ALTRO and TPC Performance of ALICE
Roland Bramm
本文介绍了从ALICE TPC数据中提取和优化ALTRO参数的方法，并对该参数集进行了性能测试。首先测量和量化信号脉冲的离子尾及其变化。
The extraction and optimisation of the ALTRO Parameters out of the ALICE TPC data is described, including the performance measurment of this set. The ion tail of a signal pulse and the variation is firstly measured and quantified.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
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Particle Identification Studies with an ALICE Test TPC
使用由ALICE TPC场笼原型与最终ALICE TPC读出和电子器件组合组成的测试TPC，测量所识别质子的能量损失分布和分辨率。测量值进行了比较，理论计算和良好的定量协议时，发现探测器的影响被考虑在内。粒子识别的影响进行了讨论。
Real-time TPC Analysis with the ALICE High-Level Trigger
ALICE高级触发器在线处理数据，以选择感兴趣的（子）事件，或通过建模技术有效地压缩数据。重点介绍了主要的数据源--时间投影室、系统结构以及跟踪和压缩方法的研究现状。
Discharge probability studies with multi-GEM detectors for the ALICE TPC Upgrade
大型时间投影室（TPC）是欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）ALICE实验中跟踪和识别带电粒子的主要装置。在2019-2020年的第二次长时间关闭之后，LHC将以高达50 kHz的相互作用速率提供Pb束碰撞，这大约是TPC目前读出速率的50倍。为了充分利用LHC的潜力，TPC读出室将升级为气体电子倍增器（GEM）技术。为了确保升级后的腔室在恶劣的LHC环境中的稳定行为，启动了一项专门的研发计划，以优化GEM堆的几何形状及其在放电方面的高压配置。我们总结了用高度电离α粒子照射的3-和4-GEM原型进行的放电概率测量。
Improvements of the ALICE GPU TPC tracking and GPU framework for online and offline processing of Run 3 Pb-Pb data
ALICE通过改进GPU框架和跟踪代码，优化TPC跟踪算法，提升Run 3 Pb-Pb数据的在线和离线处理效率。
Fast TPC Online Tracking on GPUs and Asynchronous Data Processing in the ALICE HLT to facilitate Online Calibration
ALICE（大型重离子实验）是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的四个主要实验之一，LHC是当今世界上最强大的粒子加速器。高级触发器（HLT）是一个大约200个节点的在线计算场，它实时重建ALICE探测器测量的事件。HLT使用自定义的在线数据传输框架在计算节点之间分发数据和工作负载。ALICE采用几个校准敏感子探测器，例如TPC（时间投影室）。为了精确重建，HLT必须在线执行校准。在线校准可以使某些离线校准步骤过时，从而可以加快离线分析。展望2020年开始的ALICE Run III，在线校准成为必要。用于轨道重建的主要检测器是TPC。重建TPC中的轨迹是事件重建过程中计算量最大的步骤。因此，快速跟踪实现是非常重要的。重建的TPC轨道为校准奠定了基础，使快速在线跟踪成为强制性的。我们提出了几个组件开发的ALICE高电平触发器执行快速事件重建，并提供在线校准所需的功能。第一个课题是提出一种基于元胞自动机和卡尔曼滤波器的TPC跟踪器，它采用GPU来加速处理。我们的TPC跟踪算法已在2011年和2012年成功用于铅-铅和质子-铅运行。我们对它进行了改进，以利用新GPU的功能，并将其移植到支持OpenCL，CUDA和CPU的单一通用源代码中。这使我们独立于供应商。作为第二个主题，我们提出了在线校准所需的框架扩展。...
Space-point calibration of the ALICE TPC with track residuals
在即将到来的LHC运行3中，从2021年开始，ALICE实验的升级后的时间投影室（TPC）将以连续读出模式记录最小偏差Pb-Pb碰撞，相互作用速率高达50 kHz。这对应于在检测器中的电子漂移时间期间典型地4-5次重叠碰撞。尽管对新的基于四重GEM的读出室进行了仔细的调整，以满足低于1%的离子回流的设计要求，但这些条件将导致几厘米的空间电荷失真，并随时间波动。它们将通过校准程序进行校正，该校准程序分别使用位于TPC内部的内部跟踪系统（ITS）以及位于TPC周围的跃迁辐射探测器（TRD）和飞行时间系统（TOF）的信息。通过使用这样的过程，可以恢复几百微米的TPC的固有磁道分辨率。提出了基于卡尔曼滤波器的TRD在线跟踪算法。该过程利用GPU将外推的ITS-TPC轨迹与TRD空间点相匹配。随后，忽略TPC信息来重新拟合这些全局轨迹。TPC簇的残差到改装轨道的内插被用于创建空间电荷失真的映射。地图的定期更新补偿TPC条件的变化。在数据的最终重建中应用该映射。将显示跟踪算法的第一性能结果。
