[논문 리뷰] A novel 4D fast track finding system using precise space and time information of the hit

N. Néri, M. Petruzzo|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 30.

CCD and CMOS Imaging Sensors참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실시간으로 피카세컨드 해상도를 갖는 충전 입자 궤적을 재구성할 수 있도록 실리콘 픽셀 히트로부터 정밀한 공간 및 시간 정보를 활용하는 새로운 4차원 빠른 트랙 추적 시스템을 제안한다. 대량의 병렬 처리 및 파이ipel라인 구조를 갖춘 FPGA 구현된 4차원 인공 망막 알고리즘을 사용하여, 시간에 맞지 않는 배경 히트를 억제하고, 마이크로초 이하의 지연 시간을 달성하여 향후 고광도 LHC 실험에서 흔히 발생하는 고중첩 조건 하에서 트랙 성능을 향상시킨다.

ABSTRACT

We propose a novel fast track finding system capable of reconstructing four dimensional particle trajectories in real time using precise space and time information of the hits. Recent developments in silicon pixel detectors achieved 150 ps time resolution and intense R&D is in progress to improve the timing performance, aiming at 10 ps. The use of the precise space and time information allows the suppression of background hits not compatible with the time of passage of the particle and the determination of its time evolution. The fast track finding device that we are proposing is based on a massively parallel algorithm implemented in commercial field-programmable gate array using a pipelined architecture. We describe the algorithm and its implementation for a tracking system prototype based on 8 planes of silicon sensors used as a case study. According to simulations the suppression of noise hits is effective in reducing fake track combinations and improving real-time track reconstruction in presence of background hits. The system provides offline-like tracks with sub-microsecond latency and it is capable to determine the time of the track with picosecond resolution assuming 10 ps resolution for the hits.

연구 동기 및 목표

• HL-LHC에서 한 번의 번치 크로스링크 당 최대 140개의 주요 상호작용이 발생하는 상황에서 증가하는 중첩 문제를 해결하기 위해 실시간 트랙 재구성에서 배경 제거 성능을 향상시키는 것.
• 100 피크세컨드 이하의 시간 해상도(최소 10 피크세컨드)를 갖는 신규 실리콘 픽셀 디텍터를 활용하여 신호와 배경 히트를 구분하기 위해 시간이라는 네 번째 차원을 추가하는 것.
• 고에너지 물리 실험의 1단계 트리거 체인에 통합 가능한 저지연, 실시간 트랙 추적 시스템을 개발하는 것.
• 인공 망막 알고리즘에 시간 정보를 통합함으로써 고노이즈 조건 하에서 트랙 재구성 효율성을 크게 향상시키고 가짜 조합 수를 감소시킬 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 시스템은 각 히트에 대해 t₀−ΔT, t₀, t₀+ΔT의 시간 가설을 사용하여 전통적인 3차원 공간적 트랙 매개변수 공간에 시간을 추가한 4차원 인공 망막 알고리즘을 구현한다.
• 각 처리 엔진은 공간적 거리에 대한 지수 가중치 반응 exp(−s²ijk/2σ²)와 시간 편차에 대한 지수 가중치 반응 exp(−t²ijk/2σ²t)를 평가하며, FPGA 내 DSP 블록을 통해 조합한다.
• 공간 좌표를 기반으로 룩업 테이블(LUT)을 사용하여 히트를 적절한 엔진으로 라우팅하는 수정된 스위치 모듈을 도입하여 최소한의 지연과 라우팅 논리의 변경 없이 처리한다.
• 트랙 피터 모듈은 응답 격자 내 局부 최대값 주변의 가중치 값을 보간하여 최종 트랙 매개변수 (x₊, x₋)를 재구성한다.
• 파이ipel라인 구조를 갖춘 대량 병렬 FPGA 아키텍처(Xilinx Kintex-7)를 사용하여 총 지연 시간이 100 시간 단위 이내(200 MHz에서 500 ns)이며, 마이크로초 이하의 반응 속도를 달성한다.
• 지수 연산을 위한 단일 LUT를 공유하고 3 사이클의 홀드 신호를 사용하여 데이터 흐름을 제어함으로써 고속 데이터율 조건에서도 안정적인 처리를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정밀한 시간 정보(10 피크세컨드 해상도)를 활용하여 예상된 입자 통과 시간과 동기화되지 않은 배경 히트를 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 시간을 네 번째 차원으로 통합함으로써 고중첩 환경에서 트랙 재구성 성능이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 FPGA 기반 실시간 시스템에서 시간 해상도를 갖춘 히트를 고려해 3차원 인공 망막 알고리즘을 4차원으로 확장할 경우 지연 시간과 자원 과부하가 어떻게 되는가?
• RQ4 파이ipel라인 구조를 갖춘 대량 병렬 FPGA 아키텍처는 피카세컨드 해상도를 갖는 실시간 트랙 재구성에서 마이크로초 이하의 응답을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 4차원 인공 망막 알고리즘은 시간 일관성을 활용하여 시간에 맞지 않는 배경 히트를 효과적으로 억제하여 시뮬레이션에서 가짜 트랙 조합 수를 크게 감소시켰다.
• 시스템은 총 100 시간 단위 이내(200 MHz에서 500 ns 이내)의 지연 시간을 기록하여 마이크로초 이하의 반응 속도를 확보하였으며, 1단계 트리거 응용에 적합한 실시간 동작을 가능하게 하였다.
• Xilinx Kintex-7 FPGA에 구현된 시스템은 3차원 공간 전용 버전 대비 FPGA 자원 사용량이 10%만 증가하여 낮은 면적 과부하를 입증하였다.
• 입력 히트의 시간 해상도가 10 피크세컨드임을 가정할 때, 시스템은 궤적의 원점에서의 시간을 피카세컨드 해상도로 결정할 수 있었다.
• 고노이즈 조건 하에서도 알고리즘이 높은 트랙 추적 성능 유지를 유지하였으며, 4차원 매개변수 공간을 통해 신호 대 배경 분리 능력이 향상되었다.
• 공유된 LUT와 파이ipel라인 구조의 DSP 블록을 활용하여 자원 사용량을 최소화하고 지연 시간을 낮추는 효율적인 계산을 실현하였다.