Pracoviˇstˇe pro v´yvoj FPGA karet Martin Bodl´ak
1
´ Uvod do problematiky
COMPASS je mezin´ arodn´ı experiment z oboru fyziky element´arn´ıch ˇc´astic bˇeˇz´ıc´ı ˇ ˇ ycarsko). na urychlovaˇci SPS (Super Proton Synchotron) v CERN (Zeneva, Sv´ N´ azev tohoto experimentu je zkratkou slov COmmon Muon and Proton Apparatus for Strucrure and Spectroscopy. Byl navrˇzen v roce 1996, schv´alen v CERN v roce 1997. Technicky byl spuˇstˇen v roce 2000, v roce 2002 zaˇcal fyzik´aln´ı bˇeh, tedy i sbˇer dat (data acquisition, DAQ). COMPASS je experiment s pevn´ ym terˇcem – svazek urychlen´ ych ˇc´ astic je pˇriveden k nepohybliv´emu terˇci sloˇzen´emu z vhodn´eho materi´ alu. Za terˇcem jsou um´ıstˇeny detektory, kter´e sleduj´ı a identifikuj´ı ˇc´ astice, kter´e vzniknou pˇri interakci ˇc´astic ze svazku s atomy terˇce. Detektory experimentu jsou um´ıstˇeny na francouzsk´e stranˇe v´ yzkumn´eho stˇrediska v Prev´essinu. Na experimentu COMPASS se pod´ıl´ı ˇrada univerzit a v´ yzkumn´ ych u ´stav˚ u z v´ıce neˇz 10 st´ at˚ u; ˇcleny ˇcesk´e skupiny jsou i pracovn´ıci a studenti z ˇ FJFI CVUT, MFF UK a z TUL. Sbˇer dat (DAQ) z detektor˚ u na experimentu COMPASS je zajiˇst’ov´an zastaral´ ym hardwarem i softwarem (nedoch´az´ı k pravideln´e aktualizaci, nˇekter´e ˇc´ asti jsou aˇz 10 let star´e). Kv˚ uli tomu ˇcasto doch´az´ı k probl´em˚ um se sbˇerem dat a k mrh´ an´ı svazky pˇrich´ azej´ıc´ıch ˇc´astic. Zastaral´ y hardware je totiˇz v dneˇsn´ı dobˇe jiˇz skoro nemoˇzn´e sehnat. Nav´ıc software moment´alnˇe pouˇz´ıvan´ y na experimentu COMPASS byl vyvinut pro u ´plnˇe jin´ y experiment a n´aslednˇe postupnˇe doupravov´ an pro potˇreby COMPASSu. Cel´ y softwarov´ y bal´ık je ˇspatnˇe zdokumentovan´ y a nˇekter´e pˇridan´e ˇc´asti napsan´e v r˚ uzn´ ych jazyc´ıch nejsou zdokumentovan´e v˚ ubec. N´ avrh na tvorbu nov´eho hardwaru a softwaru pro sbˇer dat pˇriˇsel v polovinˇe roku 2011. N´ avrh poˇc´ıt´ a s pouˇzit´ım nov´eho modern´ıho hardwaru tzv. programovateln´ ych logick´ ych ˇcip˚ u (Field Programmable Gate Array - FPGA) a s v´ yvojem nov´eho monitorovac´ıho a ˇr´ıd´ıc´ıho softwaru.