Measurement of single event upsets in the ALICE-TPC front-end electronics
欧洲核子研究中心大型强子对撞机ALICE实验的时间投影室具有高度集成的探测器读出电子设备。它遵循高能物理实验的一般趋势，将前端电子设备尽可能靠近探测器-距离其有效体积只有10厘米左右。由于靠近光束和相互作用区域，电子设备受到适度的辐射负载，这使得我们能够使用商业现成的组件。然而，它们需要被仔细地选择和鉴定为辐射硬度，并且必须采取措施来保护它们的功能免受软错误，即单粒子扰乱。在这里，我们报告的第一次测量大型强子对撞机感应辐射的影响ALICE前端电子和他们如何证明的期望。
GPU-based Online Track Reconstruction for the ALICE TPC in Run 3 with Continuous Read-Out
在LHC运行3中，ALICE将显著提高数据采集速率，以50 kHz连续读出最小偏置Pb-Pb碰撞。在线-离线计算升级的重建策略预见了在数据获取期间的第一同步在线重建阶段，使得能够进行检测器校准和数据压缩，以及后校准的异步重建阶段。出现了许多新的挑战，其中包括连续TPC读出，更多的重叠碰撞，没有先验知识的主要顶点和位置相关的校准在同步阶段，识别低动量循环轨道，和复杂的原始数据压缩。时间投影室（TPC）的跟踪算法将基于元胞自动机和卡尔曼滤波器。重建应在线运行，每秒处理比目前多50倍的碰撞，同时产生与当前离线重建相当的结果。我们的TPC跟踪查找通过OpenCL和CUDA API在两个重建阶段的CPU和GPU共享源代码中利用硬件加速器的潜力。我们概述了Run 3跟踪的状态，包括处理器和GPU的性能以及实现的压缩比。
Track Reconstruction in the ALICE TPC using GPUs for LHC Run 3
在LHC运行3中，ALICE将显著提高数据采集速率，以连续读出50 kHz最小偏置Pb-Pb碰撞。在线离线计算升级的重建策略预见了在数据获取期间的第一同步在线重建阶段，使得能够进行检测器校准，以及后校准的异步重建阶段。针对ALICE的主要跟踪检测器--时间投影室，提出了一种跟踪算法.重建必须产生与当前离线重建相当的结果，并满足当前高级触发器（HLT）中的时间限制，每秒处理的冲突数量是当前的50倍。它是从目前的在线跟踪HLT，这是基于一个元胞自动机和卡尔曼滤波器，我们整合了离线跟踪的丢失功能，以提高分辨率。连续的TPC读出和重叠碰撞提出了新的挑战：转换到空间坐标和应用时间和位置相关的校准必须发生在轨道播种和轨道拟合之间，而TPC占用率增加了五倍。巨大的数据量需要20的数据缩减因子，这带来了额外的要求：必须扩展动量范围以识别低PT循环轨迹，并且在未校准坐标中进行特殊改装以改进轨迹模型熵编码。我们的TPC跟踪查找通过OpenCL和CUDA API在CPU、GPU和两个重建阶段的共享源代码中利用硬件加速器的潜力。移植更多的重建步骤，如TPC重建的剩余部分和其他检测器的跟踪，将使计算平衡从传统处理器转移到GPU。
Online Calibration of the TPC Drift Time in the ALICE High Level Trigger
大型离子对撞机实验（英语：Large Ion Collider Experiment）是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的四个主要实验之一。高级触发器（HLT）是一个计算集群，它实时重建ALICE检测器记录的冲突。它采用自定义的在线数据传输框架在计算节点之间分配数据和工作负载。ALICE采用对诸如压力和温度的环境条件敏感的子检测器，例如时间投影室（TPC）。粒子轨迹的精确重建需要这些探测器的校准。在HLT中实时执行校准改进了在线重建，并使某些离线校准步骤过时，从而加速了离线物理分析。对于LHC Run 3，从2020年开始，数据简化将依赖于重建数据，在线校准成为必要。重建的粒子轨迹建立了校准的基础，使快速在线跟踪成为强制性的。用于此目的的主要探测器是TPC和ITS（内部跟踪系统）。在TPC中重建轨迹是计算最密集的步骤。我们提出了几个改进的ALICE高电平触发器，以方便在线校准。在线校准的主要新开发是一个包装器，可以在HLT内运行ALICE离线分析和校准任务。除此之外，我们还添加了异步处理功能，以支持HLT框架中长时间运行的校准任务，否则将以事件同步方式运行。为了提高弹性，隔离进程执行异步操作，使得即使是致命错误也不会干扰数据获取。我们用ZeroMQ数据传输组件补充了原始的无循环HLT链。[...]
A Time Projection Chamber for High-Rate Experiments: Towards an Upgrade of the ALICE TPC
时间投影室（TPC）是一种用于超高多重性事件的三维跟踪和粒子识别的强大探测器。它是许多实验的中央跟踪装置，例如欧洲核子研究中心的ALICE实验。然而，开关静电门的必要性，这防止了在放大区域中产生的离子进入漂移体积的MWPC，限制了其应用的触发速率的顺序为1 kHz。通过气体电子倍增器（GEM）箔而不是比例线的电荷放大提供了对离子回流的内在抑制，尽管没有达到与选通栅极相同的水平。详细的蒙特卡罗模拟已经表明，由于来自后向漂移离子的残余空间电荷引起的失真可以被限制到几cm，并且因此可以使用标准校准技术来校正。一个原型GEM-TPC已建成的最大的有效体积迄今为止，这种类型的探测器。它已被委托与宇宙学和粒子束在FOPI实验在GSI，并用于物理测量与π介子束。对于ALICE TPC在CERN LHC的未来操作，预计2019年以后的Pb-Pb碰撞率将达到50 kHz，计划用GEM探测器取代现有的MWPC，以连续的无闪烁读出模式操作，从而使事件率增加100倍。作为研发计划的第一步，内部读出室的原型配备了大尺寸的GEM箔，并暴露于来自CERN PS的质子、π介子和电子束。在本文中，新的结果显示关于离子回流，空间和动量分辨率的FOPI GEM-TPC，探测器校准，和dE/dx分辨率与两个探测器原型。将讨论用于ALICE的具有连续读出的GEM-TPC的前景。
