LHC de karsilasacagimiz zorluklar - Indico

LHC de karsilasacagimiz zorluklar - Indico

CMS örneği üzerinden
Tetikleme & Veri Toplama Sistemleri
Samim Erhan
UCLA
Turkish Teachers Program
1
Tetikleme ve veri toplama ne demektir
•
TDK Büyük sözlük
– Tetikleme : Tetiklemek işi
– Tetiklemek : Harekete geçirmek
– Veri : Deneysel ölçümler ya da sayımlar sonucu elde edilen sayılar kümesi.
• Veri toplama : Verilerin bir araya getirme işi
Pasif tetikleme – Fotoraf makinesi denklansoru
Resim cekme kararini kullanici veriyor
Optik algic verileri hafiza kartina aktariliyor
S. Erhan/ UCLA
Aktif tetikleme – Sabit hiz radari
Onceden belirlenmis sartlarin olusmai ile
resim cekiyor
Optik algic verileri hafiza kartina aktarili
2
Saniyede 40 milyon resim ceken “fotoğraf” makinesi
S. Erhan/ UCLA
3
LHC de karsilasacagimiz zorluklar
• Algıçtaki kanal sayısı = O(107)
S. Erhan/ UCLA
4
The Compact Muon Solenoid (CMS)
SUPERCONDUCTING
COIL
CALORIMETERS
ECAL Scintillating PbWO4
Crystals
HCAL Plastic scintillator
brass
sandwich
Total weight : 12,500 t
Overall diameter : 15 m
Overall length : 21.6 m
Magnetic field : 4 Tesla
IRON YOKE
TRACKERs
MUON
ENDCAPS
MUON BARREL
Silicon Microstrips
Pixels
Drift Tube
Resistive Plate
Chambers (DT) Chambers (RPC)
S. Erhan/ UCLA
Cathode Strip Chambers (CSC )
Resistive Plate Chambers (RPC )
5
CMS algıcının kesiti
Tracking + Ecal + Hcal + Muons for |h|<2.4
Si TRACKER
Silicon Microstrips
and
Pixels
2/25/2014
S. Erhan/ UCLA
CALORIMETERS
ECAL
Scintillating
PbWO4 crystals
HCAL
Plastic scintillator/brass
sandwich
MUON BARREL
Drift Tube
Resistive Plate
Chambers (DT) Chambers (RPC)
6
6
CMS frontend readout systems
S. Erhan/ UCLA
7
S. Erhan/ UCLA
S. Cittolin CERN/EP
Trigger » 100 KHz
Trigger data
40 MHz
Readout Unit
RU
52
DAQ
FrontEnd Driver
FED
Compact Muon Slolenoid, CMS 2000
Format&Readout
Output buffer
Feature extraction
Trigger-1 matching
Buffer (pipeline)
Amplifier
Filter
Shaper
Range compression
Sampling
Digital filter
Zero suppression
Detector channel
Frontend functional structures
Frontend functional structure
Her algıç kendine has farklılıklar gösterse de sinyal
işleme mimarisi şu etapları içerir.
8
LHC de karsilasacagimiz zorluklar
• Algıçtaki kanal sayisi = O(107)
Veriyi algıçtan çikarmak için çok sayıda bağlantıya ihtiyaç var
• Her 25 nano saniyede üst üste 20 olay
S. Erhan/ UCLA
9
Olay sayıları & seçim gereksinimi
Bohça
Olay sayısı :
Secim oranı :
S. Erhan/ UCLA
~109 Hz
~1/1013
10
LHC bunches structure
S. Erhan/ UCLA
11
p-p kesir kesiti
N = L x sx Dt
• L = 1034 cm-2 s-1 Hz mb-1
• sInel (pp) ≈ 70 mb

Olay sayısı = 7 x 108 Hz

• Dt = 25 ns = 25 x 10 -9 Hz-1
Olay sayısı/25ns = 7 x 2.5 = 17.5
• Bütün kovalar dolu degil (2835/3564)

