Pour atteindre l’optimum des chaînes de mesure et d’analyse des expériences de physique, le Dapnia s’est engagé depuis sa création dans une importante activité de R&D sur les circuits microélectroniques, les systèmes temps réel et les composants logiciels.

Les circuits intégrés pour les détecteurs de physique

Amorcée au début des années 90 en physique des hautes énergies, l’augmentation du nombre et de la densité des voies de traitement des détecteurs est aujourd’hui aussi constatée en physique nucléaire et en astrophysique. Cette évolution impose une forte intégration des circuits électroniques de lecture, et passe par la conception de circuits intégrés dédiés (Application Specific Integrated Circuits, ou asics). Ainsi, l’asic Mate, développé par le Dapnia pour le détecteur de physique nucléaire Must II permet de coder à la fois la charge et le temps pour 16 canaux d’acquisition dans une gamme dynamique très élevée et s’adapte par reconfiguration à différents détecteurs.
Les performances du traitement du signal numérique conduisent à rapprocher la conversion analogique-numérique du détecteur. Le circuit Matacq, conçu en collaboration avec l’IN2P3/LAL, permet de réaliser avec une grande gamme dynamique la numérisation à plusieurs GHz de signaux de détecteurs rapides.

L’évolution rapide des technologies microélectroniques conduit à sélectionner des technologies avancées jugées pérennes. Le circuit Idefx (de technologie 0,35 µm) est dédié à la lecture de détecteurs matriciels au CdTe, destinés aux plans de spectromètre imageur X gamma pour le spatial.
Les expériences de physique des hautes énergies de la prochaine décennie nécessiteront des détecteurs de traces de plusieurs milliards de canaux. Les circuits Mimosa, conçus dans le cadre d’une collaboration avec l’IN2P3 (Ires/Lepsi) permettent d’intégrer l’élément détecteur, l’électronique analogique de lecture, le traitement et la réduction du flux de données sur une même puce. Ces circuits, Active Pixel Sensors, sont réalisés dans une technologie standard et couramment utilisés dans l’industrie de l’imagerie pour le grand public. Ils doivent encore démontrer leur aptitude à fonctionner à basse puissance dans les détecteurs de particules du futur.

Les systèmes temps-réel pour la physique

L’évolution des systèmes distribués

Les systèmes de conditionnement et de traitement de données des détecteurs de physique tirent parti de la distribution géographique et fonctionnelle des différents canaux de mesure. Le parallélisme des détecteurs incite à concevoir des nœuds de traitements locaux pour produire des informations physiques partielles. En assemblant ces informations, les systèmes acquièrent graduellement une vue complète des événements, ce qui permet de les classer, de les filtrer, de les comprimer et éventuellement de les rejeter. Ils mettent en jeu des opérateurs logiques et des circuits arithmétiques, des tables de calibration, des mémoires tampons, des processeurs programmables et des liens de communication fiables et rapides.
La maîtrise d’outils unifiés de développement est nécessaire pour obtenir une répartition optimale des traitements entre matériel (circuits numériques asics et FPGA décrits et simulés en langage haut-niveau) et logiciel.

