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Clase: Dissertação
Título : Simulador de pulsos do TileCal em tempo real utilizando o processador SAPHO e FPGA
Autor(es): Ribeiro, Leandro da Graça
Orientador: Andrade Filho, Luciano Manhães de
Miembros Examinadores: Nóbrega, Rafael Antunes
Miembros Examinadores: Lima Junior, Herman Pessoa
Resumo: O Grande Colisor de Hádrons (LHC) é o maior acelerador de partículas do mundo, operado pelo CERN, e investiga a estrutura fundamental da matéria por meio de colisões próton-próton em altíssimas energias. A cada ciclo de operação, seus detectores registram grandes volumes de dados. Entre 2026 e 2030, o LHC permanecerá desligado para as atualizações que antecedem a Fase 2, o High Luminosity LHC (HL-LHC), período em que não haverá medidas. Nesse contexto, simuladores capazes de operar em tempo real e reproduzir com alta fidelidade os sinais dos detectores tornam-se ferramentas estratégicas para manter o avanço das pesquisas, contribuindo para o desenvolvimento e validação de novas metodologias. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um simulador de pulsos do Tile Calorimeter (TileCal) do experimento ATLAS, implementado em Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) a partir de código gerado pelo processador softcore SAPHO. O objetivo é viabilizar, com baixa latência, a geração livre (free-running) de pulsos com efeito de pile-up, possibilitando testes sob a taxa de eventos do LHC (40 MHz) como se fossem dados reais. A metodologia integra: i) um gerador congruencial multiplicativo pseudoaleatório para definir a ocorrência de eventos; ii) endereçamento de tabela exponencial pré-computada para gerar amplitudes compatíveis com respostas físicas; e iii) modelagem do pulso por filtros digitais para emular o pile-up. O SAPHO compila um subconjunto de C em Verilog, alocando apenas o hardware necessário (ponto fixo ou flutuante), facilitando a exploração de arquiteturas distintas. Foram concebidos quatro simuladores: dois com processador inteiro (equações de filtragem separadas e combinadas) e dois com ponto flutuante (um monoprocessado e outro com cinco processadores em paralelo). Os resultados mostram ganhos expressivos, com redução do número de clocks por amostra de 5104 na arquitetura inteira, para 31 na versão paralela em ponto flutuante, ganho superior a duas ordens de grandeza em relação ao primeiro protótipo e próximo da viabilidade prática em FPGAs modernos.
Resumen : The Large Hadron Collider (LHC) is the world’s largest particle accelerator, operated by CERN, and investigates the fundamental structure of matter through high-energy proton-proton collisions. In each operation cycle, the detectors record large volumes of data. Between 2026 and 2030, the LHC will remain off for upgrades preceding Phase 2, the High Luminosity LHC (HL-LHC), during which no real data will be acquired. In this context, real-time simulators capable of accurately reproducing detector signals become strategic tools for maintaining research progress, contributing to the development and validation of new methodologies. This work presents the development of a pulse simulator for the Tile Calorimeter (TileCal) of the ATLAS experiment, implemented in Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) from code generated by the soft-core SAPHO processor. The aim is to enable, with low latency, the free-running generation of pulses with pile-up effects, allowing tests at the LHC event rate (40 MHz) as if they were real data. The proposed methodology integrates: (i) a multiplicative congruential pseudo-random generator to define event occurrence; (ii) addressing of a precomputed exponential table to produce amplitudes consistent with physical responses; and (iii) pulse modeling using digital filters to emulate pile-up. SAPHO compiles a C subset into Verilog, allocating only the required hardware (fixed- or floating-point), thus facilitating the exploration of different architectures. Four simulators were designed: two with integer processors (separate and combined filtering equations) and two with floating-point processors (a single-core version and another with five parallel processors). The results show significant performance gains, with the number of clocks per sample reduced from 5104 in the integer architecture to 31 in the parallel floating-point version — an improvement of more than two orders of magnitude compared to the first prototype, approaching the practical feasibility in modern FPGAs.
Palabras clave : FPGA
SAPHO
Simulador de pulsos
Calorímetro hadrônico de telhas
Alta taxa de eventos
CERN
Pulse simulator
Tile calorimeter
High event rate
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Idioma: por
País: Brasil
Editorial : Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Sigla de la Instituición: UFJF
Departamento: Faculdade de Engenharia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Clase de Acesso: Acesso Aberto
Attribution 3.0 Brazil
Licenças Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
URI : https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20169
Fecha de publicación : 10-sep-2025
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