aa correlator system concept description · wp2‐040.040.010‐td‐001 revision : 1...

15
Name Designation Affiliation Date Signature Additional Authors Submitted by: A. Faulkner UCAM 20110326 Approved by: W. Turner Signal Processing Domain Specialist SPDO 20110326 AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION Document number .................................................................. WP2040.040.010TD001 Revision ........................................................................................................................... 1 Author .................................................................................................... Andrew Faulkner Date ................................................................................................................. 20110329 Status ............................................................................................... Approved for release

Upload: others

Post on 10-Jul-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

          

 

 

 

 

Name  Designation  Affiliation  Date  Signature 

Additional Authors 

 

Submitted by: 

A. Faulkner    UCAM  2011‐03‐26   

Approved by: 

W. Turner  Signal Processing Domain Specialist

SPDO  2011‐03‐26   

   

AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION 

Document number .................................................................. WP2‐040.040.010‐TD‐001

Revision ........................................................................................................................... 1

Author .................................................................................................... Andrew Faulkner

Date ................................................................................................................. 2011‐03‐29

Status ............................................................................................... Approved for release

 

Page 2: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 2 of 15 

 

DOCUMENT HISTORY 

Revision  Date Of Issue  Engineering Change  

Number 

Comments 

A  ‐  ‐  First draft release for internal review 

1  29th March 2011    First Issue 

       

 

 

DOCUMENT SOFTWARE 

  Package  Version  Filename 

Wordprocessor  MsWord  Word 2003  AA_ Correlator_CoDR_2011 

Block diagrams       

Other       

 

 

ORGANISATION DETAILS 

Name  SKA Program Development Office 

Physical/Postal 

 Address 

Jodrell Bank Centre for Astrophysics 

Alan Turing Building 

The University of Manchester 

Oxford Road 

Manchester, UK 

M13 9PL 

Fax.  +44 (0)161 275 4049 

Website  www.skatelescope.org 

 

   

Page 3: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 3 of 15 

 

 

TABLE OF CONTENTS 

1  INTRODUCTION ............................................................................................. 7 

1.1  Purpose of the document ....................................................................................................... 7 

2  REFERENCES ................................................................................................ 7 

3  OVERVIEW .................................................................................................. 8 

4  AA CORRELATOR IMPLEMENTATION ................................................................ 10 

4.1  Central Processing design ..................................................................................................... 10 

4.1.1  Correlator/beamformer – C/B ...................................................................................... 10 

4.1.2  Switch for visibility routing and dish corner turning ..................................................... 12 

5  POWER REQUIREMENTS ................................................................................ 13 

6  AA‐CORRELATOR COST ................................................................................. 14 

 

 

 

   

Page 4: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 4 of 15 

 

LIST OF FIGURES 

Figure 1: SKA Phase 2 overall system diagram from SKADS White Paper .............................................. 9 

Figure 2: Central processing architectures ........................................................................................... 10 

Figure 3: A possible physical implementation of AA sub‐correlator shelf ............................................ 12 

 

 

 

 

LIST OF TABLES 

Table 1: SKADS‐SKA implementation ...................................................................................................... 8 

Table 2: Power requirement per correlator board ............................................................................... 13 

Table 3: Accumulated correlator power ............................................................................................... 14 

Table 4: Estimated costs of an AA Correlator for SKA Phase 2 ............................................................. 14 

 

 

 

 

   

Page 5: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 5 of 15 

 

LIST OF ABBREVIATIONS 

AA .................................. Aperture Array

ADC ............................... Analogue-to-Digital Converter

AI ................................... Arithmetic Intensity

ASIC .............................. Application-Specific Integrated Circuit

CoDR ............................. Conceptual Design Review

CMAC ............................ Complex Multiplication and ACcumulation

CPU ............................... Central Processing Unit

CUDATM ......................... Compute Unified Device Architecture (NVIDIA 2009)

DFT ............................... Discrete Fourier Transform

DiFX .............................. Distributed FX correlator (Deller et al. 2007)