From gated to continuous readout - the GEM upgrade of the ALICE TPC
ALICE合作计划对其中心桶探测器进行重大升级，以便能够应对2020年以后LHC亮度的增加。为了在Pb $-$ Pb碰撞中以高达50 $\,$ kHz的增加的相互作用速率进行记录，TPC将以连续读出的非门控模式运行。这就需要用基于GEM（气体电子倍增器）的读出室来替换当前采用的门控多线比例室，同时通过测量比能量损失来保持特别是在粒子识别能力方面的性能。在开始大规模生产升级的读出室之前，启动了所谓的预生产，以表征和验证最终设计的第一个完全组装的读出室的性能。该阶段于2017年3月结束，正式接受生产准备就绪，因此开始批量生产。
Reconstruction in ALICE and calibration of TPC space-charge distortions in Run 3
ALICE实验将在LHC运行3期间以高达50 kHz的Pb-Pb碰撞相互作用速率连续读出。为了实现这一目标，开发了一种新的数据处理方案和软件。该方案强烈依赖于GPU（图形处理单元）的快速在线和离线校准和重建，以及有效的数据压缩。在硬件方面，时间投影室（TPC）以及其他探测器系统对其读出室和读出电子设备进行了重大升级。多丝正比室被四个气体电子倍增器箔的堆叠所取代，以允许连续读出，同时保持离子回流低于1%，最大限度地减少放大离子进入漂移体积的空间电荷效应。然而，由于空间电荷的显着的空间点扭曲预计在最高的相互作用率在铅铅碰撞。此外，空间电荷密度波动导致失真波动，必须在10 ms的时间尺度上进行校正，以保持TPC的固有跟踪分辨率。虽然可以使用来自外部检测器的信息作为参考来校正平均空间电荷失真，但可以预见数据驱动的机器学习算法和卷积神经网络可以提供对失真波动的校正。
GEM Foil Quality Assurance For The ALICE TPC Upgrade
欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的ALICE（大型离子对撞机实验）实验致力于重离子物理学，以探索强相互作用物质的结构。ALICE的时间投影室（TPC）是位于实验中心区域的跟踪探测器。它提供了出色的跟踪能力以及粒子识别。在第二次长时间关闭（LS2）之后，LHC将以更高的亮度运行。为了能够将数据采集速率提高100倍，ALICE TPC实验必须替换基于多丝比例室（MWPC）的读出室。MWPC与将速率限制为O（kHz）的门控网格一起操作。新的读出室（ROC）设计基于气体电子倍增器（GEM）技术，以连续模式运行。目前的GEM生产计划预计将生产800多种不同类型的GEM箔。为了满足GEM TPC读出器的性能要求，需要采取全面的质量保证（QA）措施。QA计划，由ALICE合作开发，将详细介绍。
Status of the R&D activities for the upgrade of the ALICE TPC
在长周期2之后，LHC将提供高达50 kz的相互作用速率的铅-铅碰撞。为了应对这种情况，需要对ALICE时间投影室（TPC）进行升级。升级后，TPC将以连续模式运行，与当前TPC的性能相比，动量和dE/dx分辨率没有任何下降。由于通过多丝正比室的读出在这些要求下不再可行，因此必须采用新技术。在新的读出室中，电子放大由四个气体电子倍增器（GEM）箔的堆叠提供。它们的高电压设置和取向已经过优化，在55 Fe的峰值处提供优于12%的能量分辨率。在相同的设置下，进入漂移体积的离子回流小于气体放大和初级电离过程中产生的有效离子数的1%。这对于防止空间电荷的积累是必要的，空间电荷的积累最终将使漂移体积中的场失真。为了确保LHC运行3期间在高负载下的稳定运行，腔室也必须对放电具有鲁棒性。与选定的配置在一个四GEM堆栈的放电概率保持在$10^{-12}$放电每传入强子的水平。ALICE TPC升级活动的概述将在这些程序中给出，并介绍了未来读出室GEM堆栈的优化设置。此外，还显示了2014年底在SPS和PS（在CERN）进行的两次射束时间活动的结果。在该活动中，对全尺寸读出室原型的放电稳定性和dE/dx性能进行了测试。此外，它是报告的充电研究的4GEM堆栈和测试的电磁下垂的大型GEM箔。
ALICE HLT TPC Tracking of Pb-Pb Events on GPUs
CERN ALICE实验的在线事件重建需要处理能力，以超过200 Hz的速率处理中心Pb-Pb碰撞，对应于约25 GB/s的输入数据速率。在时间投影室（TPC）中重建粒子轨迹是计算最密集的步骤。TPC在线跟踪器的实现结合了元胞自动机和卡尔曼滤波器的原理。图形卡（GPU）的使用加速了这一过程。流水线处理允许并行地在GPU上执行跟踪、在CPU上执行数据传输和预处理。为了使CPU的预处理和后处理与GPU保持同步，流水线使用多个线程。在多个阶段中的跟踪的分裂搜索短的局部轨道段，首先提高数据的局部性，使算法适合于在GPU上运行。由于特殊的优化，这一行动方针并不次于全局方法。由于非关联浮点运算，GPU和CPU跟踪器的二进制比较是不可行的。一个轨道的轨道和集群的集群比较显示了99.999%的一致性。在目前的硬件条件下，GPU跟踪器的性能比CPU版本高出约三倍，使处理器仍可用于其他任务。
Building a large-area GEM-based readout chamber for the upgrade of the ALICE TPC
