Scien&fic  Instrumenta&on:    HEP  Opportunity  

Carlos  Maciel  USP-­‐SC  /  SPRACE  

SPRACE:  Hardware  and  HEP  Instrumenta&on  

•  Goal  –  To  start  a  long-­‐term  hardware  and  instrumenta&on  ac&vity  at  SPRACE.  

•  Why?  –  The  completeness  and  effec&veness  of  a  HEP  group  depends  on:  

q  Physics:  the  raison  d’être  of  the  group.  We  must  be  able  to  iden&fy  and  aMack  the  relevant  scien&fic  ques&ons.    

q  Compu&ng:  to  effec&vely  analyze  the  data  produced  at  the  experiment,  it  is  paramount  that  we  have  access  to  a  sufficient  amount  of  compu&ng  resources.  

q  Hardware  and  Instrumenta&on:  deepest  understanding  of  the  detector,  which  will  in  turn  lead  to  the  deepest  understanding  of  the  data.    

–  The  establishment  of  a  hardware  and  instrumenta&on  will:  q  Generate  exper&se  for  all  par&es  involved.  

q  Help  establish  and  strengthen  links  with  the  industry:  it  is  the  main  source  of  spinoffs  

31/08/13   HEP  Workshop   2  

SPRACE:  Hardware  and  HEP  Instrumenta&on  

•  How?  –  We  intend  to  adopt  a  similar  roadmap  to  the  one  used  our  

successful  involvement  on  grid  compu&ng  q  Iden&fy  partners  with  large  experience  in  instrumenta&on  and  a  great  

deal  of  enthusiasm  and  drive  q  Establish  interna&onal  partnerships  with  groups  that  have  an  extensive  

experience  and  reputa&on  in  HEP  instrumenta&on  q  Choose  an  ambi&ous,  and  at  the  same  &me  feasible,  project  that  fosters  

effec&ve  exchange  of  exper&se    q  Make  interna&onal  recruitment  to  hire  personnel  fully  dedicated  to  the  

project  (partners,  university  or  FAPESP  grants)  q  Maintain  a  long-­‐term  perspec&ve  on  the  training  of  human  resources  and  

infrastructure  deployment    q  Shared  the  acquired  knowledge  with  other  groups  and  research  areas  q  Extend  the  limits  of  ac&on  by  promo&ng  the  associa&on  of  the  university  

with    private  partners  genera&ng  spinoffs  and  (possibly)  patents.    

31/08/13   HEP  Workshop   3  

Outline  

•  Introduc&on  &  General  Aspects  •  HEP  Opportuni&es  •  Scien&fic  Instrumenta&on  •  HEP  Collabora&ons  •  Project  &  Team  Exper&se  •  Main  Impacts  –  Mee&ng  Industry  Demands  –  Technology  Transfer  

•  Final  Considera&ons  

 

31/08/13   HEP  Workshop   4  

Introduc&on  &  General  Aspects  

•  There  is  a  large  demand  for  electronics  exper&se  –  Brazilian  companies  have  specific  demands  in  different  areas:  

q  Space  &  Astronomy  q Medicine  q  Embedded  Systems  (Hardware  &  Soaware)  q  Defense  (Electronic  Warfare)  

•  Professionals  Training  is  a  very  important  issue  

31/08/13   HEP  Workshop   5  

HEP  Opportuni&es  

•  HEP  Instrumenta&on  –  Demands  for  

q  Algorithms  for  VHDL/FPGA  q  Specific  sub-­‐assemblies:    

o  Data  acquisi&on  o  High-­‐throughput  busses,  etc.  

q  ASIC’s  development  and  integra&on  q  Analog  and  Digital  circuits,  set-­‐to-­‐work  and  giga  tests,  etc.  

