Development and Deployment of Continuous Data Acquisition System Realizing ALICE GEM-TPC

实现 ALICE GEM-TPC 的连续数据采集系统的开发和部署

• 批准号: 20H00165
• 负责人: 大山 健
• 金额: $ 28.45万
• 依托单位: Nagasaki Institute of Applied Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H00165/
• 关键词: 高エネルギー原子核衝突; DAQ; FPGAアクセラレーション; 粒子検出器; ALICE; データ収集系; ビッグデータ; QGP; LHC

2022年度は主に(1)TPCのデータ処理アルゴリズムの最終実装、実機導入および運用、(2)FPGAアクセラレータカード(Xilinx Alveo U55C)をターゲットとした高位合成によるTPCクラスタリングアルゴリズムの実装テスト、および(3)ALICEの新検出器FoCalのデータ収集・トリガ系への本研究結果の応用、の3テーマを推進した。(1)に関しては大山・郡司が、前年度に開発をほぼ完了したデータ処理アルゴリズムを、ALICE実験施設のデータ収集クラスタ内の前段処理FPGA(Arria10)に実装し、試運転とデータ収集を行った。(2)は主に長名が進めた。2021年には既に高位合成によるクラスタ検出アルゴリズムの実装と100Gbit Ethernetを用いたデータ入力が可能であることを証明していたが、2022年度はこれを更に進め、データ入力用Ethernet及び計算結果をホストへ転送するためのPCI Expressインタフェイスを含むシステム全体の試作に着手した。その結果、動作周波数は当初の見積を大幅に下回る220MHz程度となり、目的のスループットが出ないと判明した。この問題は主に1000bitを超えるビット幅での並列処理に起因する配線の混雑と、高位合成ツールがその混雑を適切に見積もることができない事が要因であった。最終的にTPCを12のサブブロックに分割して処理を行い、HDLによる実装部分についても各種のチューニングを行うことで充分なスループットを達成した。この設計変更に伴う高位合成部のコード変更はきわめて少なく、この手法は他の検出器向けのデータ収集システムにも応用可能と考えられる。(3)として、大山はFoCalのデータ収集・トリガ系において本研究で開発している技術を適用するための基礎的情報収集および海外研究機関等との協力体制の構築を完了し、本格的な設計に移行した。

In fiscal 2022, we mainly promoted three themes: (1) the final implementation of TPC data processing algorithms, the introduction and operation of actual devices, (2) the implementation test of the TPC clustering algorithm using high-level synthesis targeting the FPGA accelerator card (Xilinx Alveo U55C), and (3) the application of this research results to the data collection and trigger system of爱丽丝的新探测器焦点。关于（1），Oyama和Gunji在爱丽丝实验设施的数据收集集群中实施了上一年几乎完成了上一年发展的数据处理算法，并进行了测试操作和数据收集。 （2）主要由长纳（Nagana）进行。在2021年，它已经证明，可以使用高级合成和使用100Gbit以太网的高级合成和数据输入来实现群集检测算法，但是在2022年，这是进一步的先进的，并开始了整个系统的原型，包括用于数据输入的以太网以及向主机传输的PCI Express界面。结果，工作频率约为220MHz，显着低于原始估计值，发现未达到所需的吞吐量。这个问题主要是由于接线的交通拥堵是由于平行处理大于1000位，因此高级合成工具无法正确估计充血的事实。最后，将TPC分为12个子块并进行了处理，并为HDL安装的零件进行了各种调谐，从而实现了足够的吞吐量。这种设计更改涉及高级合成部分中的代码更改，并且该技术被认为适用于其他检测器的数据采集系统。 （3）Oyama已经完成了与海外研究机构等基本信息收集和合作的构建，以应用在焦点数据收集和触发系统中开发的技术，并已转化为全尺度设计。

项目成果

Implementation of ALICE TPC clustering algorithm on an Alveo accelerator card: a feasibility study

在 Alveo 加速卡上实现 ALICE TPC 聚类算法：可行性研究

• 发表时间: 2023
• 作者: Aoki Mayumi;Kaneko Daiki;Emiko Hiyama;松村拓輝;Y. Osana
• 通讯作者: Y. Osana

WG4（オンラインフィルタリング・演算加速器）報告と展望

WG4（在线过滤/计算加速器）报告与展望

• 发表时间: 2022
• 作者: HyeJeong Kim;Hitoshi Kawakatsu;Takeshi Akuhara;Masanao Shinohara;Hajime Shiobara;Hiroko Sugioka;Ryota Takagi;T. Gunji
• 通讯作者: T. Gunji

Future measurements from ALICE Run3 and Run4

ALICE Run3 和 Run4 的未来测量

• 发表时间: 2021
• 作者: M. Nishiura;S. Adachi;K. Tanaka;S. Kubo;N. Kenmochi;R. Yanai;T. Shimizu;T. Saito;T. Gunji for the ALICE collaboration
• 通讯作者: T. Gunji for the ALICE collaboration

FoCal readout and trigger

FoCal 读数和触发

• 发表时间: 2023
• 作者: K. Oyama

次世代ALICE TPCにおけるクラスタ検出アルゴリズムのFPGA実装と入出力の検討

下一代ALICE TPC中簇检测算法的FPGA实现及输入/输出的考虑

• 发表时间: 2021
• 作者: 長澤和也;松山裕輝;大山健;郡司卓;長名保範
• 通讯作者: 長名保範