Emerging Technologies and Development Methodologies for High-Throughput Data Acquisition Systems

par Alberto PERRO (CERN)

jeudi 3 juil. 2025, 14:00 → 17:00 Europe/Paris

Amphitéâtre (CPPM)

Composition du jury :

Nom	Affiliation	Rôle
Mossadek TALBY	CPPM, Aix-Marseille Université	Président du jury
Renaud LE GAC	CPPM, Aix-Marseille Université	Directeur de thèse
Olivier LEROY	CPPM, Aix-Marseille Université	Co-directeur de thèse
Pascal VINCENT	LPNHE, Sorbonne Université	Rapporteur
Cynthia HADJIDAKIS	IJCLab, Université Paris-Saclay	Rapporteure
Vincent TISSERAND	LPCA, Université Clermont Auvergne	Examinateur
Paolo DURANTE	CERN	Membre invité

 

Résumé :

Les expériences de physique des hautes énergies dépendent fortement des systèmes d'acquisition de données basés sur FPGA pour gérer les énormes volumes de données produits par les détecteurs de particules. Avec la mise à niveau du complexe accélérateur du CERN, des expériences comme LHCb doivent gérer un debit de données plus élevé, ce qui nécessite le développement de systèmes d'acquisition avancés basés sur FPGA. Pour répondre à ces exigences, des méthodologies plus efficaces sont nécessaires afin de rationaliser le développement tout en garantissant la fiabilité du système.

La présente thèse explore des approches modernes pour améliorer le développement du gateware FPGA, en mettant l'accent sur la conception basée sur la vérification et les solutions open source. Des cadres de vérification fonctionnelle tels que UVVM, OSVVM et VUnit ont été évalués et mis en œuvre pour automatiser les tests, améliorer la couverture et créer des environnements de vérification robustes. Des techniques de vérification formelle ont été appliquées aux composants critiques, démontrant leur capacité à détecter les erreurs de conception dès les premières étapes et à réduire considérablement le temps de mise au point.

Une contribution majeure de cette recherche est le développement de la bibliothèque colibri, une collection open source et indépendante du fournisseur de composants FPGA. En standardisant les fonctionnalités couramment utilisées, colibri améliore la portabilité entre différentes plateformes matérielles et simplifie l'intégration. La bibliothèque a été appliquée avec succès à divers projets, notamment un système de lecture haute vitesse basé sur Ethernet pour l’acquisition de données des détecteurs.

La synthèse de haut niveau a également été explorée comme moyen de simplifier le développement FPGA en permettant l’écriture de conceptions en C++ au lieu des langages de description matérielle traditionnels. Bien que cette approche ait montré un potentiel pour accélérer les algorithmes de déclenchement et de reconstruction, les outils actuels de synthèse de haut niveau posent encore des défis en matière de performance et de fiabilité pour les applications à grande échelle.

Les résultats de cette étude mettent en évidence les avantages des méthodologies open source, des stratégies de vérification structurées et des bibliothèques de composants réutilisables dans le développement des systèmes de lecture basés sur FPGA pour les expériences de physique des hautes énergies. Ces travaux contribueront à guider la conception des futurs systèmes d'acquisition de données pour LHCb.

Abstract :

High Energy Physics experiments depend heavily on FPGA-based data acquisition systems to manage the massive data volumes produced by particle detectors. With CERN upgrading its accelerator complex, experiments such as LHCb must handle higher throughput, necessitating the development of advanced FPGA-based readout systems. To meet these demands, more efficient design methodologies are required to streamline development while maintaining system reliability.

This work explores modern approaches to improving FPGA gateware development, focusing on verification-driven design and open-source solutions. Functional verification frameworks such as UVVM, OSVVM, and VUnit were evaluated and implemented to automate testing, improve test coverage, and create robust verification environments. Formal verification techniques were applied to critical components, demonstrating their ability to detect design flaws early and significantly reduce debugging time. 

A major contribution of this research is the development of the colibri library, an open-source, vendor-independent collection of reusable FPGA components. By standardizing commonly used functionalities, colibri improves portability across different hardware platforms and simplifies integration. The library was successfully applied in various projects, including a high-speed Ethernet-based readout system for detector data acquisition.

High-level synthesis was also explored as a means to simplify FPGA development by allowing designs to be written in C++ instead of traditional hardware description languages. While this approach showed potential for accelerating trigger and reconstruction algorithms, current high-level synthesis tools still present challenges in achieving the performance and reliability required for large-scale applications.

The findings of this work highlight the benefits of open-source methodologies, structured verification strategies, and reusable component libraries in the development of FPGA-based readout systems for high-energy physics experiments. 
These results will help guide the design of next-generation data acquisition systems at LHCb. 

 

Lien Zoom :
https://univ-amu-fr.zoom.us/j/91445435788?pwd=ZTgSRtTU7McQasv56oCXlouoLbWXz4.1