PXD硅像素探测器高速数据处理系统关键技术的研究

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SuperKEKB是日本KEKB的升级改造工程,它是一个不对称能量的双环正负电子对撞机,正负电子能量分别在4 GeV和7 GeV,设计亮度8×1035 cm-2 s-1。BelleⅡ是将运行在SuperKEKB上的探测器,也是原Belle探测器的升级,它由束流管,硅像素探测器(PXD)、顶点探测器(SVD)、中央漂移室(CDC)、粒子鉴别探测器(PID)、电磁量能器(ECL)以及KL0粒子和μ粒子探测器(KLM)等探测器组成。  PXD探测器是升级改造工程中增加的新型探测器,位于BelleⅡ的最内层,产生的数据量巨大,常规的数据读出系统根本不能满足BelleⅡ后端读出的要求。需要具有高带宽(6Gbps高速数据传输及输入输出)、大缓存(180GB数据缓存)、大压缩比和实时处理的数据处理系统,能够在事例数据合并打包前最大限度的压缩数据并保留有效事例。  本论文研究内容针对PXD数据处理系统课题需求,进行相关关键技术的研究,包括:1.采用高速串行的模式完成数据的收发、共享,系统吞吐量研究,达到了约350Gbps量级;2.采用板上独立DDR提供5秒数据的存储;3.引入xTCA新标准进行新的架构研究,系统计算节点采用子母板的结构和智能管理模块,实现了现场可替换单元的理念。4.PXD探测器数据减低研究,采用FPGA作为计算芯片实现数据的快速并行计算;算法依据紧邻其外的SVD探测器探测提供的粒子的径迹位置来确定PXD有效像素位置,仅保存周围的数据,尽量多地去除本底、噪声等无用数据。  论文详细分析PXD探测器的读出数据量,介绍PXD探测器的数据获取系统结构;重点介绍基于xTCA新标准的计算节点的设计架构,实现方案以及计算节点的性能测试。在论文最后介绍ZDD亮度读出的实现,作为计算节点数据处理架构的工程性的验证。  
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