2
Nov´ e pracoviˇ stˇ e pro v´ yvoj a testov´ an´ı FPGA karet
Protoˇze je v´ yvoj nov´eho syst´emu pro sbˇer dat zajiˇst’ov´an nˇekolika institucemi v Evropˇe, je vhodn´e uvaˇzovat nad zˇr´ızen´ım nov´eho pracoviˇstˇe v jednom z evropsk´ ych mˇest, kde by doch´azelo k v´ yvoji firmwaru pro FPGA karty a k z´ akladn´ımu testov´ an´ı pˇred vˇetˇs´ımi testy pˇr´ımo v CERN. Pˇri um´ıstˇen´ı tohoto nov´eho pracoviˇstˇe je vhodn´e zohlednit jeho vzd´alenost od st´avaj´ıc´ıch instituc´ı, kter´e se na v´ yvoji nov´eho syst´emu pod´ıl´ı, a vzd´alenost od dalˇs´ıch d˚ uleˇzit´ ych instituc´ı, kter´e se pod´ılej´ı na experimentu COMPASS. Jde o n´asleduj´ıc´ı instituce:
1
ˇ ˇ ycarsko) • European Organization for Nuclear Research (Zeneva, Sv´ ˇ ˇ • Fakulta jadern´ a a fyzik´ alnˇe inˇzen´ yrsk´a, CVUT v Praze (Praha, CR) • Technische Universit¨ at M¨ unchen (Mnichov, Nˇemecko) • INFN Trieste (Terst, It´ alie) • CEA Saclay (Paˇr´ıˇz, Francie)
2.1
Metoda tˇ eˇ ziˇ stˇ e
Polohu nov´eho pracoviˇstˇe nejprve zkus´ıme urˇcit metodou tˇeˇziˇstˇe. Souˇradnice st´ avaj´ıc´ıch zaˇr´ızen´ı: ˇ • Zeneva - 46.2 N; 6.15 E • Praha - 50.08 N; 14.42 E • Mnichov - 48.13 N; 11.57 E • Terst - 45.63 N; 13.8 E • Paˇr´ıˇz - 48.85 N; 2.35 E Odtud: n
x ¯=
1X 46.2 + 50.08 + 48.13 + 45.63 + 48.85 xi = = 47.78 n i=1 5 n
y¯ =
1X 6.15 + 14.42 + 11.57 + 13.8 + 2.35 yi = = 9.66 n i=1 5
Nov´e pracoviˇstˇe by se tedy mˇelo nach´azet pˇribliˇznˇe na souˇradnic´ıch 47.78 N; 9.66 E, coˇz je m´ısto nedaleko nˇemeck´eho Ravensburgu, kde se nach´az´ı Univerzita aplikovan´ ych vˇed (Hochschule Ravensburg-Weingarten). ˇ ycarsku, Jednou z v´ yhod t´eto lokace je to, ˇze se nach´az´ı v Nˇemecku a ne ve Sv´ coˇz je vzhledem k cenov´ ym hladin´am v obou zem´ıch pˇrijatelnˇejˇs´ı (hlavnˇe kv˚ uli ubytov´ an´ı pracovn´ık˚ u). Na druhou stranu je nev´ yhodou to, ˇze vzd´alenost od ˇ hlavn´ı instuce (CERN, Zeneva) je t´emˇeˇr 400 km. Pokus´ıme se tedy dos´ahnout ˇ toho, aby nov´e pracoviˇstˇe bylo bl´ıˇz Zenevˇ e a to tak, ˇze pouˇzijeme metodu v´ aˇzen´eho tˇeˇziˇstˇe.
2.2
Metoda v´ aˇ zen´ eho tˇ eˇ ziˇ stˇ e
V metodˇe v´ aˇzen´eho tˇeˇziˇstˇe urˇc´ıme v´ahy takto: ˇ • Zeneva -5 • Praha - 1 • Mnichov - 1 • Terst - 1 • Paˇr´ıˇz - 1 2
Odtud: Pn xi qi 46.2 · 5 + 50.08 + 48.13 + 45.63 + 48.85 x ¯q = Pi=1 = = 47.38 n 5+2+1+1+1 i=1 qi Pn yi qi 6.15 · 5 + 14.42 + 11.57 + 13.8 + 2.35 y¯q = Pi=1 = = 8.73 n 5+2+1+1+1 i=1 qi Touto metodou dostaneme lokaci, k n´ıˇz je nejbliˇzˇs´ı vˇetˇs´ı mˇesto ˇsv´ ycarsk´ y ˇ ycarsko pro um´ıstˇen´ı nov´eho pracoviˇstˇe pˇr´ıliˇs lukrativn´ı Luzern. Aˇckoliv nen´ı Sv´ z d˚ uvodu vysok´e cenov´e hladiny v t´eto zemi, na druhou stranu by odpadly ˇ pˇr´ıpadn´e probl´emy pˇri pˇrevozu karet do Zenevy (clo apod.). Nyn´ı zkus´ıme odhadnout polohu nov´eho zaˇr´ızen´ı jin´ ym pˇr´ıstupem.