大型时间投影室（TPC）是欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）ALICE实验中跟踪和识别带电粒子的主要装置。在2019-2020年的第二次长时间关闭之后，LHC将以高达50 kHz的相互作用速率提供Pb束碰撞，这大约是TPC目前读出速率的100倍。为了充分利用LHC的潜力，TPC将根据气体电子倍增器（GEM）技术进行升级。ALICE TPC外读出室（OROC）的原型配备了12个大尺寸GEM箔作为放大级，以证明用新技术取代当前多丝比例室的可行性。总面积为$\sim$ 0.76 m $^2$，是迄今为止建造的最大的基于GEM的探测器。GEM OROC安装在试验场笼内，并使用放射源进行调试。
The PreAmplifier ShAper for the ALICE TPC-Detector
本文介绍了LHC ALICE实验时间投影室的前置放大整形器（PASA）。ALICE TPC PASA是一款集成了16个相同通道的ASIC，每个通道由电荷敏感放大器（CSA）、零极点网络、自适应偏置网络、两个二阶桥式T滤波器、两个同相电平移位器和一个启动电路组成。该电路针对18-25 pF的检波器电容进行了优化。对于25 pF的输入电容，PASA的转换增益为12.74 mV/fC，峰值时间为160 ns，半高宽为190 ns，功耗为11.65mW/ch，等效噪声电荷为244 e +17 e/pF，电路在600 ns左右平稳恢复到基线。积分非线性度为0.19%，输出摆幅约为2.1 V。芯片的总面积为18 mm $^2$，采用AMS的C35 B3 C1 0.35微米CMOS技术实现。详细的特性测试进行了约48000 PASA电路之前，他们安装在ALICE TPC前端卡。经过两年多的运行与p-p和Pb-Pb碰撞的ALICE TPC，PASA已被证明满足所有要求。
Study of the d$E$/d$x$ resolution of a GEM Readout Chamber prototype for the upgrade of the ALICE TPC
ALICE合作计划对其中心桶探测器进行重大升级，以便能够应对2020年以后LHC亮度的增加。对于TPC，这意味着用基于GEM（气体电子倍增器）的读出室替代当前使用的门控MWPC（多线比例室）。为了证明，目前的粒子识别能力，通过测量比能量损失的升级后保留，ALICE IROC（内读出室）的原型已在欧洲核子研究中心PS的测试束活动进行了评估。原型的d $E$ /d $x$分辨率已被证明与当前MWPC完全兼容。
ALICE : online-offline processing for Run 3
ALICE将使运行3的数据采集速率显著提高到50 kHz，连续读出最小偏置Pb-Pb碰撞。可预见的重建策略包括2个阶段：在数据采集期间的第一同步在线重建阶段，使探测器校准，以及后校准异步重建阶段。主要挑战包括每秒处理和压缩比运行2中多50倍的事件，复杂的压缩和去除不用于物理的TPC数据，跟踪连续读出的TPC数据，TPC空间电荷失真校准，以及与运行2相比，通常在线运行更多的重建步骤。ALICE将利用GPU来促进与可用资源的同步处理。为了实现计算农场的最佳利用率，我们计划将异步重建的几个步骤也卸载到GPU。本文概述了同步和异步重建过程中的重要处理步骤以及所需的计算能力。
The ALICE TPC, a large 3-dimensional tracking device with fast readout for ultra-high multiplicity events
介绍了ALICE时间投影室的设计、建造和调试。它是CERN LHC的ALICE实验中用于模式识别，跟踪和识别带电粒子的主要设备。TPC为圆柱形，体积接近90 m^3，在平行于其轴的0.5 T螺线管磁场中运行。在本文中，我们详细描述了这个探测器的操作在极端的多重性环境中的中心铅-铅碰撞在LHC能量的设计考虑。硬件（场笼，读出室，电子），基础设施（气体和冷却系统，激光校准系统）和软件的实施导致了许多技术创新，这些技术创新与目前实现的探测器的所有主要组件一起介绍。我们还报告了完成第一轮独立校准运行后所实现的性能，并证明结果接近TPC技术设计报告中规定的结果。
Improvements of the GPU Processing Framework for ALICE
ALICE通过改进GPU处理框架，提升了TPC在线处理效率，并优化了离线处理性能。
Online Reconstruction and Calibration with feed back loop in the ALICE High Level Trigger
大型重离子实验（英语：Large Heavy Ion Experiment，ALICE）是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的四个大型实验之一。高级触发器（HLT）是一个在线计算场，它实时重建ALICE探测器记录的事件。计算最密集的任务是粒子轨迹的重建。ALICE中的主要跟踪设备是时间投影室（TPC）和内部跟踪系统（ITS）。HLT使用基于元胞自动机原理和卡尔曼滤波器的快速GPU加速算法进行TPC跟踪。ALICE采用对环境条件如环境压力和温度敏感的气体子检测器，TPC就是其中之一。粒子轨迹的精确重建需要这些探测器的校准。作为第一个主题，我们提出了一些最新的优化，我们基于GPU的TPC跟踪使用新的GPU模型，我们采用的正在进行的和即将到来的数据采集期在LHC。我们还展示了快速ITS独立跟踪的新方法。作为第二个主题，我们提出了改进的HLT，以促进在线重建，包括一个新的平面数据模型和一个新的数据流链。校准输出通过反馈回路反馈到HLT的重建组件。最后，我们对2015年11月铅铅运行期间在真实条件下进行的第一次在线校准测试进行了分析，该测试基于这些新功能。
Pattern Recognition and Data Compression for the ALICE High Level Trigger