L’essor et la maîtrise des FPGA

Les FPGA (Field Programmable Gate Arrays) sont des circuits intégrés choisis sur catalogue puis personnalisés par l’utilisateur final. Ils tendent à remplacer les asics dans les développements numériques pour la physique. Outre la section logique propre à l’application, ils autorisent l’inclusion de processeurs programmables et de sous-ensembles développés par des tiers (blocs IP, pour Intellectual Property) et suivent les protocoles de communications standard ultrarapides sur lien série. Des familles de FPGA tolérants aux radiations sont prometteuses pour les applications embarquées sur satellite, où la capacité de reconfiguration après lancement est un atout majeur.
Le projet « système sur puce FPGA » met en place les outils logiciels qui permettent de créer, d’initialiser et d’installer dans un réseau informatique un nœud d’acquisition distant résidant dans un FPGA. Ce projet tire parti des progrès des processeurs embarqués, des blocs IP d’interface réseau et des systèmes multi-tâches temps-réel associés, et vise des applications comme le futur détecteur de neutrinos sous-marin (dit km³).
Le développement Stuc (sonde de test USB configurable) met au point un environnent matériel et logiciel flexible qui permet, à partir d’un ordinateur individuel, de développer pour un FPGA une application personnalisée de test ou d’acquisition. La sonde Stuc a été utilisée avec succès pour plusieurs bancs de test de cartes électroniques et d’asic, et va être utilisée comme nœud d’acquisition pour un détecteur de tomographie gamma (collaboration avec DRT/LIST/DETECS/SSTM).

Quelques applications

CMS : Selective Readout Processor. Contrôleur pour la compression temps réel des données du calorimètre. Usage extensif des liens multi Gbit/s des FPGA avancés, bande passante agrégée très élevée (300 Gbit/s).
Antares : Système d’acquisition off-shore. Nœuds de traitement distribués et Local Control Modules immergés, réseau et commutation de données pour la transmission vers la côte et le contrôle-commande.
Edelweiss II : Système hiérarchique et extensible pour le contrôle et l’acquisition des données des bolomètres. Connexion matricielle des groupes de bolomètres aux ordinateurs temps réel.
D0 (Fermilab) : Dans le cadre de la refonte du système de déclenchement de niveau 1, conversion et filtrage numérique des signaux du calorimètre, estimation de l’énergie des tours de trigger et transmission au processeur central de décision.

Les développements logiciels

Analyse de données et traitement d’image

Une activité de recherche autour de l'analyse des données en astronomie est menée au sein du Dapnia dans le but de répondre aux problèmes posés par des programmes en cours comme Integral et XMM, et d'anticiper sur ceux de demain (Planck, Herschel, ...). Les recherches portent sur la restauration d'image, l’analyse de données multi-spectrales, les transformées multi-échelles, les transformées sur la sphère, la recherche de « non-gaussianité » dans le fond diffus cosmologique, l'étude statistique de la distribution spatiale des galaxies et la reconstruction de cartes de matière noire à partir des mesures de cisaillement gravitationnel. Les programmes correspondants sont intégrés dans le logiciel MR/1 développé au Dapnia.

Calcul réparti sur grille

Le Dapnia contribue aux programmes internationaux de développement des grilles de calcul scientifique. Ces programmes visent à l’installation et la coordination de systèmes de calcul réparti à grande échelle pour la physique et pour les autres sciences, et à la mise à disposition transparente des données. Après avoir participé à la partie testbed du programme European Data Grid, le département contribue désormais au programme Enabling Grid for E-science in Europe (EGEE), dont le but est le déploiement d’une grille de production utilisant les produits logiciels développés dans la phase initiale.

Génie logiciel pour les développements temps réel

La croissance continue en taille et en complexité des systèmes d’acquisition et de traitement en temps réel propres aux expériences de physique engendre des problèmes d’intelligibilité, de coût de développement et de maintenance qui imposent une évolution des méthodologies et outils de développement logiciel. Une telle évolution passe par la production de composants logiciels plus modulaires et d’architectures système plus intelligibles.
Cette contrainte rend indispensable le développement d’une activité de génie logiciel au Dapnia, et le projet Mordicus (méthodologie à objets répartis pour le développement incrémental et la conception unifiée de systèmes) en est une des premières concrétisations.
La première phase de ce projet a consisté en une définition précise des concepts et procédés de la méthodologie. La mise en œuvre concrète de ces concepts sera l’élaboration d’un « canevas méthodologique », c’est-à-dire d’un outil informatique permettant une automatisation de processus de développement en favorisant les qualités de généricité, de modularité, d’intelligibilité et de maintenabilité des systèmes logiciels produits.