データ収集

核融合実験におけるデータ収集(データアクイジション、data acquisition、略してDAQとも呼ばれる)とは、プラズマ診断装置から発生する電気信号をディジタル化し、時刻情報とともに記録・管理する一連の技術と仕組みのことである。核融合実験は短時間のうちに数百種類の診断から膨大なデータを吐き出すうえ、近年は長パルス・定常運転への移行に伴って「実験の合間にまとめて読み出す」方式が通用しなくなりつつあり、データ収集は単なる記録作業ではなく実験の成否を左右する基盤技術となっている。本項では、核融合実験に特有の制約を踏まえながら、データ収集システムの役割、構成、計時技術、実時間処理との統合、そして定常運転時代のデータ量問題を述べる。

核融合実験におけるデータ収集の役割

トカマクやヘリアカル装置の放電は、典型的には数十ミリ秒から数百秒の間にプラズマの温度・密度・電流分布が激しく変化する過渡現象である。これを捉えるため、磁気プローブ、干渉計、分光器、電子サイクロトロン放射計、中性子カメラなど多種多様な診断が同時に運用され、それぞれが異なるサンプリングレートとチャネル数を持つ信号を生む。データ収集システムの第一の役割は、これらを放電ごとに一つの整合したデータセットとして取りまとめることにある。すべての診断データが共通の時刻基準でタグ付けされて初めて、「ある時刻のプラズマ状態」として複数の測定を突き合わせることができ、物理解析が成立する。

第二の役割は実験運営そのものへの支援である。放電の直後に評価済みデータが利用可能でなければ、実験責任者は次の放電の条件を決められない。大型装置では週あたり数十ギガバイト規模のデータが流れることがあり、生データの保存、較正・解析済みデータの階層的生成、解析サーバへの高速転送、アーカイブ管理といったデータマネジメント全体がデータ収集の守備範囲に含まれる。さらに、プラズマ制御系が放電中に参照する信号(プラズマ位置や形状の推定値など)は診断データの実時間処理に依存しており、データ収集は制御系へのデータ供給者としても機能する。この意味で、データ収集は実験の「記録係」であると同時に「神経系」でもある。

データ収集システムのアーキテクチャ

現代の核融合実験で標準的なのは、分散型アーキテクチャである。各診断装置ごとに専用の収集プロセス(フロントエンド)を割り当て、それぞれが独立して機器の制御と読み出しを行い、中央の制御系が放電スケジュールに沿って各プロセスを協調させる。この方式の利点は、診断ごとの事情(単純な時系列信号を扱うものから複雑な分光器まで)を個別のハードウェアインタフェースから切り離して抽象化できる点にある。オブジェクト指向的な設計により、新しい診断を既存の枠組みに追加しやすく、また同一のソフトウェア基盤を複数の装置で共用することも行われてきた。実際、ある中型トカマク向けに開発された分散型収集システムが、旧式のミニコンピュータ基盤の置き換えとして別の装置に移植され、後の大型装置の試験台を兼ねた例がある。

分散化と表裏一体なのが階層的なデータ処理である。生データ(レベル0)をまず保存し、較正や座標変換を施した評価済みデータ(レベル1以降)を順次生成する。同期サーバが「生データだけでなく任意の評価段階のデータの完成を待つ」要求を扱えるようにすると、解析側は下流のデータが揃ったことだけを確認して処理を進められる。ASDEX Upgradeの例では、週あたり約25ギガバイトのデータ流量に対し、大型診断ファイルの中央解析サーバへの保存を高速化し、1放電あたり数百メガバイトの統合解析をマルチプロセッサ1台の共有メモリ上で実行できるよう基盤を増強するとともに、計算集中型の処理のために10台程度のワークステーションクラスタを併設した。ネットワークもFDDIからギガビット級イーサネットへの移行が行われ、収集系のボトルネック解消には記憶装置だけでなく伝送路の更新が不可欠であることを示している。

ハードウェアプラットフォームと計時・同期

収集系のハードウェアは、時代とともに数世代の入れ替わりを経験してきた。初期の装置ではCAMAC規格が広く使われたが、これは放電時間が短い実験には十分でも、長パルス運転や高い転送レートには不向きであり、JT-60Uでは長パルス化に対応するためCAMAC系の更新が行われた。その後VMEバスが主流となり、JETの相関反射計では大容量メモリと高速転送を実現するVME収集系が構築された。さらに近年は、通信業界で発展したATCAやAXIeといった規格が核融合に導入されている。これらは高密度・高スループットの処理ボードを搭載でき、高速制御とデータ収集を同一のシャーシで兼ねられるため、実時間制御と収集の融合に適している。

