Development of an Event Builder software based on InfiniBand network for the LHCb experiment

LHCb è uno dei quattro esperimenti principali, attualmente in funzione, presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN. I suoi obiettivi sono quelli di eseguire misure precise dei parametri della violazione di CP e di studiare decadimenti rari degli adroni contenenti i quark b e c.  L’esperimento LHCb subirà un importante aggiornamento durante il secondo spegnimento di LHC (2018-2019), da realizzare con l'obiettivo di acquisire una quantità di dati un'ordine di grandezza superiore rispetto alle possibilità del presente rivelatore. L'aggiornamento del detector prevede la realizzazione di un trigger completamente software, che permette di acquisire dati alla frequenza di bunch crossing di 40 MHz senza limitazioni. A tale scopo è stata progettata una nuova scheda di acquisizione, ad alte prestazioni, basata sullo standard PCIe-3. Questa scheda permetterà la costruzione di un sistema di acquisizione efficiente, ed economicamente vantaggioso, utilizzando tecnologie di rete ad alte prestazioni. Lo scopo di questa tesi è lo studio, la progettazione e l'implementazione del software impiegato per 'Event Builder del futuro rivelatore di  LHCb. L'Event Builder sarà costituito da circa 500 nodi di calcolo, ciascuno dei quali eseguirà due funzioni logiche distinte: la Readout Unit (RU) e la Builder Unit (BU). Ciascuna RU, a partire dai dati provenienti dal detector, creerà un frammento di evento e lo spedirà ad una specifica BU in un modello "molti a uno”.  Ciascuna BU ha la funzione di riaggregare i frammenti per creare gli eventi completi. Gli eventi completi sono spediti al sistema di trigger software per successive elaborazioni. Attualmente la rete InfiniBand è la tecnologia di connessione più utilizzata nei supercalcolatori e fornisce le prestazioni migliori tra le tecnologie basate su standard aperti. Per queste ragioni ho scelto InfiniBand come tecnologia di rete per l'implementazione di questo Event Builder. Per prima cosa ho sviluppato il Communication Layer, un software per il trasferimento dati tra differenti nodi utilizzando i "verbi" di InfiniBand (una libreria che offre delle API che permettono di sfruttare le capacità RDMA della scheda). Sopra al Communication Layer ho creato il Logic Layer dell'Event Builder, un software che simula la logica dell'event-building in maniera realistica. Questo software implementa un approccio "push" con regole di spedizione dedicate, in modo tale da minimizzare il rischio di congestione del traffico. Ho inoltre evitato l'utilizzo di un supervisore centrale, preferendo una strategia predefinita di scheduling. L'Event Builder è stato testato in differenti centri di calcolo in modo tale da provare le prestazioni e la scalabilità del software. Infine, ho effettuato studi preliminari sulla possibilità di utilizzare architetture a basso consumo per sistemi di acquisizione ad alte prestazioni, utilizzando l'Event Builder come caso d'uso.