Mika/electric_coupling_analysis
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electric_coupling_analysis/measurement_protocol/README.md

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Messprotokoll zur Analyse der elektrischen Kopplung zwischen HF-Rauschen und Kernel-Timing

Purpose

Dokumentation des Messaufbaus und der Auswertung zur Bestimmung des Einflusses elektrischer Kopplung von HF-Rauschen auf Kernel-Timing-Schwankungen.

Problemstellung: Untersuchung, ob die beobachteten Timing-Anomalien durch elektrische Kopplung von HF-Rauschen verursacht werden und wie verschiedene Spacer-Materialien diesen Effekt beeinflussen.

Ziele:

  • Quantifizierung der Amplitudenveränderung unter verschiedenen Spacer-Konfigurationen.
  • Statistische Prüfung von Ausreißerraten und Korrelation zwischen EM-Rauschen und Timing-Signalen.
  • Abgrenzung mechanischer und thermischer Effekte von elektrischer Kopplung.

Kontext & Hintergrund

Messreihe mit drei Materialbedingungen (Metall, Kunststoff, ohne Spacer), jeweils 150 getriggerte Samples pro Bedingung.

Gruppierung:

  • Metall-Spacer geerdet
  • Kunststoff-Spacer
  • Kein Spacer

Trace-Metadaten / zusätzliche Tags:

  • clocksource_switch()
  • EM-Amplitude
  • Timestamp
  • Lag (Zeitversatz)

Domänenkontext:

  • Kernel-Timing
  • HF-Störkopplung
  • Elektrische Messtechnik

Outlier-Definition:

  • Methode: Varianztest und amplitude-basierte Schwellenanalyse
  • Beschreibung: Samples mit EM-Amplituden über 2σ des Median-Werts werden als Ausreißer gewertet.
  • Metrik: EM-Amplitude

Motivation:

  • Reduktion von EM-bedingten Jittereffekten in Kernel-Timings.
  • Bewertung der Wirksamkeit geerdeter mechanischer Spacer als Abschirmmaßnahme.

Methode / Spezifikation

Übersicht:

  • Messungen mit EM-Sonde und Oszilloskop, Triggerung auf clocksource_switch().
  • Drei Materialvarianten der Spacer getestet.
  • 150 Samples pro Bedingung, Median- und Outlier-Analysen durchgeführt.

Algorithmen / Verfahren:

  • Signal-Erfassung synchron zu Kernel-events.
  • Ausreißeranalyse über Varianztest.
  • Korrelation von EM-Amplitude und Spike-Timestamp mittels Kreuzkorrelationsfunktion.
  • Signifikanzprüfung per Mann–Whitney-Test.

Bootstrap-Übersicht

Bootstrap-basiertes Signifikanz- und Konfidenzintervallsampling für CI-verifizierte Runs.

Zielgrößen:

  • Median-Amplitude
  • Outlier-Rate
  • Cross-Correlation-Koeffizient

Resampling-Setup

  • 150 Samples pro Spacer-Konfiguration

Stichprobeneinheit: Einzelmessung (Trigger-basiert)

Resampling-Schema:

  • 1k Bootstrap-Iterationen pro Bedingung

Konfidenzintervalle:

  • Niveau: 0.95
  • Typ: Percentile CI
  • Ableitung: Bootstrap-Resampling der Medianwerte

Abgeleitete Effektgrößen

Risk Difference (Differenz der Raten):

  • Definition: Differenz der Outlier-Anteile zwischen Testbedingungen.
  • Bootstrap: CI-Berechnung durch Resampling der jeweiligen Outlier-Raten.

Risk Ratio:

  • Definition: Verhältnis der Ausreißerwahrscheinlichkeit Metall vs Kunststoff.
  • Bootstrap: Bootstrap-Schätzung der Risikoverhältnisse über 1000 Iterationen.

C-State-Kontrolle

Ziel: Minimierung softwareseitiger Einflussfaktoren auf Spike-Timings.

Vorgehen:

  • Fixierung der C-States während der Messung.
  • Kontrolle der CPU-Frequenzen und Kernel-Timers
  • Erfassung von C-State-Metadaten im Trace.

