Development and Deployment of Continuous Data Acquisition System Realizing ALICE GEM-TPC

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H00165
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Nagasaki Institute of Applied Science
• Principal Investigator: Oyama Ken 長崎総合科学大学, 工学研究科, 教授 (10749047)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長名 保範 熊本大学, 半導体・デジタル研究教育機構, 准教授 (00532657) ; 郡司 卓 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (10451832)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 高エネルギー原子核衝突 / 粒子検出器 / データ収集系 / FPGAアクセラレーション / ビッグデータ / ALICE / QGP / LHC

Outline of Final Research Achievements

To realize a continuous readout GEM-TPC, which is a key device for the RUN-3 of the upgraded ALICE experiment at CERN-LHC, we developed basic technologies for online analysis and compression of data, at total throughput of 3.5 TB/s from the detectors, using a large-scale FPGA. Various digital filters such as a common mode filter were implemented, deployed in the ALICE experiment, and used to collect collision data after commissioning. In addition, we introduced high-level synthesis techniques and attempted high-density implementation of further complex TPC clustering algorithm on next-generation FPGAs. Finally, we discussed the implementation of a low-latency triggering system using FPGA for FoCal which is a next generation detector of ALICE.

Free Research Field

実験原子核物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ALICEのGEMを用いた連続読み出し型大規模TPCは世界初の試みであり、本研究はその大容量データの読み出しをFPGAアクセラレーション技術により大規模並列に展開し、実現させた例である。さらに、従来はFPGAに搭載が困難だった複雑なクラスタリング・アルゴリズムを高位合成によって記述し、最近急速に発展しているFPGAに高密度実装する技術は、今後の大型化・複雑化する先端物理実験をはじめ、多くのデータ収集アプリケーションにとって重要且つ必用不可欠なものとなると考えられる。