Evaluation of an Associative Memory and FPGA-based System for the Track Trigger of the CMS-Detector
Creators: name: Amstutz, Christian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2017
Subjects: CMS
Track Trigger
SystemC
System Simulation
FPGA

description: Im Jahr 2025 wird die Luminosität des Teilchenstrahls am Large Hadron Collider (LHC), dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt mit den höchsten Energien, weiter erhöht. Dadurch werden noch mehr Teilchen gleichzeitig im Zentrum des Compact Muon Solenoid (CMS) Experimentes kollidieren. Um unter diesen neuen Bedingungen verwertbare Daten zu liefern, wird erstmals ein Spurtrigger für CMS entwickelt. Dieser verarbeitet die Daten des äußeren Spurdetektors und liefert die Parameter der Teilchenspuren an die erste Triggerstufe von CMS. Da die technischen Anforderungen an ein solches Spurtriggersystem enorm sind, wurde bisher noch nie ein Spurtrigger auf der ersten Triggerstufe eines Teilchenphysikexperimentes eingesetzt. Die Datenrate am Eingang des CMS-Spurtriggers wird beinahe 100 Tbit/s betragen und die Verarbeitungszeit darf 4 μs nicht überschreiten. Um diese außergewöhnlichen Anforderungen zu erfüllen, ist ein einzigartiges, heterogenes eingebettetes System erforderlich. Diese Dissertation präsentiert eine neu konzeptionierte Simulationsumgebung auf Systemebene für den CMS-Spurtrigger. Die Simulationsumgebung ermöglicht die Evaluation der CMS-Spurtriggerelektronik als Ganzes: von den Modulen mit den Siliziumdetektoren bis zu den Komponenten, welche die Algorithmen zur Spurerkennung ausführen. Die Simulation stellt dem Systementwickler drei Funktionen zur Verfügung: Erstens können Systemeigenschaften wie Latenz, Bandbreite und benötigte Puffergrößen abgeschätzt werden. Zweitens können verschiedene Systemarchitekturen miteinander verglichen werden. Drittens dient die Simulationsumgebung als Testumgebung für Algorithmen und Code, welcher in Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) implementiert wird. Um realistische Ergebnisse zu erhalten, werden Daten einer Simulation des CMS-Experimentes als Eingangsdaten der Simulationsumgebung verwendet. Eines der untersuchten Konzepte für den CMS-Spurtrigger besteht aus bis zu 48 großen Baugruppenträgern mit Hunderten von Platinen. Zur Verarbeitung der Daten werden FPGAs und eigens für die Suche von Teilchenspuren entwickelte Assoziativspeicher genutzt. Prototypen einer Platine mit FPGAs und Assoziativspeicher Chips wurden am Karlsruher Institut für Technologie produziert und getestet. Zusätzlich wurde ein essenzieller Teil des CMS-Spurtriggers mithilfe der neuen Simulationsumgebung simuliert. Durch diese Implementierung wurde aufgezeigt, dass es möglich ist, ein solch großes System in der Simulationsumgebung zu simulieren. Innerhalb der Simulation werden viele Elemente des CMS-Spurttriggers vielfach instantiiert. Dabei sind die Elemente oft in regelmäßigen Strukturen wie zum Beispiel zwei- oder dreidimensionalen Rastern angeordnet. Eine SystemC-Bibliothek wurde entwickelt, um das Modellieren und Konfigurieren solcher Strukturen zu vereinfachen. Außerdem wurde eine unabhängige Kostenabschätzung des CMS-Spurtriggers durchgeführt. Diese zeigt, dass die veranschlagten 11,9 Millionen Euro ausreichen, um den auf Assoziativspeicher basierende CMS-Spurtrigger zu bauen. Werden die Werte anhand des Technologiefortschritts auf das Jahr 2022 hochgerechnet, kann sogar mit deutlich niedrigeren Kosten gerechnet werden.