SciFi meets GPU

Abstract

This thesis presents studies towards the LHCb detector upgrade for the LHC Run III. Mostly the entire detector is renewed to profit from the changed beam conditions. Two of the main changes are a fivefold instantaneous luminosity and a pure software trigger. Because of the higher luminosity, the track density is increased. Therefore, components with higher granularity are used, and one of them is the SciFi tracker. It is made of 250 μm thick scintillating fibres. The light output of this fibres decreases through radiation damages and natural material ageing. These effects are added to the detector simulation. Thereby the tracking efficiency of the SciFi is simulated for the entire planned lifetime. The first stage of the LHCb software trigger reduces the incoming data-rate of 40 Tbit s−1 by a factor of 40. The necessary computations are paralellisable, and for this reason, a GPU based implementation is suitable. A GPU version of the SciFi hit decoder was implemented during the baseline architecture change process from CPU to GPU. The LHCb detector has a diamond-sensor based safety system, which monitors the LHC beam. This system is renewed in parallel to the detector upgrade. Measurements towards the diamond sensor efficiency characterisation with a strontium source are presented.

Diese Arbeit präsentiert Studien bezüglich des LHCb Detektor upgrades für den LHC Run III. Fast der gesamte Detektor wird erneuert, um von den geänderten Strahlbedingungen zu profitieren. Zwei der Hauptänderungen sind die fünffache instantane Luminosität und der ausschließlich softwarebasierte trigger. Aufgrund der höheren Luminosität erhöht sich die Spurdichte. Deshalb werden Komponenten mit höheren Granularität verwendet wovon eine der SciFi tracker ist. Dieser besteht aus 250 μm dicken szintillierenden Fasern. Die Lichtausbeute der Fasern verringert sich durch Strahlenschäden und natürlicher Materialalterung. Diese Effekte wurden der Detektorsimulation hinzugefügt. Dadurch kann die Spurfindungseffizienz des SciFi trackers für die gesamte geplante Laufzeit simuliert werden. Die erste Stufe des LHCb Software triggers reduziert die Eingangsdatenrate von 40 Tbit s−1 um einen Faktor 40. Die notwendigen Berechnungen sind parallelisierbar und deshalb für eine GPU basierte Implementierung geeignet. Eine GPU Version des SciFi hit Dekodierers wurde, während des Prozesses zur Änderung der grundsätzlichen Architektur von CPU zu GPU, implementiert. Der LHCb Detektor verfügt über ein Diamantsensor basiertes Sicherheitssystem, welches den LHC Strahl überwacht. Dieses System wird parallel zum Detektor erneuert. Messungen bezüglich der Diamantsensor Effizienz Charakterisierung mittels einer Strontium Quelle werden vorgestellt.