DRAM ............................ Dynamic Random Access Memory

DRM .............................. Design Reference Mission

DSP ............................... Digital Signal Processing

eMERLIN ....................... extended Multi-Element Radio-Linked Interferometer Network

eVLA .............................. Extended Very Large Array

FFT ................................ Fast Fourier Transform

FLOPS ........................... Floating Point Operations per second

FPGA ............................. Field Programmable Gate Array

FoV ................................ Field of View

GMRT ............................ Giant Meter-wave Radio Telescope

GPGPU ......................... General-Purpose Graphics Processing Unit

GPU ............................... Graphics Processing Unit

HPC ............................... High-Performance Computing

IF ................................... Intermediate Frequency

LO .................................. Local Oscillator

LOFAR .......................... LOw-Frequency ARray

MPI ................................ Message Passing Interface (MPI Forum 2009)

MWA .............................. Murchison Widefield Array

NRE ............................... Non-Recurring Engineering

PEP ............................... Project Execution Plan

PrepSKA........................ Preparatory Phase for the SKA

RF .................................. Radio Frequency

SEMP ............................ Systems Engineering Management Plan

SRS ............................... Systems Requirement Specification

SIMD ............................. Single Instruction Multiple Data

SKA ............................... Square Kilometre Array

SKADS .......................... SKA Design Studies

Page 6: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 6 of 15 

 

SPDO ............................ SKA Program Development Office

TBD ............................... To be decided

VLBA ............................. Very Long Baseline Array

WIDAR .......................... Widefield Interferometric Digital ARchitecture (correlator implementation)

Page 7: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 7 of 15 

 

1 Introduction 

This paper is a description of a potential correlator structure for an aperture array system. It is not a 

full  design  of  a  correlator;  it makes  assumptions  about  the  availability  processing  devices  in  the 

2018+  timeframe.  The  design discussed here  is  structured  to  support  the  full AA  system  for  SKA 

phase 2; it can readily be scaled back for the correlator in phase 1 if necessary. 

The architecture of an AA correlator  is very different  from  the SKA dish correlator:  there are only 

expected 250 arrays, but each has a  very  large data output  rate of ~16Tb/s. This makes a highly 

modular  and  integrated  design  essential. Many  of  the  issues  are  related  to  routing  of  the  large 

numbers of fibre feeds from each of the arrays. 

1.1 Purpose of the document 

The purpose of this document is to provide a concept description as part of a larger document set in 

support of the SKA Signal Processing concept design review (CoDR). It provides the concept of how 

an aperture array correlator could be constructed.  

System parameters  for SKA Phase 2 have been drawn  from Schilizzi et al.  (2007)  [1] and  the SKA 

Design Reference Mission  (DRM)  [2]. These have been  incorporated  into  the SKADS White Paper, 

Faulkner et al. [3], much of the design of the correlator has been described in this final report. 

2 References 

[1] Schilizzi, R.T., et al. (2007), Preliminary Specifications for the Square Kilometre Array, Memo 

100 

[2] SKA Science Working Group, (2010), The Square Kilometre Array Design Reference Mission:

SKA‐mid and SKA‐lo, report, v1.0, February 2010. [3] Faulkner A.J., et al. (2010), Aperture Arrays for the SKA: the SKADS White Paper, Memo 122 

[4] “Square Kilometre Array Design Studies, SKADS”, www.skads‐eu.org 

[5] Garrett, M.A., et al. (2010), A Concept Design for SKA Phase 1 (SKA1), Memo 125 

 

   

Page 8: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 8 of 15 

 

3 Overview 

This paper considers the aperture array, AA, correlation requirements for SKA Phase 2. The putative 

implementation considered is based on the work in the SKA Design Studies, SKADS, [4]. This heavily 

uses AAs for all frequencies up to 1.4GHz and a substantial dish array from 1.2GHz up to 10 GHz as 

described  in  [3].  The  outline  SKADS‐SKA  implementation  is  shown  in  Table  1.  The  system 

implementation is shown in Figure 1. 

