Processamento multicore para reconstrução online de energia por meio de redes neurais

Abstract

Resumo-A reconstrução de energia em calorímetros é um processamento executado em pulsos gerados em seus eletrodos para estimar a energia de partículas subatômicas que atravessam seu material. Características não-gaussianas do ruído de calorímetros operando em altas taxas de evento demonstram que métodos não-lineares de estimação são mais indicados. No entanto, tais métodos tendem a ter um alto custo computacional, o que dificulta sua implementação online. Apresenta-se, com este trabalho, a implementação de uma rede neural embarcada em um processamento multicore em FPGA capaz de operar a uma taxa de aquisição acima de 40 MHz, bem como uma implementação no Calorímetro do Experimento ATLAS.

Implementação de Redes Neurais em FPGA para Estimação de Energia no Calorímetro Hadrônico do Experimento ATLAS

“…Visando a reconstrução de energia por meio da estimativa da amplitude do sinal no TileCal, foi proposto nos trabalhos [12] e [13] o uso de uma Rede Neural Artificial (RNA) feedfoward perceptron multicamadas. Tal abordagem apresentou erro menor na reconstrução da energia do que métodos lineares propostos anteriormente baseados em filtragem inversa utilizando filtros FIR (Finite Impulse Response) [14].…”

“…Em [13] foi utilizada a tangente sigmoide como função de ativação. Dado o objetivo de se implementar em FPGA, a função de ativação foi discretizada no domínio a fim de ser armazenada em memória interna da FPGA, implementada diretamente em LUT (do inglês, Look-Up Table ).…”

“…O quarto neurônio necessitou de pesos de maior precisão na camada de saída, demandando maior memória para a representação de sua LUT. O gasto de memória da implementação realizada em [13] foi da ordem de dezenas de megabits. No presente trabalho é realizado o estudo da substituição da LUT do quarto neurônio por uma uma Série de Taylor, visando aproximar a Tangente Sigmoide utilizada como função de ativação.…”

“…Este trabalho está organizado de forma que, na Seção II, é apresentado o Teorema de Taylor e as análises realizadas para a substituição da LUT do quarto neurônio da RNA de [13] por Séries de Taylor. Na Seção III é descrito o SAPHO, que é ferramenta utilizada no desenvolvimento do processador customizado proposto.…”

“…Na Seção IV é detalhada a implementação da RNA de forma embarcada no processador e, além disso, é proposta uma arquitetura de múltiplos núcleos deste processador. Na Seção V são apresentados os resultados dos testes e simulações operacionais da implementação proposta e também as comparações com o trabalho [13]. Por fim, na Seção VI, as conclusões do presente trabalho são apresentadas.…”