•  Important  impacts  for  Brazil    –  Professional  training  in  a  large  range  of  technologies    –  High  level  system  development  –  Management  with  exper&se  in  large  collabora&ons    

31/08/13   HEP  Workshop   6  

Scien&fic  Instrumenta&on  

•  Front-­‐end  electronics:  general  paMern  –  Sensor  à  [pre-­‐condi&on]  à  AD  à  DSP  à  Comm.  Bus  à  data  

 •  Key  differences  –  Bandwidth  /  throughput  rate  –  Level  of  integra&on    

q  Embedding  –  Sensor  dimensions  and  mul&plicity  

q  From  few  elements  to  millions      

•  Examples  –  3D  Radars                                        à    Defense    –  Medical  Imaging        à    New  technological  demand  

31/08/13   HEP  Workshop   7  

Scien&fic  Instrumenta&on  

31/08/13   HEP  Workshop   8  

•  Pixel  Detector  –  Element  dimension:  

q  100  X  150  µm2  

–  Mul&plicity:  q  65  millions  of  pixels  

–  Front  End  Driver  (FED):  36  input  op&cal  links  

HEP  Collabora&ons  

•  Very  large  number  of  people    –  Decisions  by  high-­‐level  commiMees    –  Project  blueprint  followed  by  the  whole  collabora&on  –  Collabora&on  work:  essen&al  par&cipa&on  in  mee&ngs  

q  On  site  and  remote  

•  LHC  Upgrade  –  High  Luminosity  LHC    –  Main  challenges  

q  High  event  rates  q  High  mul&plicity  of  sensors  q  New  AD  specifica&ons  

–  Data  bus  with  high  throughput  capability  

31/08/13   HEP  Workshop   9  

•  The  overall  acquisi&on  system  will  be  flooded  with  data    –  False  alarm  rate  is  inversely  propor&onal  to  the  bandwidth  –  New  trigger  strategy    

q  Selec&ve  extrac&on  of  rare  signals  

–  It  is  not  a  regular  filtering  process  q  Based  on  Time–Geometrical  constraints  q  Very  fast  DSP  algorithms  and  FPGA  integra&on  q  Embedded  architecture  with  parallel  processes  and  low  power      

•    New  approaches    –  Handling  of  large  amount  of  data  and  fast  communica&on  

31/08/13   HEP  Workshop   10  

Project  and  Team  Exper&se  

•  Roadmap  for  exper&se  –  Modus  operandi  

q  Team  of  engineers  and  physicists  working  together  on  challenging  problems  

–  Partnership  q  University  Paris-­‐7/CNRS  with  Prof.  Aurore  Savoy-­‐Navarro  

–  Scope  choice:  DSP  and  communica&on  blocks  of  the  pixel  front-­‐end  q  Based  on  the  local  exper&se  and  interna&onal  collaborators    

–  Project  choice:  Level  1  Trigger  for  the  pixel  detector  

•  Specific  responsibili&es  –  Physicists:  overall  system  performance  studies  –  Engineering:  VHDL/FPGA  algorithm  implementa&on    –  Possible  developments  on  other  subassemblies  

q  Sensors,  power  supply,  etc.  

31/08/13   HEP  Workshop   11  

Project  &  Team  Exper&se  

•  Ini&al  challenges  –  Team-­‐building  with  common  knowledge  of  Physics  and  

Engineering  q  Adop&on  of  common  language  in  problem  descrip&on  q  Establishment  of  work  methodologies  

–  Large  team  dispersed  geographically    q  This  logis&c  is  not  easy  nor  simple!  

•  Other  problems  (to  keep  in  mind)  –  Radia&on  hard  electronics  with  off-­‐the-­‐shelf  components  –  Exper&se  on  mul&-­‐layer  high  speed  PCB  

 31/08/13   HEP  Workshop   12  

PixTracker  Algorithm  

31/08/13   HEP  Workshop   13  

Workforce:  Engineering    

•  Prof.  Carlos  Maciel  -­‐  USP  –  10  years  working  in  Defense:  analog  and  digital  system  development    –  14  years  working  with    DSP/VHDL/FPGA      –  1  graduate  and  3  interns  working  in  the  project  