Geçiş başına olay sayısı = 23
Bohçaların iç içe geçişi sırasında her bir “iyi” (Higgs boson
içeren olay) olay oluştuğunda ilevaten ≈ 20 “kötü” olay
(özelliği olmayan olay) oluşur
S. Erhan/ UCLA
12
Olay sayıları & seçim gereksinimi
Collision rate
Bohça
Olay sayısı :
Secim oranı :
S. Erhan/ UCLA
~109 Hz
~1/1013
13
LHC de karsilasacagimiz zorluklar
• Algıçtaki kanal sayisi = O(107)
Veriyi algıçtan çikarmak için çok sayıda bağlantıya ihtiyaç var
• Her 25 nano saniyede üst üste 20 olay
Super informasyon otoyolu gerekir
• Değişik algıç elemanlarından gelen sinyaller bir biri ile uyumlu olmalı
Algıç elemanlarının birbirlerine gore 25 ns içinde senkronize edilmesi lazım
• Bazi algıç elemanlarının sinyaleri 25 ns den uzun
Bu algıçlardan gelen sinyaller birden fazla geçişteki olay sinyallerinin
toplamı olacaktır
• Bazi algıç elemanlarına taneciklerin ulaşması 25 ns den fazla
 Olayın hangi geçişte oldugunu saptamalıyız
• Daha sonraki analizler için oldukça az sayıda olay saklıyabiliriz. < 1000 Hz
S. Erhan/ UCLA
14
Gerçek zamanda olay seçimi (reddi)
Ret 99.999%
S. Erhan/ UCLA
Kabul 0.001%
15
LHC de karsilasacagimiz zorluklar
• Algıçtaki kanal sayisi = O(107)
Veriyi algıçtan çikarmak için çok sayıda bağlantıya ihtiyaç var
• Her 25 nano saniyede üst üste 20 olay
Super informasyon otoyolu gerekir
• Değişik algıç elemanlarından gelen sinyaller bir biri ile uyumlu olmalı
Algıç elemanlarının birbirlerine gore 25 ns içinde senkronize edilmesi lazım
• Bazi algıç elemanlarının sinyaleri 25 ns den uzun
Bu algıçlardan gelen sinyaller birden fazla geçişteki olay sinyallerinin
integrali olacaktır
• Bazi algıç elemanlarına taneciklerin ulaşması 25 ns den fazla
 Olayın hangi geçişte oldugunu saptamalıyız
• Daha sonraki analizler için oldukça az sayıda olay saklıyabiliriz. < 1000 Hz
Olayların çogunu atmalıyız
• Herşey gerçek zamanda olmalı – geriye dönüp kayıp olayları kazanamayız.
Bütün sistemi çok iyi izlemeliyiz
S. Erhan/ UCLA
16
“Olay” seçimi: Tetikleme sistemi
Görev Tanımı:
(Hemen hemen) Bütün çarpışmalar içinden ilginç olay içerenlerini seç
ve bu olaylara ait algic verilerinin toplanmasini baslat.
Tetikleme sisteminin verilerin tamamına anında ulaşması olanaksız
olduğundan, T(…) fonksiyonunu ardaşik yaklaşımlarla hesaplıyoruz.
T() hesaplarken verilerin de terlenmeye hazır bekletilmesi gerekir.
S. Erhan/ UCLA
17
CMS trigger levels and DAQ data flow
Event rate
First Level: Clock driven
Synchronous Triggers
Level-1
Higher Levels: Event Driven
Asynchronous Triggers
HLT output
S. Erhan/ UCLA
18
LHC de tetikleme ve veri derleme prensibleri
S. Erhan/ UCLA
19
Bunch Crossing Times: LEP, Tevatron & LHC
S. Erhan/ UCLA
20
Event signals kinematics
Need to distribute
•LHC Clock
•Trigger-1 acceptance
•Control signals
•Addressable data
•Bunch-crossing number
Need to Compensate
•Particle TOF
•Detector and Electronic
•Propagation delay (~200 ps)
S. Erhan/ UCLA
21
Elden ele sinyal işleme
S. Erhan/ UCLA
22
S. Erhan/ UCLA
CERN. European Laboratory for Particle Physics
25ns
LHC: pp Crossing rate 40 MHz
396ns
Tevatron (Run II): pp– Crossing rate 2.5 MHz
3.5µs
–
Tevatron (Run I): pp Crossing rate 280 kHz
22µs
LEP: e+e- Crossing rate 30 kHz
S. Cittolin. Compact Muon Solenoid, CMS 2001
Bunch Crossing Times: LEP, Tevatron & LHC
Bunch Crossing Times: LEP, Tevatron & LHC
23
SPS & Tevatron (Run I) çarpıştırıcıları
zamanlaması
Temiz olaylar – geçişlerde birden fazla olay az
Geçişler arası tetikleme 1 basamak için yeterli
Olaylarlardaki veri miktari ≈ 250 kBytes
Az sayıda veri toplama noktası yeterli ≈ 250
S. Erhan/ UCLA
24
LHC zamanlamasi
Terikleme 1. basamak işlem zamanı geçişler arasından çok fazla