計時・同期は収集系の要である。各診断のサンプリングクロックとトリガがずれれば、データは物理的に無意味になる。従来は装置内の専用タイミング配線で同期を取っていたが、装置が大規模化し、遠隔サイトからデータを集めるようになると、ネットワーク経由の同期が必要になる。IEEE 1588(精密時刻プロトコル)を用いればイーサネット上でサブマイクロ秒級の時刻合わせが可能であり、長パルス運転向けのイベント駆動型高速収集に応用されている。イベント駆動方式では、あらかじめ決められた固定レートでなく、放電中の事象(プラズマの立ち上がり、不安定現象の発生など)に応じて収集の開始・停止やレート変更を行うため、長時間運転で無駄なデータを溜め込まずに済む。

実時間収集と制御の統合

短パルス実験では「放電中は収集に専念し、解析は放電後」という分業が成立した。しかしITERをはじめとするほぼ連続的な運転を想定した装置では、データの取得と処理は実時間で行われなければならない。このため、収集系のフロントエンドに「インテリジェントな前処理」を分散させ、処理済みのデータを帯域ごとに分類した高速ネットワークで伝送するという分散制御システムの考え方が、ITERの設計要件として早くから示された。具体的には、生の波形をそのまま中央に送るのではなく、フロントエンド側で必要な演算(フィルタリング、平衡再構成への入力、スペクトル解析など)を施し、制御系が使う情報だけを低遅延で届ける。

この方向は中型装置でも進んだ。ソフトX線や磁気プローブの診断から「ホットリンク」と呼ばれる専用インタフェースで実時間データを流出させ、電子サイクロトロン放射診断向けの高速リンクが実時間診断の原型として開発された例では、処理済みデータを実時間で実験制御系に渡すことで実験性能そのものを上げるという目的が明示されている。また、オープンソースソフトウェアを用いた実時間収集・処理プラットフォームの構築や、ATCA基板上に収集と制御を組み込んだシステム(Compassトカマクなど)の実装は、収集系がもはや制御系と別個の「後付け」ではなく、一体の設計対象であることを示している。ITERの中性束入射装置用のフルスケールイオン源のような大型機器でも、制御とデータ収集が一つのシステムとして設計されるのが常態となっている。

定常運転・長パルス化とデータ量・アーカイブ

定常運転はデータ収集に質的な転換を強いる。短パルス実験では1放電あたりのデータ量は有限で、放電後に一括して読み出せばよいが、数時間に及ぶ定常放電ではデータが絶え間なく流れ続ける。LHDの定常実験向けに開発された収集システムは、毎秒110メガバイトの連続収集能力を持ち、収集ユニットをいくらでも追加できるスケーラビリティを特徴とする。その仕組みは、流入するデータストリームをまず共有メモリに一時的に受け、一定時間ごとのチャンクに切り分けて保存するというものである。同時に、データを1/Nに間引いて実時間監視クライアントへ配信するため、運転員は放電中にプラズマ状態を監視し続けられる。このシステムはLHDの定常実験で1放電あたり90ギガバイトの収集記録を打ち立て、ITERで想定される1放電あたり数百から千ギガバイト規模のデータ量に対する技術的見通しを与えた。

長距離伝送も新たな課題である。LHDでは日本国内の核融合専用仮想私設網を通じて複数の遠隔サイトからデータを収集しており、長距離のTCP/IP伝送で速度が低下する問題をパケットペーシング(送信間隔の最適化)によって改善した。この遠隔協力の枠組みは、ITERとその支援装置群の連携の原型として位置づけられている。一方、超電導トカマクのHT-7やTRIAM-1Mでは、連続的・実時間の収集システムが長パルス運転のために構築され、RFXやTJ-II、TCABRといった装置でも収集系の更新・拡張が相次いだ。これらの動向が共通して示すのは、データ収集の設計思想が「放電ごとのバッチ処理」から「絶え間ないストリームの管理」へ移りつつあるということである。収集・保存・間引き・実時間配信・アーカイブを一貫したパイプラインとして設計することが、定常燃焼プラズマ時代の実験基盤の条件となっている。