• GPU
• VHDL
• High Energy Physics
• FPGA
• Fully Digital
• Embedded System
• Data Acquisition
• Trigger

The work reported in this thesis has been performed within the project “Experiment
to detect KL Very Rare decays” (KLEVER). KLEVER aims at using
powerful programmable systems in the first stages of the data collection and
selection process in particle experiments at accelerators, i.e. the use of hardware processors
based on Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) and Graphic Processing
Units GPUs. The FPGAs are placed at the front-end stage of detectors, immediately
after digitization, thus allowing data processing at an earlier stage of the acquisition
and trigger chain. We aim also to exploit the use of highly parallelized processors, the
GPUs, in order to process data at early selection stages. In recent years GPUs were increasingly
used to build high-performing computing systems at reasonable prices, but
the growth of their computing power and the reduction of their intrinsic latency is such
that they are nowadays suited for real-time application. Both these possibilities entail
an effort of integration and adaptation, as these systems were developed for totally different
purposes, such as the automotive and the video-games market. In particular the
intention is to probe the performances of FPGAs and GPUs processors by building a
system acting as an easily updatable test bench of the attainable collection and selection
capabilities of large amounts of data. This will allow to evaluate the present technological
limits, which in turn represent the most important bottleneck for a high-precision
physics experiment studying ultra-rare decays.
My work was focused on the development of the Trigger and Data Acquisition System
for the experiment NA62. The NA62 experiment is placed in the CERN North Area
in the Super Proton Synchrotron accelerator extraction site and it aims at measuring the
Branching Ratio of the ultra-rare decay in order to provide a stringent
test of the Standard Model. Since the value predicted by the Standard Model is very
precise, the measurement of this quantity represents an excellent way to investigate the
existence of New Physics, or in case of agreement with the Standard Model(SM) to
improve the current knowledge of the |Vtd| parameter of the CKM matrix. The use of
a high-rate kaon beam will result in an event rate of about 15 MHz, so high that it is
impossible to store data on disk without a very selective reduction. The experiment use
devised three trigger levels, allowing to reduce the data rate fed to the readout PC farm down to 10 kHz.
High Energy Physics environment, the historical approach to Trigger and data Ac-
Quisition (TDAQ) system, the state of the art and the integrated fully-digital system
approach proposed in this thesis work are described in chapter 1.
In chapter 2 the NA62 experimental setup is described, composed of an upstream
part, with detectors used to identify and measure the propriety of the K+ inside the
beam, and a downstream part where the decay products are detected.
The first part of this work concerns the hardware and firmware development of the
common trigger and data acquisition system for the majority of detectors in NA62.
The unified trigger and data acquisition system, where the trigger is integrated inside
the DAQ, and allowing a good control of the trigger using the same data available at
readout, and a excellent flexibility, is presented in chapter 3.
The second part of the work describes the NA62 L0 standard trigger and the studies
performed for a L0 trigger based on GPU. The L0 hardware trigger is described in
chapter 4 and the attention is focused on the trigger firmware developed for the RICH
detector. The use of GPU in high energy physics, the NA62 GPU trigger and the GPURICH
firmware are described in chapter 5.

Il lavoro riportato in questa tesi è stata eseguito nell’ambito del progetto "Experiment
to detect KL Very Rare decays "(KLEVER).Obiettivo di KLEVER sono lo
studio e la realizzazione di sistemi integrati per l’elaborazione dei dati acquisiti da
esperimenti di fisica delle alte energie, basati su processori massicciamente paralleli;
KLEVER si propone di esplorare le possibilita‘ attuali offerte dai processori implementabili
in FPGA e dai processori grafici (GPU). Le FPGA sono posizionate vicino
ai front end dei rivelatori e ricevono quindi i dati digitalizzati da usare nella selezione
degli eventi gia’ negli stadi piu’ a monte della catena di acquisizione. Le GPU sono
processori molto avanzati utilizzati nelle schede grafiche ed negli ultimi anni vengono
utilizzati in modo sempre piu’ massiccio anche per realizzare sistemi di calcolo di grande
potenza a costi contenuti. La crescita continua della loro potenza e la diminuzione
dei tempi di latenza permette oggi di considerare tali processori anche per possibili
applicazioni in tempo reale negli esperimenti di Fisica delle particelle agli acceleratori.
Entrambe queste possibilità comportano uno sforzo di integrazione e adattamento,
in quanto questi sistemi sono stati sviluppati per impieghi totalmente diversi, come ad
esempio nell’industria automobilistica e nel mercato videogiochi. In particolare si intende
sondare le prestazioni dei processori FPGA e GPU costruendo un sistema che
agisca come un banco di prova facilmente aggiornabile delle capacità di raccolta e selezione
raggiungibili di grandi quantità di dati. Ciò consentirà di impostare gli attuali
limiti tecnologici, che a loro volta rappresentano più importante collo di bottiglia per
un esperimento di fisica ad alta precisione determinato a studiare decadimenti ultra rari.
Il mio lavoro si è concentrato sullo sviluppo del trigger e del sistema di acquisizione
dati per l’esperimento NA62. L’esperimento NA62 è collocato nella North Area del
CERN sul sito di estrazione dell’acceleratore Super Proton Synchroton e ha lo scopo
di misurare il Branching Ratio del decadimento ultra raro per fornire una
prova rigorosa del Modello standard. Dal momento che il valore previsto dal modello
standard è molto preciso, la misura di questa quantità rappresenta un ottimo modo per
indagare l’esistenza di nuova fisica, o in caso di accordo con il Modello Standard (SM)
per migliorare le attuali conoscenze del parametro |Vtd| della matrice CKM. L’uso di un
fascio ad alta intensità si traduce in un rate di eventi di circa 15 MHz, valore talmente elevato che rende impossibile la memorizzazione dei dati su disco senza una riduzione
molto selettiva. Tre livelli di trigger sono stati realizzati in modo tale da ridurre a 10
KHz il rate di dati da inviare alla PC farm.
Una introduzione sul mondo della fisica delle alte energie, un cenno a come si sono
evoluti i sistemi di trigger e acquisizione dati, una panoramica sullo stato dell’arte e una
introduzione al sistema integrato di trigger e acquisizione dati completamente digitale
proposto sono descritti nel capitolo 1.
Nel capitolo 2 viene descritto l’apparato sperimentale di NA62, composto da una
parte a monte per la identificazione e la misura del K+ nel fascio e una parte a valle
dove vengono identificati i prodotti del decadimento.
La prima parte del mio lavoro riguarda il progetto e la realizzazione dell’ hardware
del sistema di trigger e acquisizione dati comune per la maggior parte dei rivelatori in
NA62 e lo sviluppo del firmware ad esso associato. Il sistema integrato di trigger e
acquisizione dati , in cui il trigger può utilizzare tutti i dati digitalizzati, è presentato
nel capitolo 3.
La seconda parte del mio lavoro descrive il trigger standard di Livello 0 (L0) di NA62
e gli studi eseguiti per realizzare un trigger innovativo di livello 0 basato sulle GPU. Il
trigger standard L0 è descritto nel capitolo 4. Nello stesso capitolo viene descritto
ampiamente il firmware di trigger sviluppato per il rivelatore RICH. L’utilizzo delle
GPU in fisica delle alte energie, il trigger basato sulle GPU in NA62 e il firmware
GPU-RICH sono descritti nel capitolo 5 .