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

S. Erhan/ UCLA 2

Pasif tetikleme – Fotoraf makinesi denklansoru

Resim cekme kararini kullanici veriyor

Optik algic verileri hafiza kartina aktariliyor

Aktif tetikleme – Sabit hiz radari

Onceden belirlenmis sartlarin olusmai ile

resim cekiyor

Optik algic verileri hafiza kartina aktarili

S. Erhan/ UCLA 3

Saniyede 40 milyon resim ceken “fotoğraf” makinesi

LHC de karsilasacagimiz zorluklar

• Algıçtaki kanal sayısı = O(107)

S. Erhan/ UCLA 4

S. Erhan/ UCLA

MUON BARREL

CALORIMETERS

Silicon Microstrips Pixels

ECAL Scintillating PbWO 4

Crystals

Cathode Strip Chambers ( CSC ) Resistive Plate Chambers ( RPC )

Drift Tube Chambers ( DT )

Resistive Plate Chambers ( RPC )

SUPERCONDUCTING COIL

IRON YOKE

TRACKERs

MUON ENDCAPS

Total weight : 12,500 t Overall diameter : 15 m

Overall length : 21.6 m Magnetic field : 4 Tesla

HCAL Plastic scintillator brass

sandwich

The Compact Muon Solenoid (CMS)

5

S. Erhan/ UCLA

CMS algıcının kesiti

6

Tracking + Ecal + Hcal + Muons for |h|<2.4

Silicon Microstrips and Pixels

Si TRACKER CALORIMETERS ECAL

Scintillating

PbWO4 crystals

HCAL Plastic scintillator/brass

sandwich

MUON BARREL

Drift Tube Chambers (DT)

Resistive Plate Chambers (RPC) 6 2/25/2014

S. Erhan/ UCLA

CMS frontend readout systems

7

Frontend functional structure

S. Erhan/ UCLA 8

S. C

ittolin

CER

N/EP

Comp

act M

uon S

lolen

oid, C

MS 20

00

40 M

Hz

Trigg

er »»»»

100 K

Hz

Trigg

er da

ta

Ampli

fier

Filter

Shap

er

Rang

e com

press

ion

Samp

ling

Digit

al filt

er

Zero

supp

ressio

n

Fron

tend f

uncti

onal

struc

ture

s

52DAQ

Fron

tEnd

Driv

erFE

D RURe

adou

t Unit

Detec

tor ch

anne

l Buffe

r (pip

eline

)

Trigg

er-1 m

atchin

g

Featu

re ex

tracti

on

Outpu

t buff

er

Form

at&Re

adou

t

Her algıç kendine has farklılıklar gösterse de sinyal

işleme mimarisi şu etapları içerir.

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

S. Erhan/ UCLA

Olay sayıları & seçim gereksinimi

Olay sayısı : ~109 Hz

Secim oranı : ~1/1013

10

Bohça

S. Erhan/ UCLA

LHC bunches structure

11

S. Erhan/ UCLA

p-p kesir kesiti

12

N = L x sx 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

Olay sayıları & seçim gereksinimi

Collision rate

Olay sayısı : ~109 Hz

Secim oranı : ~1/1013

13

Bohça

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

15

Gerçek zamanda olay seçimi (reddi)

Ret 99.999% Kabul 0.001%

S. Erhan/ UCLA

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

S. Erhan/ UCLA

“Olay” seçimi: Tetikleme sistemi

17

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 18

HLT output

Level-1

Event rate

CMS trigger levels and DAQ data flow

First Level: Clock driven Synchronous Triggers

Higher Levels: Event Driven Asynchronous Triggers

19

LHC de tetikleme ve veri derleme prensibleri

S. Erhan/ UCLA

20

Bunch Crossing Times: LEP, Tevatron & LHC

S. Erhan/ UCLA

S. Erhan/ UCLA

Event signals kinematics

21

Need to Compensate

•Particle TOF

•Detector and Electronic

•Propagation delay (~200 ps)

Need to distribute

•LHC Clock

•Trigger-1 acceptance

•Control signals

•Addressable data

•Bunch-crossing number

S. Erhan/ UCLA

Elden ele sinyal işleme

22

Bunch Crossing Times: LEP, Tevatron & LHC

S. Erhan/ UCLA 23

CERN

. Euro

pean

Labo

ratory

for P

article

Physi

csS.

Cittoli

n. Co

mpact

Muo

n Sole

noid,

CMS 2

001

Bunc

h Cros

sing T

imes

: LEP

, Tev

atron

& LH

CBu

nch C

rossin

g Tim

es: L

EP, T

evatr

on &

LHC

3.5µs

LEP:

e+ e- Cross

ing ra

te 30

kHz

Teva

tron (

Run I

): pp C

rossin

g rate

280 k

Hz

22µs

–

396n

s

Teva

tron (

Run I

I): pp

Cross

ing ra

te 2.5

MHz

–

25ns

LHC:

pp Cr

ossing

rate

40 M

Hz

SPS & Tevatron (Run I) çarpıştırıcıları

zamanlaması

S. Erhan/ UCLA 24

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

LHC zamanlamasi

S. Erhan/ UCLA 25

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

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 26

27

DAQ teknolojileri ve mimarisinin evrimi

S. Erhan/ UCLA

28

LHC de tetikleme ve veri derleme prensibleri

S. Erhan/ UCLA

29

Parallel processing by farms

S. Erhan/ UCLA

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

30 S. Erhan/ UCLA

31

Structure option: Three physical stages

(ATLAS)

Tetikleme sistemlerinin 2. basmakta kullandığı verilere

ulaşım için yüksek band genişliğine gereksinim duymaz

S. Erhan/ UCLA

32

Structure option: Two physical stages (CMS)

S. Erhan/ UCLA

S. Erhan/ UCLA

Low mass Higgs (MH<140 GeV/c2)

•Hgg: decay is rare (B~10-3)

–But with good resolution, one gets a mass peak

–Motivation for LAr/PbWO4 calorimeters

–Resolution at 100 GeV, s1GeV

•S/B 1:20

33

S. Erhan/ UCLA

Intermediate mass Higgs

•HZZl+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

34

35

Short history of computing and new frontiers

The origin Counting. Abacus 1600 Numeric techniques, Logarithms, Calculator engine 1800 Punch cards, Automates. Babbage difference engine driven on a program 1900 Punched cards electromechanical Holletith's tabulator, vacuum tube, 1940 Electronic digital and stored-program first computers 1950-1960 First Generation Commercial computers. UNIVAC. FORTRAN. First transistor 1960-1965 Second Generation General purpose computers IBM,DEC. COBOL, BASIC. Integrated circuits 1965-1971 Third Generation Arpanet. First microprocessor chip. PASCAL, C and UNIX 1971-1999 Forth Generation 1975 Minicomputer, Microcomputer. Window and mouse. Cray supercomputer. 1980 Personal Computer. Apple, Microsoft. Vector processors 1984 Parallel computing. Farms. OO/C++ 1990 Massive parallel computing and massive parallel storage. LANs and WANs. Internet. WEB 1995 Commodities and network/bandwidth explosion. Network computing. High Performance Computing ASCI initiative. 2000 Present Fusion of computing, communication and archiving. Grid….

S. Erhan/ UCLA

S. Erhan/ UCLA

Level-1. Particle identification

36

S. Erhan/ UCLA

Tetikleme ve veri derlemenin gelişmesi

37

S. Erhan/ UCLA 38

Computing and communication trends

S. Erhan/ UCLA

Isolated electron principle

39

S. Erhan/ UCLA

Isolated electron algorithm

40