在LHC的ALICE实验的中心探测器将产生高达75 MByte/事件的数据大小，事件速率<200 Hz，导致数据速率为1 ~15 GByte/sec。这超过了1.25 GByte/sec的预期大容量存储带宽一个数量级。为了选择感兴趣的（子）事件（“高级触发器”），或者通过建模技术有效地压缩数据，数据的在线处理是必要的。最大的计算挑战是TPC，需要实时模式识别。进行的工作调查的各种模式识别方案的性能适用于在线跟踪重建的ALICE HLT系统。此外，作为一个应用程序，以减少数据速率，非常有效的TPC数据压缩算法的基础上跟踪和集群建模进行了评估。
The GEM QA Protocol of the ALICE TPC Upgrade Project
欧洲核子研究中心大型强子对撞机的ALICE实验正在升级其中央跟踪探测器--时间投影室（TPC）。该装置预计将在大型强子对撞机第二次长时间关闭期间安装。升级包括将现有的MWPC读出室（ROC）与基于气体电子倍增器探测器的新读出室进行完全交换。这是必要的，因为LHC的光度更高，因此相互作用速率更高。与500 Hz的门控MWPC读出相比，新的ROC允许在50 kHz下连续读出，同时保持本系统的颗粒识别能力。制定了全面的质量保证计划，以建立严格的QA协议。QA包括两个阶段。第一阶段是在CERN的GEM生产车间附近进行基本的QA，之后在框架和组装中心进行。第二阶段，高级QA在专门的QA中心完成。在整个过程中将保持探测器组件的完全可追溯性。将给出协议的详细描述，重点是高清晰度的光学扫描和增益测量的个别GEM箔。新ALICE TPC ROC的生产终于开始了。首先将介绍在生产条件和工作量下的QA经验。
Future Upgrade and Physics Perspectives of the ALICE TPC
大型强子对撞机（LHC）的ALICE实验提出了主要的探测器升级，以充分利用RUN~3中LHC亮度的增加，并扩展低横动量稀有探测器的物理范围。时间投影室（TPC）是ALICE中心筒的主要跟踪和PID装置之一。TPC的最大触发速率目前被选通栅极系统的操作限制在约3.5kHz。为了充分利用运行3中的亮度，TPC预计将以连续读出的非门控模式操作。现有的MWPC读数将被基于微模式气体检测器（MPGD）的读数所取代，该读数提供了内在的离子捕获能力，而无需门控。自2012年以来，已经进行了采用气体电子倍增器（GEM）和微网气体探测器（Micromegas）技术的广泛探测器研发，以及推进空间电荷畸变校正技术的模拟研究。在本文中，预期的探测器性能和状态的R\&D计划，以实现这一雄心勃勃的目标。
Overview of online and offline reconstruction in ALICE for LHC Run 3
在LHC运行3中，ALICE将显著提高数据采集速率，以50 kHz连续读出最小偏压Pb-Pb碰撞。在线-离线计算升级的重建策略预见了在数据获取期间的第一同步在线重建阶段，使得能够进行检测器校准，以及后校准的异步重建阶段。主要挑战包括每秒处理和压缩比运行2中多50倍的事件，识别不用于物理的可移除TPC轨道和命中，跟踪连续读出的TPC数据，TPC空间电荷失真校准，以及与运行2相比，通常在线运行更多的重建步骤。ALICE将利用GPU来促进与可用资源的同步处理。为了获得最佳的GPU资源利用率，我们计划将异步重建的几个步骤也卸载到GPU上。为了独立于供应商，我们支持CUDA，OpenCL和HIP，并且我们维护了一个也在CPU上运行的通用C++源代码。我们将概述全局重建和跟踪策略，比较CPU和不同GPU模型的性能。我们将讨论重建与输入数据大小的缩放，以及在内存和处理能力方面所需资源的估计。
The ALICE TPC: Optimization of the Performance in Run 2 and Developments for the Future
时间投影室是ALICE实验的主要跟踪和粒子识别探测器。CERN LHC在运行2（2015-2018）中提供的高亮度在探测器性能和效率方面提出了新的挑战。对硬件组件和校准软件进行了优化和进一步开发，以应对这些挑战并最大限度地提高数据质量。此外，在特定读出室的边缘处已经观察到电离电子的漂移路径的意外大的局部失真。这些失真是由源自读出室的离子引起的，导致TPC的漂移体积中的局部空间电荷累积。一个新的校准程序已被开发，以纠正空间电荷失真。已经进行了广泛的研究，以了解空间电荷的起源，以及找到一种方法来有效地减轻影响。对于2021年开始的运行3，升级后的TPC的新读出室将基于气体电子倍增器。这意味着一个内在的离子回流，导致大部分的TPC漂移量在最高亮度的大空间电荷失真。空间电荷效应的模拟和校准是新探测器软件框架的重要组成部分。
Track Reconstruction in a High-Density Environment with ALICE
ALICE是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的专用重离子实验。它的主要跟踪和粒子识别探测器是一个大容量的时间投影室（TPC）。TPC被设计为在高能重离子碰撞中产生的高径迹密度环境中表现良好。在这一过程中，我们描述的轨道重建过程中ALICE。特别是，我们专注于LHC运行2数据采集期间（2015- 2018）面临的两个主要挑战，即TPC中的基线波动和局部空间电荷扭曲。我们详细介绍了相应的解决方案，并描述了使我们能够规避这些挑战的软件工具。
3D Simulation of Electron and Ion Transmission of GEM-based Detectors
时间投影室（TPC）已被选为几个高通量和高重复率实验的主要跟踪系统。这些包括正在进行的实验，如ALICE和未来的实验，如PANDA在FAIR和ILC。在采用气体电子倍增器（GEM）作为ALICE-TPC升级版的气体放大级时，开展了不同的$\mathrm{R}\&\mathrm{D}$活动。通过这些活动确定了低离子反馈的要求。低离子反馈使空间电荷引起的失真最小化，并保持探测器增益和能量分辨率的必要值。在目前的工作中，加菲尔德模拟框架已被用来研究发生在单，三，四GEM探测器的相关物理过程。本文研究了由不同孔距的箔片组成的四重GEM在不同电磁场配置下的离子回流和电子传输（ALICE TPC的投影解）。最后提出了一种新的三重GEM探测器配置，具有低离子回流分数和良好的电子传输特性，作为一个更简单的GEM为基础的替代方案，适合未来的对撞机实验的TPC。