2.3
Pomoc´ı line´ arn´ıho programov´ an´ı
Budeme hledat souˇradnice nov´eho zaˇr´ızen´ı X = (x, y). Pro kaˇzd´e st´avaj´ıc´ı zaˇr´ızen´ı Pi urˇc´ıme u ´roveˇ n kooperace ni s nov´ ym zaˇr´ızen´ım. Zde zohledn´ıme to, ˇze v´ yvoj nov´eho syst´emu pro sbˇer dat prob´ıh´a pˇrev´aˇznˇe v Praze a v Mnichovˇe. Tyto u ´rovnˇe urˇc´ıme n´ asledovnˇe: ˇ • Zeneva -2 • Praha - 3 • Mnichov - 3 • Terst - 1 • Paˇr´ıˇz - 1 Obecnˇe budeme tedy minimalizovat u ´ˇcelovou funkci f (x, y) =
5 X
ni d(X, Pi ) → min
i=1
kde d(X, Pi ) je vzd´ alenost nov´eho zaˇr´ızen´ı od st´avaj´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı Pi . Pˇri rektangul´ arn´ı metrice dostaneme: f (x, y) =
5 X
ni (|x − xi | + |y − yi |) → min
i=1
Coˇz m˚ uˇzeme rozloˇzit na: f (x) =
5 X
ni |x − xi | → min
i=1
f (y) =
5 X
ni |y − yi | → min
i=1
Absolutn´ı hodnoty m˚ uˇzeme upravit: 3
f (x) =
5 X
− ni (dx+ i + dxi ) → min
i=1
x − xi =
dx+ i
− dx− i
i ∈ {1, 2, 3, 4, 5}
− dx+ i ≥ 0, dxi ≥ 0
f (y) =
5 X
i ∈ {1, 2, 3, 4, 5}
ni (dyi+ + dyi− ) → min
i=1
y − yi = dyi+
≥
dyi+
− dyi−
0, dyi−
i ∈ {1, 2, 3, 4, 5}
≥0
i ∈ {1, 2, 3, 4, 5}
Dost´ av´ ame tedy 2 u ´lohy line´ arn´ıho programov´an´ı: − + − + − + − + − f (x) = 2(dx+ 1 +dx1 )+3(dx2 +dx2 )+3(dx3 +dx3 )+(dx4 +dx4 )+(dx5 +dx5 ) → min
− x − 46.2 = dx+ 1 − dx1 − x − 50.08 = dx+ 2 − dx2 − x − 48.13 = dx+ 3 − dx3 − x − 45.63 = dx+ 4 − dx4 − x − 48.85 = dx+ 5 − dx5 − dx+ i ≥ 0, dxi ≥ 0
i ∈ {1, 2, 3, 4, 5}
ˇ sen´ım programem STORM dostaneme x = 48.13. Reˇ f (x) = 2(dy1+ +dy1− )+3(dy2+ +dy2− )+3(dy3+ +dy3− )+(dy4+ +dy4− )+(dy5+ +dy5− ) → min y − 6.15 = dy1+ − dy1− y − 14.42 = dy2+ − dy2− y − 11.57 = dy3+ − dy3− y − 13.8 = dy4+ − dy4− y − 2.35 = dy5+ − dy5− dyi+ ≥ 0, dyi− ≥ 0
i ∈ {1, 2, 3, 4, 5}
ˇ sen´ım programem STORM dostaneme y = 11.57. Reˇ Dost´ av´ ame tedy m´ısto se souˇradnicemi 48.13 N; 11.57 E, coˇz je Mnichov.
