Der ATLAS LVL2-Trigger mit FPGA-Prozessoren : Entwicklung, Aufbau und Funktionsnachweis des hybriden FPGA/CPU-basierten Prozessorsystems ATLANTIS
Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung des hybriden FPGA/CPU-basierten Prozessorsystems ATLANTIS als Triggerprozessor für das geplante ATLAS-Experiment am CERN. Auf der Basis von CompactPCI wird eine enge Verknüpfung zwischen einem Multi-FPGA-System und einer Standard-CPU umgesetzt. Das System ist in der Rechenleistung skalierbar und flexibel nutzbar. Dies wird durch die Aufteilung in spezifische FPGA-Boards für die Algorithmenausführung und I/O-Funktionalität und durch einen integrierten Privat-Bus erreicht. Die Untersuchungen mit dem ATLANTIS-System beziehen sich auf zwei Kernstellen der 2. Triggerstufe (LVL2). Zum einen soll die Ausführung zeitkritischer B-Physik-Triggeralgorithmen beschleunigt werden. Der im Rahmen dieser Arbeit als Funktionsnachweis durchgeführte Benchmark des Full-Scan-TRT-Algorithmus hat gezeigt, daß die Ausführung gegenüber einer Standard-CPU um einen Faktor 5.6 beschleunigt werden kann. Als zweite ATLAS-Anwendung werden mit dem ATLANTIS-System Studien zu den Readout-Systemen durchgeführt. Für Untersuchungen im LVL2-Prototypensystem ist eine dauerhafte Installation des ATLANTIS-Systems am CERN vorgesehen. Der universelle Charakter von ATLANTIS zeigt sich in weiteren Anwendungen, die für das System entwickelt werden und deren Umsetzung im Rahmen dieser Arbeit unterstützt wurde: Das sind Triggeraufgaben bei Experimenten an der GSI/Darmstadt, die beschleunigte Ausführung von 2D/3D-Bildverarbeitungsanwendungen und die Simulation von N-Körper-Systemen in der Astrophysik. Die Anwendungsentwicklung kann mit der standardisierten Hardwarebeschreibungssprache VHDL durchgeführt werden. Alternativ dazu kann die in Mannheim entwickelte Sprache CHDL benutzt werden. Die Entwicklungs-Tools werden durch das ATLANTIS-Betriebssystem ergänzt.
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