Online Pattern Recognition for the ALICE High Level Trigger
ALICE高级触发器需要在线处理数据，以便选择感兴趣的（子）事件，或者通过建模技术有效地压缩数据.针对主要的数据源--时间投影室（TPC），我们提出了两种正在研究的模式识别方法：一种是顺序方法（“聚类发现器”和“轨迹跟随器”），另一种是迭代方法（“候选轨迹发现器”和“聚类去卷积器”）.我们表明，前者是适合于pp和低多重PbPb碰撞，而后者可能适用于高多重PbPb碰撞，如果它原来，超过8000带电粒子将不得不重建内的TPC。基于开发的跟踪计划，我们表明，使用建模技术的压缩因子约为10可能是可以实现的
Global Track Reconstruction and Data Compression Strategy in ALICE for LHC Run 3
在LHC运行3中，ALICE将显著提高数据采集速率，从最小偏置Pb-Pb碰撞中的约1 kHz触发读出到50 kHz连续读出速率。在线-离线计算升级的重建策略预见了在数据采集期间的同步在线重建阶段，其生成探测器校准，以及后校准的异步重建阶段。大量的数据需要大量的压缩，以便存储所有记录的事件。目标是TPC数据的20倍压缩，这是同步重建期间的主要挑战之一。此外，重建将在线运行，处理比目前多50倍的碰撞，产生与当前离线重建相当的结果。这些要求对跟踪提出了新的挑战，包括连续的TPC读出、更多的重叠碰撞、在同步阶段期间没有主顶点位置和位置相关校准的先验知识、低动量循环轨道的识别以及用于改善轨道模型熵编码的失真改装。在2018年的研讨会上，展示了运行3的TPC跟踪，它与运行2离线跟踪的物理性能相匹配。它通过OpenCL和CUDA API在两个重建阶段的CPU和GPU共享源代码中利用硬件加速器的潜力。将更多的重建步骤（如TPC重建的剩余部分和其他检测器的跟踪）移植到GPU将使计算平衡从传统处理器转向GPU。这些程序集中在全局跟踪策略，包括ITS和TRD检测器，将更多的重建步骤卸载到GPU上，以及为实现必要的数据压缩所采取的方法。
Discharge and stability studies for the new readout chambers of the upgraded ALICE TPC
欧洲核子研究中心（CERN）LHC的大型离子对撞机实验（ALICE）时间投影室（TPC）目前装备有多丝正比室（MWPC）。门控栅格防止在气体放大期间产生的离子移动到漂移体积中。电子的最大漂移时间连同选通栅极的关闭时间允许约3 kHz的最大读出速率。在长周期2（从2021年开始）之后，LHC将以50 kHz的预期相互作用速率提供铅-铅碰撞。为了以这种速度获取数据，TPC将升级为新的读出室，允许连续读出并保留当前MWPC的能量和动量分辨率。如果适当调整施加到气体电子倍增器（GEM）的电压，则具有四个气体电子倍增器（GEM）的堆叠的腔室满足所有性能要求。为了确保这些腔室在LHC运行时稳定，进行了放电行为的研究。我们报告的研究与小型原型配备了一个或两个创业板。放电是通过GEM两端的高电压和高度电离的颗粒的组合自愿诱导的。在这些研究中，观察到“二次放电”现象。这些仅发生在初始放电之后，当GEM上方或下方的电场足够高时。初始和二次放电之间的时间范围从几十微秒到小于1微秒，随着电场的增加而减小。在GEM底侧的高压电源路径中使用去耦电阻器可将这些放电的发生转移到更高的电场。
The O2 software framework and GPU usage in ALICE online and offline reconstruction in Run 3
针对LHC Run 3中ALICE实验数据处理速率提升100倍的需求，研发了基于消息传递的O2计算系统，同步重建以GPU上的TPC处理为主，正推进将其他探测器计算负载卸载到GPU以利用异步阶段集群算力。
ALICE TPC upgrade for High-Rate operations
为了满足大型强子对撞机（LHC）未来高亮度环境的需要，提出了一种新型的时间投影室（TPC），用于对ALICE（A Large Ion Collider Experiment at CERN）进行升级改造。该装置将依赖于基于微图案气体检测器（MPGD）的技术（特别是气体电子倍增器（GEM））的固有离子回流（IBF）抑制。GEM旨在最大限度地减少主漂移体积中的空间电荷效应，因此不需要标准选通栅极和由此产生的固有死区时间。这样，就有可能读出大型强子对撞机（LHC）在运行3中高亮度重离子时代以预期的50 kHz峰值相互作用速率提供的所有最小偏差Pb-Pb事件。新的读出电子设备将以高达1~ TB/s的速率将连续数据流发送到新的在线农场。新的读出室将由4个GEM箔堆叠而成，这些箔结合了不同的孔间距。除了低离子回流（$<$ 1）之外，其他重要要求是良好的能量分辨率（对于$^{55}$ Fe X射线，优于12（sigma））和操作稳定性。
GPU-based reconstruction and data compression at ALICE during LHC Run 3
在LHC运行3中，ALICE将显著提高数据采集速率至50 kHz连续读出最小偏置Pb-Pb碰撞。在线离线计算升级的重建策略预见了在数据获取期间的第一同步在线重建阶段，使得能够进行检测器校准，以及后校准的异步重建阶段。数据速率的显著增加对在线和离线重建以及数据压缩提出了挑战。与运行2相比，在线场每秒必须处理50倍以上的事件，并实现更高的数据压缩系数。ALICE将依靠GPU实时执行时间投影室（TPC）探测器的实时处理和数据压缩，这是数据速率的最大贡献者。通过在线农场中的GPU，我们正在评估它们在硅内部跟踪系统（ITS）和过渡辐射探测器（TRD）的异步重建期间的完整跟踪链中的使用情况。该软件以通用方式编写，因此它也可以在具有相同重建输出的WLCG上的处理器上运行。我们给出了一个概述的状态和当前性能的重建和数据压缩实现的GPU上的TPC和全局重建。