Table 1: SKADS‐SKA implementation 

Freq. Range Collector Sensitivity Number / size Distribution

70 MHz to 450 MHz

Aperture array (AA-low)

4,000 m2/K at 100 MHz

250 arrays, Diameter 180 m

66% within core 5 km diameter, rest along 5 spiral arms out to 180 km radius

400 MHz to 1.4 GHz

Aperture array (AA-mid)

10,000 m2/K at 800 MHz

250 arrays, Diameter 56 m

1.2 GHz to 10 GHz

Dishes with wide-band single pixel feed (SD-WBSPF)

5,000 m2/K at 1.4 GHz

1,200 dishes Diameter 15 m

50% within core 5 km diameter, 25% between the core and 180 km, 25% between 180 km and 3,000 km radius.

The requirements of correlation are described elsewhere in this CoDR, the essential difference of the 

AA correlator becomes clear from examination of an SKA Phase 2 system diagram shown in Figure 1. 

The correlators receive all the high data rate signal data from all the collectors, cross correlate each 

baseline of a collector  type,  integrate and pass  the  resulting uv data via a  large data switch  to be 

buffered at the start of the post processing systems. The data rates from the SKA collectors means 

that it is impractical to put the correlator anywhere other than local to the core. Assuming that the 

data  rates are  reduced sufficiently  through  the correlator,  then  it  is  likely  that  the uv data will be 

transported to the nearest major city for processing. 

 

 

 

Page 9: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

 

  2011‐03‐29   Page 9 of 15 

 

 

Figure 1: SKA Phase 2 overall system diagram from SKADS White Paper 

..

Sparse AA

Dense AA

..

Central Processing Facility ‐ CPF 

User interfacevia Internet 

...

To 250 AA Stations

DSP

...DSP

To 1200 Dishes

...15m Dishes

16 Tb/s

10 Gb/s

Data

Time

Control

70-450 MHzWide FoV

0.4-1.4 GHzWide FoV

1.2-10 GHzWB-Single Pixel feeds

Tile &Station

Processing

OpticalData links

... AA slice

... AA slice

... AA slice

...Dish

 & AA+D

ish Correlatio

n

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

Data  sw

itch ......

Data Archive

Science

Processo

rs

Tb/s Gb/s Gb/s

...

...Time

Standard

Imaging P

rocessors

Control Processors & User interface

Pb/s

Correlator UV Processors Image formation  Archive 

Aperture Array Station

Page 10: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

   

2011‐03‐29   Page 10 of 15 

 

4 AA Correlator implementation 

The design of the AA correlator and beamformer cannot at this stage be definitive, since there are 

too many  unknowns  before  2018  on,  however,  the  general  principles  can  be  discussed  and  the 

following is a worked example of a potential implementation. 

4.1 Central Processing design 

Note: The figures here consider the implementation of 2400 dishes. This may be revised for 1200.

The implementation of the central processor follows from the discussion in the SKADS White Paper 

[3]  discussing  imaging  and  non‐imaging  requirements.  The  central  processing  configurations  by 

function are show side‐by‐side in Figure 2. 

Imaging Non-imaging

Figure 2: Central processing architectures 

The  similarity of  requirements  for  the different  stages of processing  for both  systems  imply  that 

ensuring that a configuration or alternative programming that can support imaging and non‐imaging 

observations will be highly cost effective. Using a unified central processing system avoids extensive 

data  switching  for  raw  collector  data;  provides  opportunities  for  commensurate  observations  of 

imaging and non‐imaging science experiments; enables  innovative new observing techniques to be 

used; avoids duplicating development effort and is an easier maintenance environment.  

4.1.1 Correlator/beamformer – C/B 

It is assumed that the correlators are FX type and that the frequency division has been done to the 

appropriate level prior to the beam data arriving at the C/B. This can readily be achieved by the AAs 

in the station processors.  

