Relazione sull attività del primo anno di dottorato in fisica, XXIII ciclo

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1 Sviluppo di strumenti web-oriented per monitorare la qualità dei dati di CMS Relazione sull attività del primo anno di dottorato in fisica, XXIII ciclo Candidato Docente Guida Dott. G. Prof. Giorgio Pietro Maggi Dott. Domenico Giordano 1

2 Descrizione delle attività Attività didattica Partecipazione a seminari/scuole Partecipazioni a Conferenze o Workshop Attività del primo anno di dottorato Riduzione, oe,senza apedadda,dead perdita di dati, della dimensione esoe dell evento prelevato dal tracciatore di CMS Sviluppo di uno strumento web-oriented per il monitoraggio della qualità dei dati di CMS Prospettive future 2

3 Attività didattica Attività didattica svolta Laboratorio di strumentazione t di fisica i nucleare e subnucleare della laurea specialistica - Prof. Spinelli (prevedo di fare esame entro gennaiofebbraio 2009) Linguaggi avanzati di programmazione: il C++ - Dr. Francesco Cafagna (esame superato) (corso obbligatorio) Teoria di campo a temperatura finita - Prof. Paolo Cea (prevedo di fare esame entro fine anno) (corso obbligatorio) Formazione del segnale nei rivelatori e filtraggio del rumore - Dr. Mazziotta (prevedo di fare esame entro fine anno) (corso obbligatorio) Fisica protone-protone a LHC - Dr.ssa Anna COLALEO (esame superato) (corso caratterizzante) Attività ità didattica da svolgere Elaborazione di Segnali di segnali e immagini della laurea specialistica in fisica - Prof. Bellotti 3

4 Partecipazione a seminari/scuole CERN School of Computing 2008 Scuola di computing per la fisica delle alte energie organizzate dal CERN. Grid Technologies Base Technologies (Computer Security, Computer Architecture and Performance Tuning, Networking QoS and Performance, Creating secure software) Physics Computing (General Introduction to Physics Computing, Introduction to ROOT, Experiment Simulation) XXI Seminario di Fisica Nucleare e Subnucleare - OTRANTO, Serra degli Alimini, dal 19 al 25 Settembre Oscillazioni e massa dei neutrini. Acceleratori di particelle Camere a bolle Metodologie Fisiche per i Beni Culturali Sviluppo di rivelatori per la diagnostica medica alle nuove terapie del cancro. Struttura degli adroni e quark pesanti Fenomenologia e ooga del Quark Gluon Guo Plasma a 4

5 Partecipazioni e Conferenze/Workshop Biomed Grid Summer School Varenna May 2008 Attività di rassegna sugli strumenti di monitoraggio dell infrastruttura tt GRID e una sessione pratica sull uso degli stessi strumenti. Italian e-science 2008 IES08, Napoli maggio 2008 Presentazione di un poster su GridICE (tool di monitoring della grid). Bari maggio Riunione CMS Italia Torino novembre 2008 Riunione CMS Italia 5

6 Attività del primo anno di dottorato Studio del rivelatore di tracciamento dell esperimento CMS e del software del rivelatore di CMS (CMSSW) Riduzione, senza perdita di dati, della dimensione dell evento prelevato dal tracciatore di CMS Sviluppo degli strumenti di monitoraggio e analisi dei dati provenienti dal sistema di tracciamento - DQM e H-DQM. 6

7 Studio del rivelatore di tracciamento dell esperimento CMS (1/2) La funzione del tracciatore centrale è quella di fornire una misura accurata dell im pulso delle particelle cariche che emergono dal punto di interazione ione dei fasci e di individuare la presenza di vertici di decadimento. Tracker Inner Barrel (TIB), la parte cilindrica più interna; Tracker Inner Discs (TID), le corone circolari poste all'estremità del TIB; Tracker Outer Barrel (TOB), la struttura cilindrica esterna; Tracker Endcaps (TEC), le corone circolari più esterne. Le parti che costituiscono il tracciatore di CMS 7

8 Studio del rivelatore di tracciamento dell esperimento CMS (2/2) Il funzionamento di un rivelatore al silicio può essere schematizzato con un insieme di diodi contropolarizzati posti uno accanto all'altro. Un diodo contropolarizzato è una giunzione pn alla quale è applicata una tensione (bias), che permette di svuotare la regione di contatto tra p e n dalle cariche di conduzione. Quando una particella carica attraversa il materiale del rivelatore, perde parte della propria p energia a causa dell'interazione con i materiali. L'energia ceduta consente il passaggio di alcuni elettroni del semiconduttore dalla banda di valenza alla banda di conduzione,producendo coppie elettronelacuna (hole). Le coppie elettrone-lacuna diffondono (drift), sotto l'azione del campo elettrico generato dalla tensione di bias, rispettivamente verso anodo e catodo. Nel SST di CMS i catodi sono costituiti da sottili microstrisce di silicio (drogato di tipo p); la carica raccolta viene letta, tramite condensatori di disaccoppiamento, dall'elettronica di front-end, consentendo la ricostruzione spaziale del passaggio della particella. 8

