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Universidade Federal da Bahia |
Repositório Institucional da UFBA
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/44267
Tipo: Tese
Título: Soluções inovadoras em hardware reconfigurável para processamento online em um detector com alta taxa de eventos
Autor(es): Luz, Igo Amaurí dos Santos
Primeiro Orientador: Simas Filho, Eduardo Furtado de
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Farias, Paulo Cesar Machado de Abreu
metadata.dc.contributor.referee1: Simas Filho, Eduardo Furtado de
metadata.dc.contributor.referee2: Farias, Paulo Cesar Machado de Abreu
metadata.dc.contributor.referee3: Lima Jr., Herman Pessoa
metadata.dc.contributor.referee4: Ferraz, Victor Araujo
metadata.dc.contributor.referee5: Ferreira, Ricardo dos Santos
Resumo: O Large Hadron Collider (LHC) do CERN, o maior acelerador de partículas em operação do mundo, passará por uma atualização para a fase HL-LHC (High Luminosity LHC), aumentando a luminosidade e a energia das colisões próton-próton. Para o experimento ATLAS, o processo de atualização do acelerador impacta, dentre outros, no sistema de medição de energia (calorímetro) e no sistema de seleção de eventos e aquisição de dados (\textit{Trigger and Data Acquisition} - TDAQ). As mudanças propostas por esse processo de atualização poderão provocar a sobreposição dos sinais medidos pelos sensores do TileCal, afetando o processo de caracterização das partículas. Para atenuar os efeitos provocados pela distorção dos sinais, torna-se necessário realizar, de modo online, a estimação do sinal original. Outro desafio para a operação do HL-LHC é o novo componente de hardware, o \textit{Global Trigger}. Ele implementará os algoritmos de computação e seleção. Um desses algoritmos é o NeuralRinger, um método que combina uma representação em forma de anel de chuveiros eletromagnéticos e aprendizado de máquina para selecionar elétrons de forma eficiente. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho é desenvolver soluções de processamento online em FPGA para problemas gerados para o experimento ATLAS em decorrência do cenário de operação do HL-LHC. Este trabalho propõe uma solução de \textit{hardware} para a estimação da energia e também a implementação do NeuralRinger no Global Trigger. Para a estimação da energia, foram implementadas e avaliadas duas diferentes técnicas, uma baseada no filtro FIR, outra no algoritmo do Gradiente Descendente Positivo. O \textit{NeuralRinger} foi projetado e implementado como um componente integrado ao Global Event Processor (GEP), que é o núcleo do Global Trigger. Os resultados de erro das implementações dos algoritmos de estimação de energia e seleção de elétrons indicaram a eficiência das implementações em hardware. Os circuitos implementados também foram sintetizados para as FPGAs definidas no projeto de atualização da eletrônica do ATLAS, sendo a Xilinx XC7VX485T para a eletrônica do TileCal, utilizada no projeto dos algoritmos de estimação de energia, e a Xilinx Virtex UltraScale+ VCU118 para o Global Trigger, utilizada no projeto do NeuralRinger. Os resultados de síntese dos circuitos para estimação de energia, utilizando a abordagem determinística, reportaram a utilização de cerca 0,8% de Registradores, LUTs e DSPs e, para a abordagem iterativa, cerca de 11% para LUTs, 9\% para Registradores e 17% para DSPs. Para o NeuralRinger, a ferramenta de síntese reportou a utilização de 1,42% de LookUp Tables e 0,96% de Flip-Flops para o circuito de construção dos anéis, e 0,12% de LookUp Tables e 0,26% de Flip-Flops para a rede neural. Esses resultados indicaram a viabilidade de embarcar ambas as soluções nas respectivas placas FPGAs.
Abstract: The Large Hadron Collider (LHC) at CERN, the world's largest operational particle accelerator, will undergo an upgrade to the HL-LHC (High Luminosity LHC) phase, increasing the luminosity and energy of proton-proton collisions. For the ATLAS experiment, the accelerator upgrade process impacts, among other things, the energy measurement system (calorimeter) and the event selection and data acquisition system (Trigger and Data Acquisition - TDAQ). The changes proposed by this upgrade process may cause the superposition of signals measured by the TileCal sensors, affecting the particle characterization process. To mitigate the effects caused by signal distortion, it becomes necessary to perform the estimation of the original signal in an online manner. Another challenge for the HL-LHC operation is the new hardware component, the Global Trigger. It will implement the computing and selection algorithms, and one of these algorithms is the NeuralRinger, a method that combines a ring-shaped representation of electromagnetic showers and machine learning to efficiently select electrons. In this context, the main objective of this work is to develop online processing solutions in FPGA for the problems generated for the ATLAS experiment due to the LHC operation scenario in HL-LHC. This work proposes a hardware solution for energy estimation and also the implementation of the NeuralRinger in the Global Trigger. For energy estimation, two different techniques were implemented and evaluated: one based on the FIR filter, and the other on the Positive Gradient Descent algorithm. The NeuralRinger was designed and implemented as a component integrated into the Global Event Processor (GEP), which is the core of the Global Trigger. The error results from the implementations of the energy estimation and electron selection algorithms indicated the efficiency of the hardware implementation. The implemented circuits were also synthesized for the FPGAs defined in the ATLAS electronics upgrade project: the Xilinx XC7VX485T for the TileCal electronics, used in the design of the energy estimation algorithms, and the Xilinx Virtex UltraScale+ VCU118 for the Global Trigger, used in the NeuralRinger design. The circuit synthesis results for energy estimation, using the deterministic approach, reported a utilization of approximately 0.8% of Registers, LUTs, and DSPs, and, for the iterative approach, approximately 11% for LUTs, 9% for Registers, and 17% for DSPs. For the NeuralRinger, the synthesis tool reported a utilization of 1.42% of LookUp Tables and 0.96% of Flip-Flops for the ring construction circuit, and 0.12% of LookUp Tables and 0.26% of Flip-Flops for the neural network. These results indicated the viability of deploying both solutions on the respective FPGAs boards.
Palavras-chave: Large hadron collider
Experimento ATLAS
Field-Programmable Gate Array
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Idioma: por
País: Brasil
Editora / Evento / Instituição: Universidade Federal da Bahia
Sigla da Instituição: UFBA
metadata.dc.publisher.department: Escola Politécnica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) 
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/44267
Data do documento: 17-Dez-2025
Aparece nas coleções:Tese (PPGEE)

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