•  Prof.  Ailton  Shinoda  -­‐  UNESP  –  10  years  working  in  CPqD  in  wireless  communica&on    –  14  years  working  with  DSP/VHDL/FPGA    –  1  graduate  and  2  interns  working  in  this  project  

•  Prof.  Nobuo  Oki  -­‐  UNESP  –  Exper&se  on  design  of  analog  system,  CMOS  –  He  will  start  a  leave  of  absence  at  Brookhaven  Na&onal  Laboratory  –  He  is  star&ng  to  work  with  radia&on  tolerance  of  par&cle  detectors  

•  Other  members    –  Exper&se  on  Power  Electronics,  Control  and  Mechanical  Engineering  

(Heat  Transfer)  

31/08/13   HEP  Workshop   14  

Workforce:  Physics  

•  Thiago  Tomei  (Postdoc  à  Researcher)  –  Unpacking  of  the  pixel  detector  data  

•  José  Ruiz  (FAPESP  Ph.D.  student)  –  Development  of  L1  Trigger  algorithms    

•  Angelo  Santos  (Postdoc)  –  Monte  Carlo  simula&on  

•  Training  already  started  –  Par&cipa&on    in  the  “First    Interna&onal  Summer  School  on  

Intelligent  FrontEnd  Signal  Processing  for  Fron&er  Exploita&on  in  Research  and  Industry”    q  University  of  Oxford,  UK,  July  10th-­‐16th,  2013    q  Supported  by  the  INFIERI  EU  program  

31/08/13   HEP  Workshop   15  

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”

NÚCLEO DE COMPUTAÇÃO CIENTÍFICA - NCC

Núcleo de Computação Científica - NCC Rua Dr. Bento Teobaldo Ferraz, 271 - Bloco II - Barra Funda CEP. 01.140-070, São Paulo - Estado de São Paulo - Brasil Fone: +55 11 3393-7780 - E-mail: grid@ncc.unesp.br

CONVÊNIO QUE ENTRE SI CELEBRAM A UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” (UNESP) POR MEIO DO NÚCLEO DE COMPUTAÇÃO CIENTÍFICA (NCC) E A PADTEC S/A COM INTERVENIÊNCIA ADMINISTRATIVA DA FUNDAÇÃO PARA O DESENVOLVIMENTO DA UNESP (FUNDUNESP).

Pelo presente instrumento, a UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”, autarquia estadual de regime especial, criada pela Lei nº 952 de 30.01.1976, com sede na Rua Quirino de Andrade, nº 215, Centro, CEP 01049-010, São Paulo-SP, inscrita no CNPJ do MF sob nº 48.031.918/0001-24, doravante designada UNESP, neste ato, representada por seu Magnífico Reitor, nos termos do Artigo 34, inciso I, de seu Estatuto, JULIO CEZAR DURIGAN e a PADTEC S/A, com sede na Rodovia Campinas Mogi-Mirim km 118,5, Prédio L2, na cidade de Campinas, Estado de São Paulo, inscrita no CNPJ/MF sob o nº 03.549.807/0001-76, neste ato representada por seu Presidente, JORGE SALOMÃO PEREIRA e por seu Diretor de Tecnologia, ROBERTO YOSHIHIRO NAKAMURA, doravante designada PADTEC e a FUNDAÇÃO PARA O DESENVOLVIMENTO DA UNESP, pessoa jurídica de direito privado, devidamente inscrita no CNPJ/MF sob o nº 57.394.652/0001-75, com sede na Avenida Rio Branco, 1.210, Campos Elíseos, São Paulo-SP, CEP 01206-001, doravante designada simplesmente INTERVENIENTE ADMINISTRATIVA, neste ato representada por seu Diretor Presidente, nos termos do art. 32, inciso II, de seu Estatuto, EDIVALDO DOMINGUES VELINI, e CONSIDERANDO que à FUNDUNESP cabe, dentre as suas atividades o apoio e o desenvolvimento das atividades da UNESP, na realização direta, constante e ativa da pesquisa, do ensino, da extensão universitária, do desenvolvimento institucional e da prestação de serviços à comunidade, por força do artigo 3° do seu Estatuto; CONSIDERANDO ainda, o disposto na Lei nº 10.973/2004 (Lei de Inovação), no Decreto nº 5.563/2005, na Lei Complementar (SP) nº 1.049/2008 (Lei Paulista de Inovação) e no Decreto (SP) nº 54.690/2009; têm entre si justo e acertado o presente Convênio, regido pelas seguintes cláusulas e condições. CLÁUSULA PRIMEIRA – DO OBJETO

