Спец-ЭлектронКомплект

Ученые Томского государственного университета разрабатывают плату-концентратор данных для коллайдера NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility). Плата – один из элементов системы сбора и передачи информации, который обеспечит обработку больших данных в экспериментах. Исследования проводятся в рамках проекта, поддержанного мегагрантом правительства РФ. Опыт разработки подобных приборов находит применение и в прикладных проектах, например, при создании метрологических устройств спектрометрии для нефтегазовой промышленности.

Сверхпроводящий коллайдер NICA, построенный в Дубне на базе Объединенного института ядерных исследований, позволит изучать свойства сильно сжатой барионной материи. В экспериментах будет воссоздано состояние вещества, похожее на то, в котором находилась Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва, – так называемая кварк-глюонная плазма.

«В настоящее время большое количество научных групп работает над созданием оборудования для NICA, ведь это крупный международный проект, – рассказывает Владислав Борщь, научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ФФ ТГУ и руководитель группы разработки электроники. – Мы в этой цепочке отвечаем за разработку платы, которая будет одним из звеньев в цепочке передачи информации от места столкновения частиц до серверов обработки данных».

Сбор информации в коллайдере проходит несколько этапов. Сначала непосредственно вблизи от места столкновения частиц на уровне 0 (L0) аналоговые сигналы с датчиков фиксируют столкновения частиц. Затем на уровне L1 происходит первичная обработка данных, отсеивание нерелевантных событий и перевод в «цифру». После этого информация с L1 поступает на уровень L2, где обрабатывается и передается на сервер. Электроника этого уровня – концентратор данных L2 – является зоной ответственности ученых ТГУ.

До 2028 года, когда планируется начало экспериментов на коллайдере, необходимо завершить разработку электроники и программного обеспечения, играющего ключевую роль в сборе, преобразовании и передачи данных на сервер для анализа больших данных. Для реализации этой задачи используются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС, FPGA). Эти чипы позволяют выполнять огромное количество операций параллельно, обеспечивая невероятную скорость обработки информации.

«Такие чипы используются там, где необходима обработка больших объемов данных в реальном времени, – объясняет сотрудник лаборатории, студент физического факультета ТГУ Андрей Бернгардт. – При этом реализовывать на таких чипах сложные, ветвистые алгоритмы гораздо сложнее, чем на обычных процессорах. Задача ПЛИС – очень быстро провести огромное количество простых операций с числами и передать дальше. За это на техническом жаргоне такие устройства называют "бешеными числодробилками"».

Решением всех перечисленных задач занимается команда из четырех человек. Один конструирует электронику, двое разрабатывают программное обеспечения для ПЛИС, еще один занимается тестированием и верификацией того, что разработали предыдущие. Отладка работы чипа является гораздо более трудоемким процессом, нежели отладка обычного программного обеспечения.

«Ситуация уникальна тем, что три человека из этой команды – студенты. Это не просто учебная практика, а реальный проект, который станет частью международных экспериментов, – добавляет руководитель научной группы Владислав Борщь. – Для ребят это уникальная возможность поработать с современными технологиями. Знания и навыки, полученные в процессе работы, помогут им в будущем участвовать в других крупных научных проектах уровня мегасайенс, где потребуются специалисты в области цифровых схем. Именно такие навыки определяют будущее российских исследовательских проектов».

Важность этого процесса заключается еще и в том, что специалистов в области синтеза цифровых схем в России очень мало. Потребность в них в ближайшее время будет крайне острая, поскольку решать подобные задачи необходимо и для других установок уровня мегасайенс, которые строятся сейчас в России.

Источник