9 Riduzione, senza perdita di dati, della dimensione dell evento prelevato dal tracciatore di CMS Introduzione all elettronica di lettura del tracciatore CMS L'elettronica di lettura del tracciatore di CMS è basata su di un circuito analogico con 128 canali indipendenti, l'apv25 (o in breve APV), realizzato con tecnologia CMOS per essere resistente alle radiazioni. Ogni modulo contiene 4 o 6 chip APV25, secondo il numero di strip che devono essere lette. Ogni strip è collegata ad un canale dell'apv25 APV25. I segnali di corrente in ingresso vengono campionati alla frequenza di LHC (40MHz) e mantenuti in un buffer. I corrispondenti dati del buffer vengono comunicati al sistema di acquisizione, tramite un segnale trasmesso su una linea a fibre ottiche lunga oltre 100 m che raggiunge la counting room fuori dalla caverna dell'esperimento, dove i dati vengono digitalizzati dalle schede FED (Front-End Driver ) Compattamento dei dati del tracciatore CMS Il tracker contiene APV => 128*75376 = canali di lettura => le informazioni gestite dal Tracker ad ogni trigger sono molto grandi (in media 2 byte per ogni canale di lettura) Le esigenze di esperimento richiedono una rate adeguata per la ricostruzione i dell evento e l analisi dei dati => necessità di ottimizzare i dati del tracker (ridurre la memory occupancy e i tempi per la movimentazione dei dati) => ridurre i BIT necessari a ricostruire l evento senza perdita di informazione e trasformare tutti i dati grezzi (RAW data) in un flusso di dati binari 9

10 Riduzione dei BIT necessari a ricostruire l evento senza perdita di informazione Tramite l utilizzo di operatori logici bit a bit, ho realizzato due procedure che chiamerò di codifica (per compattare i dati) e decodifica (per scompattare i dati) simili ai programmi di compressione e archiviazione dei file I dati codificati vengono trasformati in un stream binario e trasferiti nella base di dati come unico record (notevoli vantaggi nei tempi di lettura e scrittura del db di circa 4 ordini di grandezza, piccolo overhead nella codifica per la scrittura e decodifica per la lettura) Unico Stream binario per tutti i dati letti dagli APV Vettore di short (16 Byte) Vettore di char (9 Byte) Riduzione i della mamory occupancy di un fattore del 40% 10

11 Test di performance Siamo sicuri che, nella catena di ricostruzione dell evento prelevato dal tracciatore di CMS, la codifica e decodifica delle informazioni non introduca un overhead maggiore dei vantaggi derivanti dalla riduzione della memory occupancy e trasformazione dei dati in un unico stream binario? Tramite l utilizzo di tool sviluppati al CERN come IgProf e profiler gprof è stato possibile studiare le performance del codice appena sviluppato Codice ottimizzato (trasferimento in un unico stream binario con codifica) Codice originale (trasferimento record per record senza codifica) Overhead dovuto alla codifica e decodifica e Memory occupancy CPU Time trasformazione in un Wall Time stream binario dei dati del tracker Ridurre i numeri di bit per rappresentare i dati e impacchettare i dati in un unico strem binario comporta un notevole riduzione dei tempi di lettura e scrittura, circa 4 ordini di grandezza; Invece, con il codice originale la lettura e scrittura avviene record per record Byte Second Second 11

12 Il DQM Il DQM è stato progettato in CMS al fine di compiere un analisi delle prestazioni dei vari rivelatori e del trigger, sia online che offline, e quindi con lo scopo sia di verificare, in tempo reale, il corretto funzionamento dell apparato sperimentale che di compiere analisi offline, dettagliate, delle performance dei vari sottosistemi. Questo processo rientra nel processo della data certification il cui obiettivo è quello di fornire agli utenti una lista di run buoni per la successiva analisi di alto livello. Il DQM è suddiviso in tre stadi logici: il source, dove sono selezionati gli eventi desiderati e compiuta l'analisi dei dati ed il riempimento i degli eventuali database. il collector, che raccoglie tutti i risultati e li smista ai tutti i clients che li richiedono La GUI-DQM, che serve a visualizzare tutti i risultati e gli istogrammi ed a generare gli allarmi e gli eventuali stati anomali del rivelatore 12

13 Collocazione del DQM all interno di CMS DQM Contiene osservabili di qualsiasi tipo (eventi fisici ricostruiti e informazioni su rivelatore) memorizzati in istogrammi e database ORACLE Per ciascuno evento viene creata una banca dati adatta a contenere tutte tt le tracce dell evento (componenti dell'impulso; le coordinate del punto da cui la traccia e' partita; l'energia della particella; la carica elettrica; il numero di ``hits''; il chi-quadro del fit della traccia attraverso gli hits ). Caverna Sen sori Modulo rivelatore APV APV APV APV APV APV MUX FED: Front End Driver Zero suppression RAW data (dati grezzi) Ricostruzione RECO HLT Filter Farm fibra ottica lunga oltre 100 m 13

