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 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 2
Saniyede 40 milyon resim ceken fotoğraf makinesi 3
Algıçtaki kanal sayısı = O(10 7 ) LHC de karsilasacagimiz zorluklar 4
The Compact Muon Solenoid (CMS) SUPERCONDUCTING COIL CALORIMETERS ECAL Scintillating PbWO 4 Crystals HCAL Plastic scintillator brass sandwich Total weight : 12,500 t Overall diameter : 15 m Overall length : 21.6 m Magnetic field : 4 Tesla IRON YOKE TRACKERs MUON ENDCAPS Silicon Microstrips Pixels MUON BARREL Drift Tube Chambers ( DT ) Resistive Plate Chambers ( RPC ) Cathode Strip Chambers ( CSC ) Resistive Plate Chambers ( RPC ) 5
CMS algıcının kesiti Tracking + Ecal + Hcal + Muons for h <2.4 Si TRACKER Silicon Microstrips and Pixels 1/28/2015 CALORIMETERS ECAL Scintillating PbWO 4 crystals HCAL Plastic scintillator/brass sandwich MUON BARREL Drift Tube Chambers (DT) Resistive Plate Chambers (RPC) 6 6
Algic uzerinde veri derleme Once algica gelen fiziksel buyuklugu elektrik sinyaline sonrada onu sayisal buykluge donusturmeliyiz Ilginc olan parcacigin carptigi andaki isigin miktari O zaman algicin parcacik carptigi ana karsilik gelen sonuclarini okuyalim TETIKLEME 2010 7
Frontend functional structures Frontend functional structure Amplifier Filter Shaper Range compression Sampling Digital filter Zero suppression 40 MHz Trigger data Trigger» 100 KHz FrontEnd Driver FED RU Readout Unit Her algıç kendine has farklılıklar gösterse de sinyal işleme mimarisi şu etapları içerir. Detector channel Buffer (pipeline) Trigger-1 matching Feature extraction Output buffer Format&Readout DAQ S. Cittolin CERN/EP 52 Compact Muon Slolenoid, CMS 2000 8
CMS frontend readout systems 9
LHC de karsilasacagimiz zorluklar Algıçtaki kanal sayisi = O(10 7 ) Veriyi algıçtan çikarmak için çok sayıda bağlantıya ihtiyaç var Her 25 nano saniyede üst üste 20 olay 10
Olay sayıları & seçim gereksinimi Bohça Olay sayısı : ~10 9 Hz Secim oranı : ~1/10 13 11
LHC bunches structure 12
p-p kesir kesiti N = L x s x Dt L = 10 34 cm -2 s -1 Hz mb -1 s Inel (pp) 70 mb Olay sayısı = 7 x 10 8 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 13
Olay sayıları & seçim gereksinimi Collision rate Bohça Olay sayısı : ~10 9 Hz Secim oranı : ~1/10 13 14
Algıçtaki kanal sayisi = O(10 7 ) LHC de karsilasacagimiz zorluklar 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 15
Gerçek zamanda olay seçimi (reddi) Ret 99.999% Kabul 0.001% 16
Algıçtaki kanal sayisi = O(10 7 ) LHC de karsilasacagimiz zorluklar 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 17
Olay seçimi: Tetikleme sistemi 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. 18
CMS trigger levels and DAQ data flow Event rate First Level: Clock driven Synchronous Triggers Level-1 Higher Levels: Event Driven Asynchronous Triggers HLT output 19
LHC de tetikleme ve veri derleme prensibleri 20
ATATÜRK ÜN GENÇLİĞE HİTABESİ Ey T ü r k g e n ç l i ğ i! B i r i n c i v a z i f e n ; T ü r k i s t i k l a l i n i, T ü r k c u m h u r i y e t i n i, i l e l e b e t m u h a f a z a ve m ü d a f a a e t m e k t i r. M e v c u d i y e t i n i n ve i s t i k b a l i n i n y e g â n e t e m e l i b u d u r. B u t e m e l, s e n i n en k ı y m e t l i h a z i n e n d i r. İ s t i k b a l d e d a h i s e n i bu h a z i n e d e n m a h r u m e t m e k i s t e y e c e k d â h i l î ve h a r i c î b e d h a h l a r ı n o l a c a k t ı r. B i r g ü n, i s t i k l a l ve c u m h u r i y e t i m ü d a f a a m e c b u r i y e t i n e düş e r s e n, v