Implementação embarcada em FPGA de métodos visando a reconstrução online de energia no calorímetro hadrônico do experimento ATLAS

• Autor(a) principal: Aguiar, Melissa Santos
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFJF
• Texto Completo: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16314
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA; Processamento embarcado; Deconvolução de sinais; Redes neurais; Embedded processing; Signal deconvolution; Neural networks

Os laboratórios de pesquisa em Física Experimental de Altas Energias vêm colaborando com avanços significativos na ciência e tecnologia. Neles, são construídos modernos aparatos para a detecção e estudo de partículas, onde ocorrem interações entre partículas subatômicas com altas energias, tendo como principal objetivo o estudo de diversas características das partículas elementares. O LHC, que é atualmente o maior acelerador de partículas do mundo, está passando por um processo gradual de atualização, em que a luminosidade das colisões está sendo aumentada, objetivando o aumento na probabilidade de ocorrerem eventos cada vez mais raros. Isto está impactando diretamente nos sistemas de instrumentação dos detectores, em especial no Calorímetro Hadrônico do Experimento ATLAS, onde o aumento na ocorrência de colisões adjacentes ocasiona o efeito de empilhamento nos sinais (pile-up). Devido ao fato de o algoritmo atualmente em uso na reconstrução dos sinais neste calorímetro advir de um método que não considera o empilhamento de sinais em sua formulação, diversas alternativas para realizar a estimação de energia estão sendo propostas, como os métodos iterativos de deconvolução de sinais baseados em Representação Esparsa de Dados e também métodos não lineares baseados em Redes Neurais Artificiais. Tais metodologias apresentam custo computacional alto, de modo que o principal desafio atualmente é o desenvolvimento de algoritmos capazes de operar de forma online. Neste contexto, o presente trabalho descreve a implementação de algoritmos em processadores dedicados, em FPGA, com uma arquitetura multicore, visando realizar a reconstrução online de energia em Calorímetros de Altas Energias, tendo como foco o Calorímetro Hadrônico do Experimento ATLAS, em cenários de empilhamento de sinais. Os resultados mostram a possibilidade da operação de tais processadores no primeiro nível de trigger do ATLAS, respeitando a taxa de colisões do LHC de 40 MHz, e com consumo de recursos lógicos dentro dos limites para implementação em FPGAs modernas.