Одна FPGA-плата собрала стойку приборов для импульсной EPR

Спиновый резонансный эксперимент похож на очень короткую постановку с жёсткой партитурой: радиочастотный импульс возбуждает образец, TTL-линии открывают и переключают внешние тракты, приёмник ловит ответ в заданном окне. Обычно эту сцену разыгрывает набор отдельных приборов. Авторы препринта arXiv:2608.16151 собрали три ключевые роли на одной PCIe-карте под управлением FPGA Kintex UltraScale XCKU060.

На плате стоят двухканальные AD9176 и AD9208. Первый формирует два 50-омных RF-выхода в диапазоне 0.01–5 GHz; пользовательский комплексный поток идёт со скоростью 1.25 GS/s, а восьмикратная интерполяция внутри DAC даёт effective rate 10 GS/s. Это важное уточнение к броской цифре: карта не получает по PCIe десять миллиардов независимых пользовательских отсчётов в секунду на каждом выходе. Её мгновенная полоса заявлена как 1.25 GHz, временной шаг позиционирования отсчётов AWG составляет 0.8 ns.

Два входа ADC работают с разрешением 14 бит и частотой 2.5 GS/s на канал. Рядом FPGA формирует 11 независимых TTL-каналов: квант времени равен 3.2 ns, фронт авторы оценивают примерно в 1.4 ns. Внешние входы опорной частоты и триггера позволяют привязать карту к остальной установке. Смысл такой интеграции в общей временной координате: RF-волна, окно приёма и управляющие импульсы стартуют от одной логики, без отдельной сети межприборной синхронизации.

Однако объединить быстрые микросхемы оказалось легче, чем вывезти их данные в компьютер. Два канала ADC при хранении отсчётов как int32 создают поток около 20 GB/s. PCIe 3.0 ×8 теоретически даёт около 8 GB/s, а авторы оценивают устойчивую отдачу своей системы в 6 GB/s. Поэтому полная непрерывная оцифровка здесь физически не предусмотрена. Плата захватывает заданные окна, складирует их в буферы FPGA и может усреднять до 65535 повторов до отправки результата. По оценке авторов, ADC может быть активен примерно 30% времени эксперимента.

Эта архитектура проверена на четырёхимпульсном DEER-измерении, где расстояние между спиновыми метками извлекают из их дипольного взаимодействия. Последовательность содержала 500 точек с шагом 3.2 ns, окно регистрации длилось 480 ns с шагом 0.4 ns, фазовый цикл имел два шага, повторение шло с частотой 1 kHz. При 5 ms, отведённых на импульсную последовательность, загрузка следующей формы и выгрузка предыдущего результата почти полностью перекрывались с измерением: авторы получили 99.5–99.9% time efficiency. При 2 ms и длинных последовательностях хост иногда не успевает подготовить следующую программу, и карта повторяет текущую; задержку перепрограммирования авторы оценивают примерно в 2 ms.

Получилась интересная граница для лабораторного железа. Гигагерцовые DAC и ADC уже помещаются на одной карте, а эксперимент перестаёт ждать переключения разрозненных приборов. Зато сама PCIe становится частью измерительного тракта: пропускная способность, размер FIFO, схема усреднения и ритм последовательностей определяют, успеет ли спектрометр за физикой образца. Работа пока опубликована как arXiv v1; авторы сообщают об изготовлении двух плат, но схемы, layout, BOM и независимое повторение результатов не опубликованы.

Источники
arXiv:2608.16151, Highly Efficient 3-in-1 FPGA-Based Unit Combining an ADC, DAC, and Multichannel Pulse Generator for Pulsed EPR Spectroscopy — arXiv:2608.16151
Analog Devices, AD9176 Datasheet and Product Info — https://www.analog.com/en/products/ad9176.html
Analog Devices, AD9208 Datasheet and Product Info — https://www.analog.com/en/products/AD9208.html