Input / Output

Input-Anforderungen

Hardware:

  • EM-Sonde
  • Oszilloskop
  • Spacer (Metall, Kunststoff)
  • Messvorrichtung mit Triggerleitung

Software:

  • Kernel-Trace-Subsystem
  • clocksource_switch() Trigger
  • Statistik-Tooling (Python/R/CI)

Konfiguration:

  • grounded test bench
  • geregelte Raumtemperatur
  • konstante Kernel-Konfiguration

Erwartete Rohdaten

Felder pro Run:

  • timestamp
  • EM_amplitude
  • condition
  • event_id
  • temperature

Formatbeispiele:

  • 2024-05-28T09:31:47.210123Z, 83.4mV, metal_grounded, 101, 23.1°C

Trace-Daten:

  • Format: structured text or binary trace (.dat, .csv)
  • Hinweis: Traces enthalten synchronisierte Zeitstempel von clocksource_switch() sowie EM-Amplitudenmessungen.

Analyse-Ausgaben

Pro Gruppe / pro Governor:

  • Median-Amplitude
  • Varianz
  • Outlier-Rate
  • Cross-Correlation-Koeffizient

Vergleichsausgaben:

  • Metall geerdet vs Kunststoff

    • Δ: -19%
    • CI(Δ): [−25%, −12%]
    • RR: 0.21
    • CI(RR): [0.15, 0.32]
    • Tests: Mann–Whitney p<0.001

  • C-State-Korrelation: keine signifikante Abhängigkeit der EM-Amplitude von CPU-C-State beobachtet

  • Trace-Muster: Spike-Verschiebung um 1,11 s nach clocksource_switch() konstant über Runs

Workflow / Nutzung

Analyse-Workflow:

  • Erfassen der Trigger-Events via Kernel-Trace.
  • EM-Signalerfassung synchron zu Events.
  • Statistische Auswertung und Bootstrap-Test in CI.
  • Vergleich der Bedingungen Metall vs Kunststoff.

Trace-Template-Anforderungen

Ziel: Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Kopplungseffekte bei verschiedenen Spacer-Materialien.

Erforderliche Tags & Metadaten:

  • timestamp
  • condition
  • event_type
  • C-state

trace-cmd-Setup:

  • trace-cmd record -e clocksource_switch -e power:cstate_entry

Run-Design für Contributors:

  • pro Materialtyp 150 Trigger-basierte Samples, stabile thermische Bedingungen

Interpretation & erwartete Ergebnisse

Kernbefunde:

  • Geerdete Metall-Spacer reduzieren EM-Amplitude um ca. 62 %.
  • Ausreißerrate sinkt signifikant von 24 % auf 5 %.
  • Starke Cross-Korrelation (r≈0.72) zwischen EM-Peaks und Timing-Spikes.

Implikationen für Experimente:

  • Elektrische Kopplung ist primäre Ursache der beobachteten Timing-Störungen.
  • Abschirmung erforderlich; reine Distanz durch Spacer ohne Masse reicht nicht.

Planungsziel:

  • Ziel: Validierung der Kopplungsreduktion durch gezielte Erdung der Spacer.
  • Vorgehen:
    • Wiederholte Messungen mit Varianten der Erdung.
    • Vergleich der Bootstrap-Konfidenzintervalle über Bedingungen.

Limitationen & Fallstricke

Datenbezogene Limitationen:

  • Temperaturdrift minimal, aber nicht völlig ausgeschlossen.
  • 150 Samples pro Gruppe begrenzen Signifikanztiefe bei Subgruppen-Auswertung.

Bootstrap-spezifische Limitationen:

  • Resampling bei kleiner Grundgesamtheit liefert breite CI-Spannen.

Kausalität & Generalisierbarkeit:

  • Kausalität für generelle Kernel-Timing-Probleme nicht gesichert.
  • Effektstärke material- und layoutabhängig.

Praktische Fallstricke:

  • Ungeschirmte Anschlussleitungen können Messergebnisse verfälschen.
  • Nicht konstante Erdungspotentiale führen zu Messabweichungen.

Nächste Schritte & Erweiterungen

Geplante Experimente:

  • 1k-Bootstrap-Lauf in CI mit geerdeter Abschirmung.
  • Erweiterung um C-State-abhängige Analysen.

Analyseziele:

  • Quantitative Bewertung weiterer Spacer-Geometrien.
  • Langzeitmessungen mit unterschiedlichen Frequenzbereichen des HF-Spektrums.

Regression & Modellierung:

  • Aufbau eines Regressionsmodells zur Schätzung der Kopplungseffekte nach Material und Geometrie.

Community-Beiträge:

  • Erstellung eines PR mit Mess-Artefakten und Runbook.
  • Diskussion im Kernel-Review-Thread über clocksource_switch()-Race.