Correlation and beamforming both perform a very large quantity of simple operations, which can be 

efficiently  implemented using  integer arithmetic; there  is also a great deal of communications  I/O. 

The processing is dominated by complex MACs.  

Whilst being the same process, there are major structural differences between the correlation of the 

AA signals and the dish signals. For the AA there are relatively few, ~250, stations each forming very 

many beams, >1000, over 1600 10Gb/s data  links or equivalent. Whereas, the dishes are providing 

one beam from up to 2400 collectors over 8 10Gb/s links. This inherently implies that there are two 

...

AA slice

...

AA slice

...

AA slice

...D

ish &

AA

+D

ish Co

rrelation

......

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

Data  sw

itch ......

AA

Station

sD

ishes

Data Archive

ScienceProcessors

Correlator UV Processors

Image formation

Science analysis, user interface & archive

Beams Visibilities UV data Images

250 x 16Tb/s

2400 x 80Gb/s

Tb/s Gb/s Gb/sPb/s

...

...

Imaging P

rocessors

...

AA beamformer

...

AA beamformer

...

AA beamformer

...D

ish & A

A+

Dish

Beam

form

er

......ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

ProcessorBuffer

Data  sw

itch ......

AA

Stations

Dishes

Data Archive

ScienceProcessors

BeamformingDe-dispersion, retiming, spectral separation and

profiling

Pulsar Identification

Science analysis, user interface & archive

CollectorBeams SKA-Beams

Candidates & Spectra Profiles

250 x 16Tb/s max

2400 x 80Gb/s

Tb/s Gb/s Gb/sPb/s

...

...

An

alysis Processing

Page 11: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 11 of 15 

 

C/Bs which confers a number of advantages: all the collectors can be used concurrently; there is no 

need for large amounts of switching of raw beam data and mass production can be used efficiently 

for the AA C/B. 

The number of complex operations, Nop‐cor, for a correlator operating on two polarisations, providing 

cross‐polarisation and auto‐correlation products, for N antenna, is given by: 

4 ∆

It  is  convenient  to  re‐state  this  in  terms  of  incoming  digital  sample  rate,  data  rate G1  using Nbit 

samples, which covers any mixture of number of beams and bandwidth as with an AA: 

1

The  AA  correlator  lends  itself  to  a  highly  modular  implementation  split  by  beams  or  matched 

incoming data channels. 

It  is  assumed  here  that  the  communications  are  using  10Gb/s  (8Gb/s  actual  data  rate with  8:10 

encoding)  channels,  the  most  cost  effective  data  rate  currently  and  fits  conveniently  with  the 

available  data  rates  for optical  and  copper  communications. A  similar  scheme  can  be  built  using 

100Gb/s channels and splitting the data  into channels using a simple switch. Eight of these 10Gb/s 

channels are colour multiplexed onto a fibre, delivering 80Gb/s per fibre. The AA correlator can then 

be designed as 200 “shelves” each with eight identical sub‐correlators. 

Each sub‐correlator can be characterized as having: 

250 stations, N 

4‐bits per sample, Nbit 

Incoming data rate per collector of 8Gb/s, G1 

Hence, the processing rate required per sub‐correlator is: 63x1012 complex MACs or ~250TMACs. 

An outline physical design is shown in Figure 3. This is aimed to make construction and interconnect 

straightforward.  It  is constructed as a double‐sided shelf  in a rack, where a multiplexed fibre from 

each of 250 AA stations  is connected using sixteen  input cards, each with 16  inputs.  It  is assumed 

here  that  each  fibre  carries  8  off  10Gb/s  channels.  The  demultiplexed  optical  signals  from  the 

demultiplexer are ordered to match each of the sub‐processor cards to minimise signal distribution. 

A 10Gb/s  channel  from each  station  is presented  to a  sub‐correlator  card  via a mid‐plane, which 

routes the  incoming signals appropriately. An alternative connector  is the “cross‐connector” which 

links boards orientated at 90° to each other. There are therefore eight sub‐correlators per shelf. The 

visibilities are output via local fibre from the sub‐correlator boards to a data switch for routing to the 

appropriate UV processor. 