Data compression using correlations and stochastic processes in the ALICE Time Projection chamber
本文介绍了对欧洲核子研究中心ALICE实验的时间投影室（TPC）探测器产生的数据进行在线无损和准无损压缩的算法。第一种算法基于无损源代码建模技术，即，原始TPC信号信息可以在解压缩阶段无错误地重建。源模型利用TPC数据中存在的时间相关性来减少源的熵。第二种算法基于有损源代码建模技术。为了评估由有损压缩引入的误差的后果，分析离线处理数据的轨迹跟踪算法的结果，特别是关于由压缩引入的噪声。离线分析分为两个步骤：聚类发现和跟踪发现。这些算法是如何受到有损压缩的结果报告。在这两种压缩技术中，熵编码被应用于由源模型定义的事件集合，以将比特率降低到对应的源熵。使用TPC模拟数据，无损和有损压缩实现了数据减少到原始数据速率的49.2%，并分别在35%到30%的范围内，取决于所需的precision.In这项研究中，我们专注于方法，这是很容易实现的前端TPC电子。
Tracking performance in high multiplicities environment at ALICE
在LHC运行3中，ALICE将显著提高数据采集速率，达到50 kHz连续读出最小偏压Pb-Pb事件。这对在线和离线计算基础设施提出了挑战，要求每秒处理50倍于运行2的事件，并将数据压缩比从5提高到20。这种高数据压缩是不可能的无损ZIP类算法，但它必须使用的结果，从在线重建，这反过来又需要在线校准。这些重要的在线处理步骤是计算最密集的步骤，将使用GPU作为硬件加速器。新的在线功能已在运行2期间在高级触发器（HLT）在线处理场中进行测试。运行3的TPC（时间投影室）跟踪算法源自当前HLT在线跟踪，并基于元胞自动机和卡尔曼滤波器。HLT已经部署了TPC漂移时间的在线校准，这需要扩展到空间电荷失真校准。这需要对额外的探测器进行在线重建，如TRD（跃迁辐射探测器）和TOF（飞行时间）。我们提出了这些发展的原型，特别是一个数据压缩算法，实现了运行2 TPC数据的压缩因子~9，和在线TRD跟踪的效率。我们展望了TPC跟踪与连续读出的挑战。
Upgrade of the ALICE central barrel tracking detectors: ITS and TPC
ALICE合作将在第二次LHC长周期LS 2（2019-2020）期间对探测器设备进行重大升级，以应对2013年和2014年（2021-2029）。升级的目标有两个方面：i）提高跟踪精度和效率，特别是在低动量范围内; ii）提高实验的读出能力，以便充分利用LS 2之后设想的重离子的亮度。第一个目标将通过用一个新的跟踪器取代内部跟踪系统来实现，该跟踪器由七层硅像素探测器组成。新的跟踪器将由大约25000个单片有源像素传感器组成，具有快速读出功能，从而使材料厚度减少到辐射长度的0.3%（内层）- 1%（外层），粒度为$28\times28$ $μ$ m $^2$。除其他措施外，将通过用微图案气体探测器取代90 m $^3$时间投影室的读出室来实现第二个目标。特别是，新的读出室将由4个气体电子倍增器箔堆叠而成，并结合不同的孔间距。升级后的探测器将在不使用触发门控栅极的情况下连续运行。因此，它将能够以50 kHz的LHC相互作用速率记录所有Pb-Pb碰撞。
FPGA Co-processor for the ALICE High Level Trigger
ALICE实验的高电平触发器（HLT）需要大量的并行计算。HLT系统的主要任务之一是对ALICE的主要数据源时间投影室（TPC）的原始数据进行二维聚类发现。为了减少HLT场所需的计算节点数量，将使用FPGA（系统的固有部分）来完成此任务。编写了实现快速聚类分析算法的VHDL代码，开发了验证代码功能的测试平台，并对代码进行了综合
Usage of GPUs for online and offline Reconstruction in ALICE in Run 3
针对ALICE Run 3中50 kHz Pb-Pb碰撞数据的处理需求，报告介绍了利用GPU优化TPC数据在线处理、拓展离线重建任务的经验及在Pb-Pb和pp处理中的性能表现。
Particle identification studies with a full-size 4-GEM prototype for the ALICE TPC upgrade
大型时间投影室是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（CERN LHC）ALICE实验中用于跟踪和识别带电粒子的主要设备。在2019/20年的第二次长时间关闭之后，LHC将以约50 kHz的相互作用速率提供Pb束碰撞，这比TPC目前的读出速率高出约50倍。这将导致对稀有探测器的灵敏度显着提高，这些探测器被认为是描述此类碰撞中产生的QCD物质的关键可观测量。为了充分利用这种亮度，目前使用的门控多丝正比室将被取代。升级依赖于采用气体电子倍增器技术的连续操作的读出探测器，以通过测量电离的比能损失d $E$ /d $x$来保持粒子识别方面的性能。2014年组装了一个全尺寸的读出室原型，其特征是一堆四个GEM箔作为放大级。原型的性能在CERN PS的测试束活动中进行了评估。d $E$ /d $x$分辨率符合当前运行的基于MWPC的读出室的性能和ALICE TPC升级计划的挑战性要求。读出系统的详细模拟能够再现数据。
First operation of an ALICE OROC operated in high pressure Ar-CO$_{2}$ and Ar-CH$_{4}$
