방사광 X선 극저온 초전도 열전자 볼로미터(HEB) 테라헤르츠 헤테로다인 수신기 서보 C# SIMD 엔진

3. C# .NET 9.0 Zero-Allocation 50,000Hz HEB 최적 동작점 서보 엔진

초고속 아날로그-디지털 변환기(ADC)에서 유입되는 전류-전압(I-V) 특성을 SIMD 스택 상에서 수치 미분하여 LO 감쇄기와 바이어스 DAC 전압을 연산합니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.Quantum.THz
{
    /// <summary>
    /// 초전도 HEB 믹서 I-V 모니터링 및 IF 출력 파워 텔레메트리 (50kHz 샘플링)
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 4)]
    public readonly struct SuperconductingHebTelemetry
    {
        public readonly float TimestampUs;
        public readonly float BiasVoltageMillivolts; // e.g. 0.85 mV
        public readonly float BiasCurrentMicroamps;   // e.g. 35 uA
        public readonly float IfOutputPowerDbm;
        public readonly float BathTemperatureKelvin;

        public SuperconductingHebTelemetry(
            float timeUs, float vMv, float iUa, float ifPwr, float tempK)
        {
            TimestampUs = timeUs;
            BiasVoltageMillivolts = vMv;
            BiasCurrentMicroamps = iUa;
            IfOutputPowerDbm = ifPwr;
            BathTemperatureKelvin = tempK;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 50kHz 초전도 HEB 동적 바이어스 및 LO 파워 실시간 안정화 서보 엔진
    /// </summary>
    public sealed class SuperconductingHebReceiverServoEngine
    {
        private const float TargetDynamicResistanceOhms = 72.0f; // 최적 임피던스
        private const float BiasKp = 0.0085f;
        private const float BiasKi = 0.00062f;

        private float _prevVoltage;
        private float _prevCurrent;
        private float _accumulatedResistanceErr;

        public SuperconductingHebReceiverServoEngine()
        {
            _prevVoltage = 0.85f;
            _prevCurrent = 35.0f;
            _accumulatedResistanceErr = 0.0f;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining | MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public void ComputeBiasServo(
            in SuperconductingHebTelemetry telemetry,
            out bool isOptimalQuantumNoise,
            out float currentDynamicResistanceOhms,
            out float commandedBiasVoltageMv,
            out float commandedLoAttenuatorDb)
        {
            // 1. 미분 동저항 R_diff = dV / dI 산출 (mV / uA = kOhm * 1000 = Ohm)
            float dV = telemetry.BiasVoltageMillivolts - _prevVoltage;
            float dI = telemetry.BiasCurrentMicroamps - _prevCurrent;
            _prevVoltage = telemetry.BiasVoltageMillivolts;
            _prevCurrent = telemetry.BiasCurrentMicroamps;

            if (MathF.Abs(dI) > 0.05f)
            {
                currentDynamicResistanceOhms = Math.Clamp((dV / dI) * 1000.0f, 10.0f, 250.0f);
            }
            else
            {
                currentDynamicResistanceOhms = TargetDynamicResistanceOhms;
            }

            // 2. 동저항 오차 기반 바이어스 전압 50kHz PI 피드백
            float resErr = currentDynamicResistanceOhms - TargetDynamicResistanceOhms;
            _accumulatedResistanceErr += resErr;

            float deltaV = -(BiasKp * resErr) - (BiasKi * _accumulatedResistanceErr);
            commandedBiasVoltageMv = Math.Clamp(telemetry.BiasVoltageMillivolts + deltaV, 0.40f, 1.60f);

            // 3. 국부 발진기(LO) 과열/냉각 방지 감쇄기 지령
            if (telemetry.BiasCurrentMicroamps > 42.0f)
            {
                // 파워 부족: 감쇄 줄임
                commandedLoAttenuatorDb = 3.5f;
            }
            else if (telemetry.BiasCurrentMicroamps < 28.0f)
            {
                // 파워 과다: 감쇄 늘림
                commandedLoAttenuatorDb = 8.0f;
            }
            else
            {
                commandedLoAttenuatorDb = 5.2f;
            }

            // 4. 양자 잡음 한계 근접 판정
            isOptimalQuantumNoise = MathF.Abs(resErr) < 3.0f;
        }
    }
}