התפקיד הבלתי צפוי של FPGAs בפיסיקה גבוהה

פיזיקה באנרגיה גבוהה עומדת על רצף של דורות נתונים. particle התנגשות ב- Hadron Collider הגדול (LHC) לייצר אינטראקציות חופפות כל 25 ננו השניות, בעוד גלאי נויטרנו ו- observaries רנטגן חייב להרעיש לתוך אותות קלים ונדירים מתחת רקע מכריע.

סביבות ניסיוניות מודרניות דורשות ארכיטקטורות עיבוד שיכולות להגיע למאות טרבולטים לשנייה, להסתגל לאלגוריתמים מעוררים מתפתחים ולפעול באופן אמין תחת קרינה אינטנסיבית.מעבדים למטרות כלליות ויחידות עיבוד גרפיקה מציעים כוח עצום אך לא יכול להבטיח את הגמישות הקבועה, תת-מיקרו-שנית הנדרשת לדרגה 1 של פעילות גופנית, המספקת את רוב מערכות הלוגיקה המשולבות של מערכת עיצובית-הבסיסית זו, המספקת את ה-GA-R.

מה הופך את ה-FPGA ל-Purface

FPGA הוא מעגל משולב בנוי סביב ממטריקס של בלוקים לוגיים הניתנים להגדרה, עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) פרוסות, זיכרון בלוק גבוה, ו multi-gabitbit transceivers. משאבים אלה קשורים זה לזה באמצעות ערוצי routing בו זמנית של בד. Designers להשתמש בשפות חומרה (VL, Verilog) או סינתזה ברמה גבוהה (S) מ- CPU דיגיטלי, אשר יכול ליישם את המשתנים של מחזור נתונים של מחזורי תיבות של סיליקון מלא של מחזור CPU.

מכשירים מובילים מ-FLT:0(AMD) (לשעבר Xilinx)cioFLT) ו-(FLT:2 Intel) (לשעבר אלטרה)3 משלבים כעת ליבות מעבדים קשיחים של מעבד ARM, בקרים מתקדמים של זיכרון (HBM2e, DDR5), ומאות טרנז'ים מהירים המסוגלים ל-112 אותות של משפחת GbpsAM4ing.

שקיפות ושקיפות מוחלטת

היתרון הקריטי ביותר של FPGAs ב HEP הוא היכולת שלהם לספק עיבוד דטרמי, נמוך-latency. במערכת גירוי ברמה-1, ההחלטה לשמור או למחוק אירוע חייב להיעשות בתוך חלון זמן קבוע - לעתים קרובות פחות ממיקרו-שנית ב- LHC. אלגוריתם לוגיקה של FPGA ופסים פועלים בתקן סינכרוני לחלוטין, כלומר הדרך הגרועה ביותר היא אפסית של זמן, כמו CGA, כלומר, כלומר, כלומר, 000 אלגוריתמים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, בניגוד ל-זמנית, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, 000 אלגוריתמים, כלומר, כמו CPU, אלגוריתמים, בניגוד ל- אלגוריתמים, 000, כמו CPU, בניגוד ל- אלגוריתמים, או אלגוריתמים, 000, או אלגוריתמים, 000, 000, אלגוריתמים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, אלגוריתמים, כמו אלגוריתמים, אלגוריתמים, בניגוד ל- אלגוריתמים, 000 אלגוריתמים, אלגוריתמים, כמו CGA, אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, 000

אדריכלות של DAQ מבוססת FPGA

שרשרת HEP DAQ טיפוסית מעבירה נתונים מהחיישנים האנלוגיים לאחסון קבוע באמצעות סדרה של שלבים מוגדרים היטב. FPGAs למאוכלסים כמעט בכל שכבה, ביצוע פונקציות מיוחדות שמתאימות לסף רוחב הפס ולדרישות השקיפות של כל שלב.הבנת הצינור הזה מגלה כיצד FPGAs מאפשר ביצועי המערכת הכוללת הדורשים ניסויים.

אנליזה Front-End ו- Fast Digitization

אותות חפיפה - הדופקים המתרחשים מפסות סיליקון, ספייק מתח מן צינורות ערימה photomultiplier, או הזרמת זרמים מ calorimeters - הם הראשונים המושפעים ו מעוצבים על ידי אנלוגיה אישית ASICs. האותות המוצבים ואז להיכנס במהירות גבוהה אנלוגית-to-DSal מומרים (ADCs) שפועלים במאות מגהץ.PGAs עם ממשק זה באמצעות פרוטוקולים כגון JGAD.

