[논문 리뷰] Operational experience and evolution of the ATLAS Tile Hadronic Calorimeter Read-Out Drivers

A. Valero|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 9인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 1에서 런 2로의 운영 전환과 함께 ATLAS Tile 캘리메터 읽기 출력 드라이버(Rods)의 하드웨어/펌웨어 업그레이드에 대해 기술하며, 실시간 신호 처리, 데이터 압축, 동기화에 중점을 둔다. 9U VME 보드에 기반한 DSP 기반 처리 장치를 사용하는 ROD는 증가하는 루미노시티와 트리거 레이트를 처리하기 위해 업그레이드되었으며, 최적 필터링 최적화와 시스템 대역폭 향상 덕분에 런 2에서 94%의 데이터 수집 효율성과 0.4% 미만의 데이터 품질 손실을 달성하였다.

ABSTRACT

TileCal is the central hadronic calorimeter of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). It is a sampling detector where scintillating tiles are embedded in steel absorber plates. The tiles are grouped forming cells, which are read-out on both sides by photomultiplier tubes (PMTs). The PMT digital samples are transmitted to the Read-Out Drivers (ROD) located in the back-end system for the events accepted by the Level 1 trigger system. The ROD is the core element of the back-end electronics and it represents the interface between the front-end electronics and the ATLAS overall Data AcQuisition (DAQ) system. It is responsible for energy and time reconstruction, trigger and data synchronization, busy handling, data integrity checking and lossless data compression. The TileCal ROD is a standard 9U VME board equipped with DSP based Processing Units mezzanine cards. A total of 32 ROD modules are required to read-out the entire TileCal detector. Each ROD module has to process the data from up to 360 PMTs in real time in less than 10 microseconds. The commissioning of the RODs was completed in 2008 before the first LHC collisions. Since then, several hardware and firmware updates have been implemented to accommodate the RODs to the evolving ATLAS Trigger and DAQ conditions adjusted to follow the LHC parameters. The initial ROD system, the different updates implemented and the operational experience during the LHC Run 1 and Run 2 are presented.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 LHC 루미노시티와 트리거 레이트 조건에서 ATLAS Tile 캘리메터의 높은 데이터 수집 및 품질 효율성을 유지하기 위해.
• 변화하는 LHC 조건에서 피드백 증폭기(PMT) 펄스 재구성에서 신호 중첩과 노이즈 왜곡 문제를 해결하기 위해.
• 런 2에서 더 높은 순간 루미노시티를 지원하기 위해 ROD 시스템의 처리 능력과 출력 대역폭을 향상시키기 위해.
• 시간에 따라 오버랩되는 중첩 신호로 인한 최적 필터링 알고리즘에서의 음수 에너지 재구성 문제를 제거하기 위해.
• 최소한의 수정으로 런 3 및 고루미노시티 LHC 시대에 원활한 운영을 위한 ROD 시스템 준비를 위해.

제안 방법

• ROD는 360채널의 PMT 신호에 대해 10 µs 이내로 에너지 및 시간 재구성을 수행하는 9U VME 보드에 내장된 DSP 기반 처리 유닛을 사용한다.
• 최적 필터링(Optimal Filtering, OF) 방법은 사전 계산된 가중치를 사용하여 디지털 샘플의 선형 조합을 통해 펄스 진폭과 위상을 계산하며, 이 가중치는 알려진 펄스 형상, 노이즈 모델, 중첩 조건에서 유도된다.
• 두 가지 OF 변종이 사용된다: OF1은 필터링 이전에 피드백을 제거하며, OF2는 공통 모드 노이즈를 제거하기 위해 총합이 0인 가중치를 적용하지만, 음수 에너지 출력의 위험이 있다.
• 반복적 OF 변종은 비동기 트리거 조건(예: 우주선 런)에서 성능을 향상시킨다.
• 유연한 버퍼와 구성 가능한 깊이, 바쁜 금지 신호를 통해 버퍼 오버플로우와 데이터 손실을 방지한다.
• 데이터 무결성은 현장 검사로 확보되며, 손실 없는 압축이 적용된 후 ATLAS용 고속 광학 링크(HOLA) 카드를 통해 전송된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 런 1과 런 2 기간 동안 증가하는 LHC 루미노시티와 트리거 레이트 조건에서 ROD 시스템이 실시간 처리 성능을 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 고중첩 조건에서 OF2 필터링 방법의 주요 제약 사항은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 ROD 시스템의 하드웨어 및 펌웨어 업그레이드가 고점유율 조건에서 데이터 수집 효율성과 품질을 향상시키는 방식은 무엇인가?
• RQ4 동적이고 셀 기반의 OF 가중치 캘리브레이션은 다양한 검출기 조건에서 재구성 정확도를 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 현재의 ROD 아키텍처가 주요 재설계 없이도 고루미노시티 LHC(HL-LHC)의 요구사항을 얼마나 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• ROD 시스템은 LHC 런 1 기간 동안 약 95%의 데이터 수집 효율성으로 성공적으로 운영되었으며, 주로 프론트엔드 전원 공급 실패로 인해 제한되었다.
• 런 1 기간 동안 TileCal의 데이터 품질 효율성은 98.7%에 도달하여 강력한 신호 재구성 및 무결성 검사 능력을 입증하였다.
• 런 2 기간 동안 업그레이드된 ROD 시스템은 전체적으로 94%의 데이터 수집 효율성과 0.4% 미만의 데이터 품질 손실을 기록하였으며, 정점 루미노시티가 명목의 2배에 달했음에도 불구하고 성공적으로 운영되었다.
• OF2를 OF1으로 교체함으로써 시간에 따라 오버랩되는 중첩으로 인한 음수 에너지 재구성 문제를 제거하여 고수준 트리거 알고리즘의 안정성을 향상시켰다.
• 위치에 따라 달라지는 중첩 노이즈를 고려한 셀 기반 최적 필터링 가중치 도입으로 고점유율 조건에서 재구성 정확도가 크게 향상되었다.
• 모듈당 이중 처리 유닛과 이중 HOLA 카드를 통한 ROD 시스템 업그레이드로 처리 능력과 출력 대역폭이 두 배로 증가하여 런 2 요구사항을 충족시켰다.