4
3
Nov´ e nebo st´ avaj´ıc´ı pracoviˇ stˇ e
Nyn´ı m˚ uˇzeme uvaˇzovat o tom, kam pracoviˇstˇe pro v´ yvoj FPGA karet um´ıstit. ˇ Bud’ m˚ uˇzeme pouˇz´ıt st´ avaj´ıc´ı pracoviˇstˇe a rozˇs´ıˇrit jej (Zeneva, Praha, Mnichov, Terst, Paˇr´ıˇz) nebo vytvoˇrit nov´e (Ravensburg, Luzern). Pracoviˇstˇe budeme hodnotit podle n´ asleduj´ıc´ıch krit´eri´ı: ´ ´ • Uroveˇ n st´ avaj´ıc´ıch zaˇr´ızen´ı (USZ) • Cenov´ a hladina v zemi (CH) • Prostˇred´ı pro vˇedeckou ˇcinnost (PV) • Celkov´ a vzd´ alenost od st´avaj´ıc´ıch zaˇr´ızen´ı (VZD) -
ˇ Zeneva
Praha
Mnichov
Terst
Paˇr´ıˇz
Raven.
Luzern
-
´ USZ CH PV VZD
10 135 10 2831
7 47 8 3149
8 98 6 2503
6 83 10 3205
6 94 7 3154
2 98 8 2560
2 135 8 2704
max min max min
Tabulka 1: Hodnoty jednotliv´ ych krit´eri´ı
-
ˇ Zeneva
Praha
Mnichov
Terst
Paˇr´ıˇz
Raven.
Luzern
´ USZ CH PV VZD
1 0 1 0.533
0.625 1 0.5 0.08
0.75 0.42 0 1
0.5 0.591 1 0
0.5 0.466 0.25 0.073
0 0.42 0.5 0.919
0 0 0.5 0.714
Tabulka 2: Normalizovan´e hodnoty jednotliv´ ych krit´eri´ı Hodnoty jednotliv´ ych vah krit´eri´ı urˇc´ıme pomoc´ı bodovac´ı metody. Krit. ´ USZ CH PV VZD
Body
V´aha
10 9 2 7
0.357 0.322 0.071 0.25
Tabulka 3: Odhad vah krit´eri´ı A urˇc´ıme hodnotu pro kaˇzd´e mˇesto: ˇ Zeneva z1 = 0.357 · 1 + 0.322 · 0 + 0.071 · 1 + 0.25 · 0.533 z1 = 0.561 Praha z2 = 0.357 · 0.625 + 0.322 · 1 + 0.071 · 0.5 + 0.25 · 0.08 5
z2 = 0.601 Mnichov z3 = 0.357 · 0.75 + 0.322 · 0.42 + 0.071 · 0 + 0.25 · 1 z3 = 0.653 Terst z4 = 0.357 · 0.5 + 0.322 · 0.591 + 0.071 · 1 + 0.25 · 0 z4 = 0.44 Paˇ r´ıˇ z z5 = 0.357 · 0.5 + 0.322 · 0.466 + 0.071 · 0.25 + 0.25 · 0.073 z5 = 0.365 Ravensburg z6 = 0.357 · 0 + 0.322 · 0.42 + 0.071 · 0.5 + 0.25 · 0.919 z6 = 0.4 Luzern z7 = 0.357 · 0 + 0.322 · 0 + 0.071 · 0.5 + 0.25 · 0.714 z7 = 0.214 Dle tohoto postupu je tedy ide´aln´ı varinatou rozˇs´ıˇren´ı pracoviˇstˇe v Mnichovˇe.
6