O presente Convênio tem por finalidade estabelecer e regulamentar um

programa de cooperação entre a UNESP e Padtec, nas áreas de atuação e interesse comuns. O programa de cooperação aqui estabelecido e regulamentado será tão amplo

quanto for necessário ou desejável, incluindo a realização de estudos e pesquisas, consultorias, conferências, publicações, ministração de cursos e programas de capacitação, realização de estágios e quaisquer outras atividades julgadas de interesse ou de conveniência pelos partícipes.

Nas atividades relacionadas com os Cursos de Pós-Graduação (stricto sensu)

deverá ser observada a legislação vigente na UNESP.

Agreements  with  Padtec  S/A  

31/08/13   HEP  Workshop   16  

•  SPRACE  is  a  strategic  partner  of  Padtec  S/A  

•  A  formal  agreement  is  already  signed  with  Padtec  

•  The  agreement  envisages  the  hiring  of  personnel  to  work  in  the  instrumenta&on  project  –  2  Senior  Posi&on  (~  Postdoc)  –  2  Junior  Posi&on  (~  Ph.D.  Student)  

q  Interna&onal  call  for  candidates  q  Engineers  or  Instrumenta&on  

experts  q  First  call  to  be  announced    soon  

Impact:  Technology  Transfer  

•  Technology  –  Design,  development  and  deployment  of  a  sophis&cated  par&cle  

accelerator  and  par&cle  detectors    –  Coordina&on  and  integrated  work  of  several  areas  of  exper&se  

q  Electronics  q  Mechanical  engineering  q  Materials  science  q  Radia&on  detec&on  q  High  performance  compu&ng  q  Op&cal  networks.    

–  HEP  instrumenta&ons  can  easily  be  employed  in  other  sectors    q  Medical  Imaging  –  MRI,  PET  and  others  q  Defense  –  Radar,  Electronic  Warfare,  etc.  

31/08/13   HEP  Workshop   17  

Impact:  Mee&ng  Industry  Demands  

•  Padtec    –  High  throughput  data  transmiMers  and  busses  and    

overall  op&cal  system  developments  

•  Many  medical  and  Defense  Companies      –  Embedded  high  performance  DSP  and  data  acquisi&on  systems  

•  Texas  Instruments    –  Local  companies  to  use  high  performance  electronics  

•  Companies  in  general  –  Engineers  with  higher  skills  in  

q  Electronics    q  System  performance  and  specifica&on  

31/08/13   HEP  Workshop   18  

Final  Considera&ons  

•  Our  goal  is  NOT  just  to  work  in  a  single  project  providing  a  cheap  work  force  to  help  a  HEP  Collabora&on  to  deploy  its  upgrade  

•  Our  goals  are  to:  –  Create  a  long-­‐las&ng  team/facility  to  work  in  state-­‐of-­‐the  art  

instrumenta&on  –  Generate  new  exper&se  in  the  area    –  Induce  research  in  the  border  of  the  academic  and  private  sectors  –  Share  the  acquired  exper&se  with  other  scien&fic  and  industrial  areas  –  Effec&vely  make  technology  transfer  from  the  HEP  community  or  vice-­‐

versa  

•  And  last  but  not  least  –  Assume  responsibility  for  other  challenging  HEP  instrumenta&on  projects  

31/08/13   HEP  Workshop   19  

       

SPRACE  was  able  to  induce  a  major  step  forward  in  HPC  at  São  Paulo    

 We  intend  to  have  a  similar  impact  on  the  area  

of  scien&fic  instrumenta&on    in  the  next  five  years.