14 Limiti del DQM attuale Il sistema di DQM di CMS è uno strumento stabile e ampiamente utilizzato ma tuttora in fase di sviluppo Il DQM attuale è basato su ROOT Non è web-oriented, l uso del DQM attuale richiede: la presenza fisica al P5 l utilizzo di piattaforme linux predefinite con potenti processori L esecuzione di script a linea di comando da shell linux (poco user-friendly) Sono stati fatti tentativi di rendere la piattaforma web-oriented portando ROOT su web, ma si è visto che il sistema non scala: Tempi di attesa lunghi per avere un report grafico (circa 60 secondi) Crash continui del web server Non è presente un sistema di flag di qualità che sintetizzi ulteriormente lo stato di funzionamento del rivelatore CMS: è richiesta una certa laboriosità per capire lo stato del rivelatore avolteèneccesario correlare/confrontare diverse grandezze eplot plot. 14

15 Possibili sviluppi del DQM 1/2 Sviluppo di un framework interamente web-oriented: CherryPy come framework per lo sviluppo web consente agli sviluppatori di costruire applicazioni web in modo molto simile a un programma Python ad oggetti. Questo solitamente risulta in meno linee di codice sviluppato in meno tempo. integra un web server leggero e potente abbastanza da gestire discreti carichi. E' stato stimato che CherryPy possa gestire circa 500 richieste/secondo su una macchina con specifiche hardware discrete. consente di avvolgere (to wrap) in maniera semplice librerie di un altro linguaggio di programmazione, per esempio il C++ (codice con cui è scritto CMSSW) senza fare ricorso alle appliazioni i i cgi-bin (poco sicure, poco performanti, causano frequenti crash del sistema) Python vs altri linguaggi di script Python è più performante rispetto al PHP e Perl: infatti, Python ha una fase in più nel processo nel senso che durante l avvio del web server, viene compilato in bytecode e caricato in memoria, mentre linguaggi come Perl o PHP vengono interpretati t ti direttamente. t 15

16 Possibili sviluppi del DQM 2/2 Sviluppo di un framework interamente web-oriented: Utilizzo di librerie grafiche web-oriented Produzione di report grafici senza l overhead di un applicazione non web-oriented (per esempio ROOT) L utente potrà visualizzare nuovi istogrammi, man mano che si mostreranno necessari, semplicemente interrogando la base di dati in maniera opportuna tramite un semplice web form (attualmente i report definiti nel DQM sono predefiniti e l aggiunta di nuovi report comporta la scrittura di nuovo codice C++ per generare nuovi file di ROOT) Oracle come backend database Possibilità di fare interessanti correlazioni in maniera rapida (per esempio con i parametri ambientali) Adesso i report grafici i vengono generati leggendo dei file di ROOT con una struttura ad albero => tempi di accesso più lunghi e impossibilità di fare correlazioni in automatico (deve essere l utente a richiedere e confrontare i grafici opportuni) 16

17 Architettura del nuovo DQM The user connects to Apache Cherrypy is runnig behind Apache. Matplotlib is used to produce chart CherryPy executes python code Python binding to a CMSSW package using boost python. oracle databases CMSSW packages 17 17

18 Web server interface (1/2) Moving the mouse over the plot it s possible to see the exact numerical position. Can be chosen : Subdetector, What to plot, The quantities to be extracted By filling in the webform you can retrieve the chart with python plot lib, without read or create ROOT files. 18 Can be chosen the begin and last value according the list of since of the destination tag.

19 Web server interface (2/2) La GUI fornisce un web form in cui è possibile selezionare: Tipo di statistica da visualizzare: Efficienze rispetto ai segmenti Numero di HIT ricostruiti per tracce con i diversi algoritmi di ricostruzione CHI-quadro del fit della traccia attraverso gli hits. le diverse parti del rivelatore CMS (PIXEL, STRIP, ECAL ) La granularità delle diverse parti del rivelatore (per esempio per le STRIP: Tracker, TEC, TIB, TOB ) Intervalli di tempo (IOV - intervallo di validità) Numero di HIT ricostruiti per tracce con l algoritmo di ricostruzione dei cosmici in funzione dell IOV 19

20 Prospettive future Evoluzione del DQM: Grazie all ultimo lti Global l Run ho potuto t capire come l utente t finale gestisce e si interfaccia con il sistema, esercizio istruttivo per migliorare la GUI della nuova DQM e la gestione delle risorse da parte del sistema. Questa attività non riguarda solo il tracciatore ma coinvolge tutti i sottorivelatori di CSM (oltre al tracciatore, il sistema calorimetrico, il sistema di rivelazione di muoni.). Per quest ultima attività ità ho, recentemente, t inviato i l abstract t alla conferenza sul calcolo per la Fisica delle alte Energie, CHEP 2009 il cui titolo è CMS conditions database web application service ed è stato classificato all interno del seguente argomento di discussione: Distributed Processing and Analysis. Titolo tesi proposta: p Sviluppo di strumenti web-oriented per monitorare la qualità dei dati di CMS 20

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