Il segnale che fa partire l’acquisizione dei dati (in inglese data acquisition, abbreviata DAQ) viene chiamato trigger, come il grilletto di un’arma. Come sistema di trigger si intende quindi tutta la logica implementata in hardware e software che ha il compito di decidere quando far partire il DAQ.
Esempi semplici sono il sensore di movimento che accende la luce quando entriamo in una stanza e l’autovelox, che ci scatta una foto quando ci facciamo un selfie mentre viaggiamo in centro urbano a 100 km/h 🙂 In entrambi i casi, la logica di trigger è semplice: quando una quantità monitorata (luminosità nel primo caso, velocità del veicolo nel second) supera una soglia prefissata, il sistema attiva un segnale logico che fa scattare l’operazione per cui è stato disegnato (non aspettatevi che si accenda la luce nel bagno quando viaggiate troppo veloce in autostrada).
Esistono sistemi di trigger di varie complessità , tra cui quelli degli strumenti enormi installati sotto terra al CERN, per misurare gli effetti degli urti tra protoni di energia elevatissima, accelerati dal LHC (Large Hadron Collider). Il più grande tra i quattro rivelatori di particelle del LHC è ATLAS, che ha un sistema di trigger suddiviso in tre livelli per poter ridurre la frequenza delle collisioni (40 MHz) a poche centinaia di eventi al secondo da salvare nell’impressionante CERN Data Centre.
Si noti che i sistemi di trigger principalmente sono disegnati per operare in logica inversa. Invece di scegliere gli eventi interessanti, scelgono quelli da scartare! Il motivo è che spessissimo gli eventi non interessanti sono la maggioranza, ed è preferibile accettarne un po’ piuttosto che non registrare qualcosa di interessante (un evento perso è come un diamante perso: è perso per sempre). Negli esperimenti del CERN, si scarta tutto quanto si puo’ scartare fino a che la frequenza dei dati non è bassa abbastanza per poter essere immagazzinata nel sistema di archiviazione dati.
I sistemi di trigger usati negli esperimenti di fisica di alta energia sono tradizionalmente molto complessi. La comunità dei fisici ha quindi sviluppato sistemi che prendono decisioni in una sequenza di passi, che di solito appartengono a uno di tre livelli di trigger (da non confondere con gli omonimi livelli di trigger degli oscilloscopi, che sono un’altra cosa):
Il primo livello (L1) solitamente è implementato in moduli elettronici disegnati appositamente, e prende decisioni basate su dati locali e senza troppe complicazioni logiche. Quasi sempre questi moduli hanno logica implementata su chip (il cosiddetto firmware).
Il secondo livello (L2), che può essere in hardware, software, o una loro combinazione, si trova a gestire una frequenza di eventi più bassa, grazie alla soppressione compiuta al primo livello. Quindi può permettersi di applicare condizioni più complicate e/o combinare dati provenienti da sottosistemi diversi.
Il terzo livello di trigger (L3), generalmente implementato via software, è quello che compie le operazioni più laboriose e, tipicamente, basate su dati provenienti dall’intero sistema.
Per avere un’idea di come questa successione di livelli sia efficace, prendiamo ATLAS come esempio. Le collisioni avvengono ogni 25 nanosecondi e L1 riduce la frequenza corrispondente (40 MHz) a 100 kHz, lasciando sopravvivere solo un evento ogni quattrocento in media. In uscita dal L2 sopravvivono solo cento eventi al secondo (1% degli eventi in ingresso), che vengono dimezzati al L3, chiamato “Event Filter” in ATLAS, i cui L2 e L3 sono chiamati “High Level Trigger” perché basati entrambi su software (circa ottocento processori multicore).
Ogni anno ATLAS salva dati per circa 10’000 TB, distribuiti a 130 centri di calcolo in tutto il mondo. Questo equivale a circa 320’000 ore di streaming in 4K, più o meno quello che guardano un migliaio di utenti Netflix (…)
Se volete conoscere più a fondo i sistemi di trigger o avete bisogno di supporto nello sviluppo del vostro sistema DAQ, potete contattare il fondatore di Fly High Engineering, Diego Casadei, che ha esperienza non solo del trigger di ATLAS, ma anche di missioni spaziali come AMS e Solar Orbiter.
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