The maximum correlator output data rate for a continuum survey using 180km baselines and a 100 

deg2 FoV  is approximately 14Tb/s [3]. This  is a very considerable reduction from the  incoming raw 

data rate of 4Pb/s. 

Page 12: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 12 of 15 

 

Each  sub‐correlator  needs  to  be  capable  of  processing  250TMACs.  In  this  layout,  this  could  be 

provided  by  an  array  of  fifteen  of  the  20TMAC multi‐core  processing  chips,  as  used  in  the  AA‐

processing. 

The  full AA‐correlator would use 200 of  these  shelves; at  three  to a  rack  the entire  system  is 70 

racks.  Improvements  in  processing  performance  or  communications  throughout  this  sub‐system 

could  reduce  the  power  or  number  of  boards  involved.  There  are  a  total  of  1600  sub‐correlator 

boards in the system. 

Figure 3: A possible physical implementation of AA sub‐correlator shelf 

The beamforming  requirement  for  the AAs covering 3 deg2  is a  total of 1.25x1015 complex MACS. 

This  is a beamforming  load of <1T complex MAC per sub‐correlator; this  is much  less than the 63T 

complex MACs required for correlation. The total output data rate from the beamformer of ~3Tb/s 

for 10,000 beams, 100μS sampling of 8‐bits, 2048 channels, and 2 polarisations, each beam is about 

330Mb/s. This is rather less than the maximum imaging data rate of 14Tb/s, discussed above, hence 

the hardware is able to support both beamforming and correlation in the same system. 

4.1.2 Switch for visibility routing and dish corner turning 

The use of commercial data switch technology is a vital element in this design. The total data rates 

for  the  “visibility”  switch  and number of ports needed  could be  required  is  very  large. However, 

major commercial data centres have  similar  requirements; hence  switches are available with very 

high  performance.  In  many  respects  the  architecture  used  here  makes  the  system  more 

straightforward to build:  it can be defined at design time what the range of switching that may be 

required is and the system can then be broken down into a tiered arrangement. 

The switch is show very simplistically in Figure 2 and in principle can connect any correlator output 

to  any  processing  blade.  This  is  undoubtedly  unnecessary,  although  the  details  of  the  precise 

flexibility are the subject of substantial development. For example, the correlators could be treated 

Optical beam inputs16 cards each: 16inputs of 8x10Gb/s

8 AA slices 8 cards each: 256 inputs of 10Gb/s

........

256 Fibres.. 1 per station.. 16 per card.. 8 x 10Gb/s ea

Optical 1:8 demux Optical Rx Midplane

AA Slices: Correlator/Beamformer

Data Rx & “corner turner”Beams

Visibilities/

Timeseries

Page 13: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 13 of 15 

 

completely independently, so that the AA correlator operates only with a defined set of uv processor 

blades, similarly for the dish correlator. Indeed, the dish correlator splits naturally into a number of 

frequency  bands,  which  could  be  independent.  These  arrangements  would  be  unnecessarily 

restrictive  and  careful design  should  enable data  to be piped  flexibly between  the different  sub‐

systems. 

For this paper  it  is worth considering the performances available from current equipment. A major 

determinant is the “bisection bandwidth”, which is the total data rate that can be moved from one 

half of the switch to the other. If the bisection bandwidth exceeds the total input data rate then it is 

likely to be completely non‐blocking and hence completely flexible. Switches exceeding 50Tb/s1 are 

available now, using  Infiniband protocols. This  compares very  favourably with  the maximum data 

rates from the dish correlator of a few hundred Tb/s across the whole band with 2400 dishes and 

long baselines. The data rate from the AA correlator  is significantly  lower at ~14Tb/s maximum [3]. 

The data rate from the ports can be split down to 10Gb/s to match the processing speed of the uv 

processors. 

The power requirements are relatively modest with only 8kW being required to fully switch ~50Tb/s. 