本文测试了ALICE TPC的MWPC作为高压气体TPC读出室的可行性，在高达4.8 bar压力下成功运行，并外推出在10 barA下可达到所需增益。
Online Pattern Recognition for the ALICE High Level Trigger (tracking and compression techniques)
ALICE高级触发器必须在线处理数据，以便选择感兴趣的（子）事件，或者通过建模技术有效地压缩数据。聚焦于主要的数据源，时间投影室（TPC），我们提出了两种模式识别方法的调查：一个顺序的方法（集群发现者和跟踪）和迭代的方法（候选人跟踪发现者和集群反卷积器）。结果表明，前者适用于pp和低多重数PbPb碰撞，而后者可能适用于dN/dy>3000的高多重数PbPb碰撞.基于开发的跟踪计划，我们表明，使用建模技术的压缩因子约为10可能是可以实现的。
Signal shapes in multiwire proportional chamber-based TPCs
本文研究了ALICE TPC中基于多丝正比室信号的离子尾效应，通过实验与Garfield模拟对比，评估其对dE/dx分辨率的影响，并验证了离线校正程序的可行性。
The upgrade of the ALICE TPC with GEMs and continuous readout
ALICE TPC的升级将使实验能够应对即将到来的CERN LHC运行3和运行4的高相互作用率。在这篇文章中，我们描述了新的读出室和前端电子，这是由实验的目标驱动的设计。气体电子倍增器（GEM）探测器排列在堆栈中，每个探测器包含四个GEM，以及基于SAMPA芯片的连续读出电子设备，ALICE开发，正在取代以前的元件。这些新的元素，连同其相关的质量控制程序的建设，详细解释。最后，读出室和前端电子卡的更换，以及安装在实验洞穴之前的探测器的调试，介绍。经过九年的研发、建造和组装，TPC的升级于2020年完成。
Large-scale real-time signal processing in physics experiments: The ALICE TPC FPGA pipeline
ALICE TPC在LHC Run 3中升级为连续读取模式，需实时处理高达3TB/s的原始数据，通过定制FPGA流水线实现前端数据处理，包括共模校正、基底减去、离子尾过滤等，以提高高负载条件下的信号恢复精度。
Improvements of the ALICE HLT data transport framework for LHC Run 2
ALICE HLT使用一种基于转发器-用户消息原理的数据传输框架，该框架透明地处理网络上的处理组件之间的通信以及同一节点上的处理组件之间经由共享存储器以零拷贝方法的通信。我们提出了一个分析的性能方面的最大可实现的数据速率和事件速率，以及在运行1和运行2的处理能力。基于这种分析，我们提出了新的优化，我们已经开发的ALICE在运行2。这些包括通过Zero-MQ支持异步传输，Zero-MQ在重建链图中启用循环，并用于将QA直方图发送到DQM。我们增加了异步处理功能，以支持长期运行的任务，除了正常的HLT操作中的事件同步重建任务。这些异步组件在隔离的进程中运行，使得HLT作为一个整体甚至对这些异步组件中的致命错误具有弹性。通过这种方式，我们可以确保新的发展不会破坏数据采集。最重要的是，我们已经调整了处理链，以应对新TPC读出电子设备（RCU 2）预期的更高事件和数据速率，并且我们已经改进了配置程序和启动时间，以增加ALICE可以获取物理数据的时间。考虑到CPU和GPU的处理能力、缓冲区大小、网络带宽、来自探测器的传入链路以及到数据采集的传出链路，我们分析了可实现的最大数据处理速率。
GPU performance in Run3 ALICE online/offline reconstruction
本研究介绍了ALICE实验Run 3阶段依托GPU实现3.5TB/s到170GB/s的在线数据压缩，及利用空闲在线集群GPU加速离线重建的进展，还重点阐述了径迹模型解码任务的GPU卸载工作，旨在提升重建效率与资源利用率。
The ALICE O2 common driver for the C-RORC and CRU read-out cards
ALICE（大型离子对撞机实验）是重离子探测器，旨在研究在欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的相对论性重离子碰撞中实现的物质的强相互作用态。计划在2019-2020年长期关闭期间对实验进行重大升级。为了应对比LHC运行1期间高100倍的数据速率以及时间投影室（TPC）的连续读出，有必要将在线和离线计算升级到称为O2的新通用系统。O2读出链将使用商品x86 Linux服务器，并配备基于FPGA的定制PCIe读出卡。本文讨论了将在O2中使用的卡的驱动程序架构：PCIe v2 x8、基于Xilinx Virtex 6的C-RORC（通用读出接收器卡）和PCIe v3 x16、基于Intel Arria 10的CRU（通用读出单元）。通过三层软件提供对PCIe卡的访问。首先，低层PCIe（PCI Express）层负责低层操作的用户空间接口，例如内存映射PCIe BAR（基址寄存器）和创建分散-聚集列表，这是由法兰克福高级研究所（FIAS）开发的PDA（便携式驱动程序架构）库提供的。在此之上是我们的用户空间驱动程序，它实现同步，控制读出卡-例如重置和配置卡，为它提供总线地址以传输数据并检查数据到达-并提供统一的高级C++接口，该接口抽象了C-RORC和CRU之间的差异。该接口主要用于高性能读出过程，允许用户配置和使用读出卡的各个方面，如配置、DMA传输和前端命令。[...]
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