Algıc önceki geçilerdeki olayların sinyallerini de hatırlıyor
Yüksek sayıda olay üst üste – aynı geçişten ve önceki geçişlerden
Çok sayıda algıc elemanı
S. Erhan/ UCLA
25
Level-1 tetikleme özeti
• karar için ayrilan zaman butcesi Dtdec≈ 2-3 ms
• geçişler arasi zaman: Dtevt≈ 25 ns
• verileri karar verene kadar tutmak icin
Pipelines ihtiyac var
• aynı anda birden fazla olayi incelemeliyiz.
Pipelined processing
• Hizli yanıt vermeliyiz
(e.g. özel algıçlar)
• Arkaplan olaylarının sayısı çok fazla
• Ret etme faktörü ≈ 10,000
• Algorithms run on local, coarse data
• Only calorimeter & muon information
• Special-purpose hardware (ASICs, etc)
• Rates: steep function of thresholds
• Ultimately, determines the physics
S. Erhan/ UCLA
26
DAQ teknolojileri ve mimarisinin evrimi
S. Erhan/ UCLA
27
LHC de tetikleme ve veri derleme prensibleri
S. Erhan/ UCLA
28
Parallel processing by farms
S. Erhan/ UCLA
29
Karşılaştırmalı LHC Bilgi İşlem ve iletişim
ihtiyacı
• W ve Z Bosonlarinin bulundugu 1980 de CERN’de bulunan
toplam bilgi işlemci gücü modern bir masa üstü bilgisayari
(1995) kadardi.
• LHC deki son basamak tetikleme sistemlerinde ki toplam
işlemci sayisi, bugün CERN ofislerinde bulunan masa üstü
bilgisayarlariının sayısına esit (2000 de ≈10000)
• Algıcı kontrol ve denetleme sisteminin veri akışı (sıcaklık,
voltaj değerleri vs.) LEP deneylerinin olay veri akışına
eşdeger (≈ 100 kBytes/s)
• Bir saniyede veri derleme sistemden geçen verilerinin miktari
– CERN agından bir günde geçen veriye eşdeğer
– Telekinikasyon sisteminde gerçeklesen ≈ 100 milyon telefon
konuşmasi kadar
– 2000 yilinda WEB de dolasan biligiye eçdeğer
S. Erhan/ UCLA
30
Structure option: Three physical stages
(ATLAS)
Tetikleme sistemlerinin 2. basmakta kullandığı verilere
ulaşım için yüksek band genişliğine gereksinim duymaz
S. Erhan/ UCLA
31
Structure option: Two physical stages (CMS)
S. Erhan/ UCLA
32
Low mass Higgs (MH<140 GeV/c2)
• Hgg: decay is rare (B~10-3)
–But with good resolution,
one gets a mass peak
–Motivation for LAr/PbWO4
calorimeters
–Resolution at 100 GeV,
s1GeV
•S/B  1:20
S. Erhan/ UCLA
33
Intermediate mass Higgs
•HZZl+l– l+l– (l =e,m)
–Very clean
•Resolution: better
than 1 GeV (around
100 GeV mass)
–Valid for the mass
range 130<MH<500
GeV/c2
S. Erhan/ UCLA
34
Short history of computing and new frontiers
1600
1800
1900
1940
1950-1960
1960-1965
1965-1971
1971-1999
1975
1980
1984
1990
1995
2000
S. Erhan/ UCLA
The origin
Counting. Abacus
Numeric techniques, Logarithms, Calculator engine
Punch cards, Automates. Babbage difference engine driven on a program
Punched cards electromechanical Holletith's tabulator, vacuum tube,
Electronic digital and stored-program first computers
First Generation
Commercial computers. UNIVAC. FORTRAN. First transistor
Second Generation
General purpose computers IBM,DEC. COBOL, BASIC. Integrated circuits
Third Generation
Arpanet. First microprocessor chip. PASCAL, C and UNIX
Forth Generation
Minicomputer, Microcomputer. Window and mouse. Cray supercomputer.
Personal Computer. Apple, Microsoft. Vector processors
Parallel computing. Farms. OO/C++
Massive parallel computing and massive parallel storage.
LANs and WANs. Internet. WEB
Commodities and network/bandwidth explosion. Network computing.
High Performance Computing ASCI initiative.
Present
Fusion of computing, communication and archiving. Grid….
35
Level-1. Particle identification
S. Erhan/ UCLA
36
Tetikleme ve veri derlemenin gelişmesi
S. Erhan/ UCLA
37
Computing and communication trends
S. Erhan/ UCLA
38
Isolated electron principle
S. Erhan/ UCLA
39
Isolated electron algorithm
S. Erhan/ UCLA
40