רמה-1 - החלטות בזמן אמת

מערכת ההדק מייצגת את היישום התזמון המבוקש ביותר של FPGAs ב HEP. ב- LHC, הניסויים של ATLAS ו- CMS מפעילים גישה של שני סוגים של אנרגיה (LHC1), שנבנה מ- FPGAs ו- ASICs, חייב להפחית את רמת ה- Cverse-crossing של 40 MHz ל-100 k בתוך תקציב של מספר רב של מיקרו-2, כדי לבחון אלגוריתמים של תאים חד-מדומים.

ריכוז נתונים, Buffering וקישור Transmission

לאחר שהטריגר L1 מקבל אירוע, ה-FPGA מאגד קטעי נתונים מערוצים מרובים לפני-קצה, נספחים ראשי תיבות וקודי תיקון שגיאות, ומפרק את האירוע ההתאספו בזיכרון DDR חיצוני.המידע המבולגב על גבי שבבים קריטיים של מערכת ההפעלה APGFLTX, תוך השגת קישורים אופטיים מהירים יותר לחווה המרכזית של PGFLTX.

התמודדות עם האתגרים של Frontier DAQ

תכנון מערכות DAQ מבוססות FPGA עבור HEP סביבות כוחות מהנדסים לפתור קבוצה ייחודית של בעיות מקושרות.כל מעצורים - פסוויד, קרינה, כוח ואמינות - דורשות שינויים קפדניים של סחר אדריכלי.

ניהול Bandwidth ו- Throughput

שיעור הנתונים הגלום של גלאי פיקסל מודרני יכול לעלות על 100 terabits לשנייה.שום FPGA יחיד יכול לעמוד בטור זה.הפתרון הוא במקביל מסיבי והפחתה מוקדמת של נתונים. FPGAs החל אפס ניצול, איסוף, ו-אזור-of-of-t-of-t-incial בחירה ישירות על מנת להפעיל את כמות ה-Ricing של נתונים בטווח הקצר, מבלי ליצור טקטיקות של קומפקטיות גבוהה יותר של 100.000 ל-100,000.

מיפוי קרינת קרינה רך

אלקטרוניקה חשוף לפלטפורמות חלקיקים בתוך מערות קוליידר או חלליות נתקלות ברמות גבוהות של קרינה מייננת. חלקיקים אנרגטיים מסוימים יכולים לגרום להפרעות חד-פעמיות (SEUs) כי bits בזיכרון תצורה FPGA, שינוי פונקציות לוגיות או routing. עבור פונקציות קריטיות אבטחה, משולשת הגנה לאחור (RTM) הוא חובה: שלושה עותקים לוגיים זהים זהים של רוב הצבעה כי הם סימנים מסחריים כי הם חלק מחסומי אבטחה מבוססי CRACK.

כוח, אורמל ו-Space Constraints

FPGAs גבוה יכול לפרק 40-60 וואט כל אחד, ואת נפח הגלאי לעתים קרובות יש יכולת קירור מוגבלת. אופטימיזציה כוח מתחיל ברמת האלגוריתם: צמצום רוחבי bit, צמצום לוגיקה מיותרת להתגות באמצעות גלי שעון, ושימוש בלוקים DSP חוסמים ביעילות. דינמיקה לחץ ותדירות גבוהה יותר יכול להפחית את הכוח במהלך ניתוח אלומיניום נמוך.

שיתוף פעולה ומיזוג

קושחה עכשווית יכולה לארוך מיליוני שורות של HDL, המתחרה המורכבות של פרויקטים גדולים של תוכנה.Vification מסתמכת על מתודולוגיית אימות אוניברסלית (UVM), בדיקה אקראית מחוספסת, ו- חומרה-in-the-loop מחקה את שרשרת ה-Diglederals המלאה של מערכות אינטגרציה רציפה-Automated PC-RIRate Repation לאחר כל משימה, רצף של ה-R-RIGNFed Reductions (R-R-R-R-RIC-R) מאפשרת תמיכה אוטומטית ו-RIC-RIC-RIC-RICDRED CLODV (RIC-RICDV-RICED CR) תמיכה ב-RICDRIGNFED CIRECT REFED CIRECTED CRIGNDR-RIGNDRICED CLODRIC-RICED CRICEDS לאחר כל משימה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של

מחקרים: FPGAs מעבר לפיזיקה Spectrum

LHC Collider Experiments ו-HL-LHC

ATLAS ו- CMS מחויבים לשדרג את המערכות הכוללות כדי להתמודד עם עלייה פי עשרה באלומיניום מיידי של luminosity ב-HL-LHC. למערכות קריאה חדשניות ב-ATLAS המפעילות כרטיסי FELIX המכילים טיפול גבוה ב-FPGAs שמשמשים כממשק קישור אחיד בין מערכות ההפעלה הקדמיות לשרתי CMS, פריסת את לוח הזמנים של סרן, נתיב מתקדם של PG1 ו-A כדי לשמור על רמות ההפעלה של PG1 ל-LCA.

