intensive-acquisition sensors in space missions

Abstract

Data-intensive acquisition sensors involved in space missions produce a substantial number of data samples constrained in time and require high-performance computing (HPC) systems to process information in real-time. They present some challenges like intensive calculations and tight timings. The use of multi-core systems can overcome those obstacles by performing several tasks in parallel and dynamically handling workloads.The objective of this study is to develop a programming framework for a high-performance and low-power multicore system capable of efficiently handling the vast amount of data obtained from the data acquisition of the gamma-ray detector under investigation. This system must also adhere to various constraints imposed by the space environment, like limited power consumption, the inability to access the system during the experiment, and limitations on heat dissipation.Another goal of this research is to deploy the designed system in the THOR-SR experiment, which will be conducted aboard the Space Rider, a new recoverable space vehicle developed by the European Space Agency (ESA). The Space Rider is scheduled to fly for a period of two months. During this mission, the high-performance and low-power multicore system will handle all the data originating from the data acquisition of the gamma-ray detector. The THOR-SR experiment aims to study orbital radiation as well as terrestrial gamma-ray flashes radiation and gamma-ray emissions, for future high-energy astrophysics space telescopes.

Os sensores de alta aquisição de dados envolvidos em missões espaciais produzem um número substancial de amostras de dados, as quais estão frequentemente sujeitas a restrições temporais e que requerem processamento em tempo real. Para enfrentar esses desafios apresentados, tais como cálculos intensivos e prazos rigorosos, os sistemas de computação de alto desempenho (HPC - high-performance computing) são essenciais. Uma abordagem para lidar com esses obstáculos é a utilização de sistemas multicore, que podem executar várias tarefas em paralelo e lidar dinamicamente com as cargas de trabalho.O objetivo deste estudo é desenvolver um programa para um sistema multicore de alto desempenho e baixo consumo de energia, capaz de lidar de forma eficiente todos os dados provenientes da aquisição de dados do detetor de raios gama em estudo. Esse sistema também deve obedecer a diversas restrições impostas pelo ambiente espacial. Essas restrições incluem consumo de energia limitado, ausência de acesso ao sistema durante a experiência e limitações de dissipação de calor.A outra meta desta pesquisa é utilizar o sistema projetado na experiência THOR-SR, que será realizado a bordo do Space Rider, um novo veículo espacial reutilizável desenvolvido pela Agência Espacial Europeia (ESA). O Space Rider está programado para voar durante um período de dois meses. Durante essa missão, o sistema multicore de alto desempenho e baixo consumo de energia será responsável por lidar com todos os dados provenientes da aquisição de dados do detetor de raios gama. A experiência THOR-SR tem como objetivo estudar radiação orbital, bem como flashes de raios gama terrestres e emissões de fontes de raios gama para futuros telescópios espaciais de astrofísica de alta energia.