First digital implementation of the artificial retina algorithm

This thesis describes the implementation of a new approach for fast track reconstruction in particle physics experiments based on the “artificial retina” algorithm. The working principle of retina is inspired by the processing of visual images by the human brain. The implementation of the algorithm has been developed for FPGA devices and consists of three main modules: a switch for the distribution of detector hits, a set of engines for the processing of the hits and a stage for the reconstruction of track parameters through interpolation. In order to validate the proposed implementation an extensive simulation activity has been carried out. It was proven that this system can work in real-time with sub-microsecond latency. The first target system which exploited the proposed implementation is a cosmic ray telescope based on single-face silicon strip detectors developed in collaboration with Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) – Sezione di Milano. Both telescope readout and real time reconstruction of particle tracks is carried out by 4 custom DAQ boards realized inside this same project.

Il presente lavoro di tesi descrive l’implementazione hardware di un nuovo algoritmo chiamato “retina artificiale” per la ricostruzione di tracce ad elevatissima efficienza nell’ambito di esperimenti di fisica delle particelle. Il principio di funzionamento trae ispirazione dal meccanismo di rilevazione di immagini tipico del cervello umano. L’implementazione dell’algoritmo è stata realizzata su dispositivi FPGA ed è composta principalmente da tre blocchi: uno “switch” che distribuisce le hit dei rivelatori, un insieme di “engine” che elaborano le hit e un ultimo stadio che ricostruisce i parametri delle tracce tramite un meccanismo di interpolazione. Un’estesa attività di simulazione è stata svolta per poter verificare il corretto funzionamento dell’implementazione proposta. È stato inoltre dimostrato che il sistema può lavorare in tempo reale offrendo una latenza inferiore al microsecondo. Il primo sistema che sfrutta l’implementazione realizzata è un telescopio per raggi cosmici basato su rivelatori a silicio a singola faccia sviluppato in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) – Sezione di Milano. Sia la lettura del telescopio che la ricostruzione delle tracce di particelle in tempo reale sono affidate a 4 schede di acquisizione dati realizzate nell’ambito di questo medesimo progetto.