SVILUPPO E TEST DI UNA MEMORIA ASSOCIATIVA STANDARD CELL PER IL SILICON VERTEX TRACKER DELL ESPERIMENTO CDF

Il lavoro descritto in questa tesi si inquadra nello sviluppo e potenziamento del sistema di acquisizione dati SVT (Silicon Vertex Tracker) dell’esperimento CDF, situato al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) negli Stati Uniti, e condotto da una collaborazione internazionale di cui fa parte l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), presso cui è stata svolta questa tesi. L’esperimento CDF è un potente rivelatore di particelle che studia fenomeni legati alla fisica delle alte energie. Tali particelle vengono generate mediante la collisione di pacchetti di protoni e antiprotoni, che vengono accelerati all’interno del Tevtron di Fermilab, l’acceleratore che produce le collisioni a più alta energia disponibili oggi. I moderni rivelatori producono una grande quantità di dati che devono essere elaborati in tempo reale. Una delle maggiori difficolta che si incontra durante il processamento dei dati on-line, è rappresentata dal combinatorio, che è estremamente elevato. In CDF la soluzione di tale calcolo è stata affidata a processori dedicati come SVT, che rappresenta una parte fondamentale del sistema di ricostruzione delle tracce. Il lavoro descritto nei Capitoli seguenti riguarda la convalida del progetto di un nuovo chip di Memoria Associativa (AM), ovvero dell’elemento fondamentale del processore digitale SVT, specializzato nella complessa operazione di ‘pattern recognition’ in eventi (o immagini) che si susseguono ad altissimi rate (100 KHz) e dove si affollano migliaia di traiettorie, che intersecano i vari ‘strati’ (layer) che compongono il rivelatore stesso. Tutte le traiettorie interessanti per un particolare detector vengono memorizzate all’interno della AM, che poi estrae quelle che sono compatibili con i dati in ingresso. Una certa traiettoria è compatibile con un evento se tutti (o quasi tutti, in base alla configurazione imposta alla AM), i canali del detector, corrispondenti alla traiettoria, sono stati stimolati durante l’evento. E’ possibile pertanto sfruttare una struttura modulare, in cui ogni modulo contenga un ‘pattern’, che corrisponde ad una possibile traccia. Un pattern include sia la memoria necessaria per immagazzinare una singola traiettoria, sia la logica necessaria per confrontare le coordinate di tutti i canali del rivelatore, che sono stati stimolati dal passaggio delle particelle, con le coordinate associata alla traiettoria memorizzata. Ogni modulo deve ricevere in ingresso la configurazione completa di tutti i canali che sono stati stimolati per ogni evento. In questo modo tutte le possibili tracce (patterns) vengono confrontati in parallelo con l’evento medesimo. E’ importante sottolineare che per contenere le dimensioni della banca dei pattern ad una grandezza accettabile, la AM opera a una risoluzione più bassa rispetto a quella che il rivelatore permette. Ci&ograve viene realizzato utilizzando i ‘superbin’, che rappresentano l’OR logico di canali contigui. Nel proseguimento di questo lavoro chiameremo ‘hit’ gli indirizzi dei superbin di ogni layer, che sono stati stimolati durante l’evento, e chiameremo ‘road’ le traiettorie a bassa risoluzione (ogni road corrisponde ad un array che contiene un superbin per ogni layer del rivelatore). La complessità del problema risiede nelle dimensioni del database di riferimento che contiene alcuni milioni, ed in prospettiva alcune decine di milioni, di tracce, e nelle prestazioni richieste. E