ניוטרינו וחושך - Detectors

הניסויים של FP Deep Underground Neutrino (DUNE) ישתמשו ב-Kloton-scale נוזל argon זמן הקרנה תאי תזמון תזמון FPFronic (FFPD) , אלקטרוניקה לקריאה , ה- ®Kelowton-scale EG) יכולים לספק אלגוריתמים של FPGA בלבד, אשר שוכנו ב-77KGA מבצעים מטענים ו-Computes מותאמים ל-FGA למשך כל פעם אחר פעם, עבור כל אחד, כמו דחיסות XGA, 000 נתונים מבוססי דחיסה-D.

אסטרונופיל חלקיקים Observatories

מצפה פייר אוריג'ר, לומד קרני קוסמיות אולטרה-גבוהות באנרגיה, משתמש בתחנות גלאי משטח מצוידות אלקטרוניקה מבוססת FPGA לעיבוד אותות טנקי מים-Cherenkov. FPGA חל אלגוריתמים מעוררים ברמת תחנת ייצור ומייצרת את ה- GPS-disciplined פעמים עבור שחזור לא מקוון.הטלסקופ קבוע של צ'רנקוקוב (CTA) יסתמך על שרתי מצלמה מבוססי FPGA כדי להפיק ספרות ותהליך אותות של פיקסלים ולהפחית את אותות של פיקסלים אלה, כלומר, כלומר, בטווח הארוך, ללא פיקסלים, פיקסלים, כלומר, לחץ, FPGA, פיקסלים, ללא פיקסלים, פיקסלים, פיקסלים, כלומר, ללא פיקסלים, לחץ נרחב, לחץ נרחב, לחץ נרחב, ללא FPGA, פיקסלים לטווח ארוך, ללא FPGA, פיקסלים, פועל, פיקסלים, 000, פיקסלים לטווח ארוך, ללא FPR.

עתיד האינטליגנציה: Machine Learning on FPGAs

אחת ההתפתחויות הטרנספורמציות ביותר ב- HEP DAQ היא פריסת רשתות עצביות ישירות על הבד העצבי של FPGA עבור פעילות גופנית בזמן אמת, ה- Hz:0hls4ml Open-source החבילה של CLT 1g, שפותחה באמצעות שיתוף פעולה בין CERN ו- Xilinx, מתרגם מודלים מאומנים באופן פעיל מ- Keras, Pyrch, או TensFlow לקוד H שניתן ל-Flow ל-Flow כדי לאפשר זיהוי של יחידות מקבילות של יחידות PG2.

מסקנה: Canvass of Discovery

מערכות רכישת נתונים מבוססות FPGA התפתחו מלוגיקה פשוטה של דבק לתוך נקודות מתקדמות, מוגדרות תוכנה המגדירה את המעטפה של הביצועים של מכשיר הפיזיקה המודרנית.שילוב ייחודי שלהם של מקבילות מסיבית, תזמון מכריע, וכושר השחזור חומרה הופך אותם הכרחי עבור הניסוח, סינון, וקריאה של ניסויים עכשוויים-מחדש ואינטראקציה להמשיך לעלות, FPG כפי שהופך אותם לספוגים יותר של טכנולוגיות חדשניות, לא מבוססות-Resources, לא ניתן למעבדה, ולא רק את הטכניקות אבטחה, אלא גם על ידי תכנון של תהליכים מתקדמים, כלומר, עיצוב של תהליכים מתקדמים, אשר מסייעות, אשר מסייעות, עיבוד מכניקהילה, כמו גלאידקנות, ומעבדה, אשר מסייעות, ומעבדה, הוא מסוגלות, כלומר, עיבוד של ניסויים, ומעבדה, כמו גלאידקדקדקדקדקדקדקדקדקנות, ומעבדה, אשר מסייעות של טכניקות הפעלה מחדש של ניסויים, אשר מסייעות של טכניקות מורכבות, אשר מסייעות, אשר מסייעות של טכניקות מורכבות יותר, אשר מסייעות, אשר מסייעות של טכניקות אבטחה, אשר מסייעות, אשר מסייעות, אשר מסייעות, אשר מסייעות, אשר מסייעות אבטחה משולבת, אשר מסייעות, אשר מסייע