This  is currently available;  the performance will  improve over  time with  increasing data  switching 

requirements in the commercial sector. 

5 Power requirements 

The total processor cards needed for the correlator is:

Aperture Array. 200  sub‐correlator  shelves at eight processing boards per  shelf. A  total of 

1600 correlator cards. 

The  power  for  the  correlator  is  dominated  by  the  processing  chips  and  their  associated 

communications.  In  [3],  the  expectation  of  a  processor  of  20TMACs with  128  digital  inputs  and 

outputs  is discussed  in  section 7. The nature of  the processing device  is not  specified here, other 

than it needs to be efficient at the task of correlation and beamforming and be programmable; this 

is really a discussion on the physical implementation of the system. By using this device the X part of 

this correlator can have its power requirements estimated. 

Table 2: Power requirement per correlator board 

# Function Powerea. (W)

Total(W)

Remarks

15 Processing devices 25 375 Processing only. Implemented using the same device as AA DSP

1000 10Gb/s I/O channel 0.1 100 256 overall I/O channels and on board chip interconnect

Electrical power used 475

Electrical power supplied @ 85% efficiency

560

Cooling power at 25% 140

Board Total 700 Total power used per correlator board

                                                            1 The Mellanox IS5600. http://www.mellanox.com

Page 14: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 14 of 15 

 

The total correlator power required is shown in Table 3. The estimate, not including switch, is ~1.2MW, which will improve over time with improved devices.

Table 3: Accumulated correlator power 

Type # Powerea. (W)

Total(kW)

Remarks

AA 1600 Processing boards 700 1,120 Board power and interconnect

400,000 Fibre optical receivers 0.1 40 1600, 10Gb/s channels for each 250 AA stations

Total AA ‘X’ correlator power 1,160

6 AA‐correlator cost 

The  cost  of  the  AA  correlator  at  this  stage  has  to  be  an  estimate  with  relatively  wide  errors. 

However,  it  is clear that  if the design  is simplified to this  level the minimum cost envelope can be 

achieved. The programmability of the processing device and its reuse elsewhere in the system avoids 

the  substantial NRE  requirements of developing  a  specialist ASIC.  There  are, however,  significant 

development costs that are not itemised here; this is the capital cost of implementation. 

A conservative estimate of  the costs  is shown  in Table 1, which shows a  total cost,  including  fibre 

receivers, of €45M. This  is  for  the  full SKA Phase 2 using 250 AA  stations and 16Tb/s per  station 

output data rate. 

Table 4: Estimated costs of an AA Correlator for SKA Phase 2 

Item Quantity Cost each Total Comments

Shelf Cost

Correlator boards 8 €8,000 €64,000 Includes cooling, assembly and test

Input boards 16 €9,000 €144,000 Includes the fibre receivers

Backplane 1 €2,000 €2,000

Mechanics 1 €1,000 €1,000

Sub-total shelf €211,000

Rack Cost

Shelf 3 €211,000 €633,000

Rack mechanics 1 €1,000 €1,000

Power supplies 1 €10,000 €10,000

Sub-total Rack €643,000

AA-Correlator

Rack 70 €643,000 €45,010,000

 

Page 15: AA CORRELATOR SYSTEM CONCEPT DESCRIPTION · WP2‐040.040.010‐TD‐001 Revision : 1 2011‐03‐29 Page 2 of 15 DOCUMENT HISTORY Revision Date Of Issue Engineering Change Number

    WP2‐040.040.010‐TD‐001 

    Revision : 1 

  2011‐03‐29   Page 15 of 15 

 

The  cost  of  a  rack  at  ~€600,000  is  similar  to  other  high  complex  processors,  giving  a  simple  check.  It  is 

interesting  to  note  that  the  processing  itself  does  not  dominate  the  cost  of  the  correlator,  in  this 

implementation with a  large number of  fibre  receivers  it  is  this  component which make  the biggest  cost 

impact; which may well change with higher speed links.