a z i f e y e atı l m a k i ç i n i ç i n d e b u l u n a c a ğın v a z i y e t i n i m k â n ve ş e r a i t i n i düş ü n m e y e c e k s i n. B u i m k â n ve ş e r a i t, ç o k n a m ü s a i t bir m a h i y e t t e t e z a h ü r e d e b i l i r. İ s t i k l a l ve c u m h u r i y e t i n e k a s t e d e c e k düş m a n l a r, b ü t ü n d ü n y a d a e m s a l i g ö r ü l m e m i ş bir g a l i b i y e t i n m ü m e s s i l i o l a b i l i r l e r. C e b r e n ve h i l e i l e a z i z v a t a n ı n b ü t ü n k a l e l e r i z a p t e d i l m i ş, b ü t ü n t e r s a n e l e r i n e g i r i l m i ş, b ü t ü n o r d u l a r ı dağıt ı lmış ve m e m l e k e t i n h e r köş esi b i l f i i l i ş g a l e d i l m i ş o l a b i l i r. B ü t ü n bu ş e r a i t t e n d a h a e l i m ve d a h a v a h i m o l m a k ü z e r e, m e m l e k e t i n d â h i l i n d e i k t i d a r a s a h i p o l a n l a r, g a f l e t ve d a l a l e t ve h a t t a h ı y a n e t i ç i n d e b u l u n a b i l i r l e r. H a t t a bu i k t i d a r s a h i p l e r i, ş a h s i m e n f a a t l e r i n i m ü s t e v l i l e r i n s i y a s i e m e l l e r i y l e t e v h i t e d e b i l i r l e r. M i l l e t, f a k r u z a r u r e t i ç i n d e h a r a p ve b i t a p düş müş o l a b i l i r. Ey T ü r k i s t i k b a l i n i n e v l a d ı! İşte, bu a h v a l ve ş e r a i t i ç i n d e d a h i v a z i f e n, T ü r k i s t i k l a l ve c u m h u r i y e t i n i k u r t a r m a k t ı r. M u h t a ç o l d u ğ un k u d r e t, d a m a r l a r ı n d a k i a s i l k a n d a m e v c u t t u r. 21
Bunch Crossing Times: LEP, Tevatron & LHC 22
Event signals kinematics Need to distribute LHC Clock Trigger-1 acceptance Control signals Addressable data Bunch-crossing number Need to Compensate Particle TOF Detector and Electronic Propagation delay (~200 ps) 23
Elden ele sinyal işleme 24
Bunch Crossing Times: LEP, Tevatron & LHC Bunch Crossing Times: LEP, Tevatron & LHC LEP: e + e - Crossing rate 30 khz 22µs Tevatron (Run I): pp Crossing rate 280 khz 3.5µs Tevatron (Run II): pp Crossing rate 2.5 MHz 396ns LHC: pp Crossing rate 40 MHz 25ns CERN. European Laboratory for Particle Physics S. Cittolin. Compact Muon Solenoid, CMS 2001 25
SPS & Tevatron (Run I) çarpıştırıcıları zamanlaması 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 26
LHC zamanlamasi 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 27
Level-1 tetikleme özeti karar için ayrilan zaman butcesi Dt dec 2-3 ms geçişler arasi zaman: Dt evt 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 28
DAQ teknolojileri ve mimarisinin evrimi 29
LHC de tetikleme ve veri derleme prensibleri 30
Parallel processing by farms 31
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 32
Structure option: Three physical stages (ATLAS) Tetikleme sistemlerinin 2. basmakta kullandığı verilere ulaşım için yüksek band genişliğine gereksinim duymaz 33
Structure option: Two physical stages (CMS) 34
Low mass Higgs (M H <140 GeV/c 2 ) H gg: decay is rare (B~10-3 ) But with good resolution, one gets a mass peak Motivation for LAr/PbWO 4 calorimeters Resolution at 100 GeV, s 1GeV S/B 1:20 35
Intermediate mass Higgs H ZZ l + l l + l (l =e,m) Very clean Resolution: better than 1 GeV (around 100 GeV mass) Valid for the mass range 130<M H <500 GeV/c 2 36
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. 37
Tetikleme ve veri derlemenin gelişmesi 38
Computing and communication trends 39
Level-1. Particle identification 40
Isolated electron principle 41
Isolated electron algorithm 42