Dispositivo desarrollado en Brasil es pieza clave en la actualización del LHC

OpenIPMC garantiza el funcionamiento confiable de la toma de datos de los detectores del Gran Colisionador de Hadrones

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Un equipo concebido y fabricado en Brasil será el primer controlador de gestión totalmente abierto para la electrónica de los detectores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el mayor acelerador de partículas del mundo. El OpenIPMC es resultado de una colaboración entre el São Paulo Research and Analysis Center (SPRACE) y la empresa Lynx Tecnologia Eletrônica, y será utilizado en 1,000 placas del Compact Muon Solenoid (CMS), uno de los dos principales detectores del colisionador – y también en el Atlas, otro detector multipropósito. El LHC es un anillo subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia, donde haces de protones colisionan a altísimas energías. Su objetivo es investigar la estructura fundamental de la materia y del Universo. Fue construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por su sigla oficial en francés) en la frontera entre Suiza y Francia.

El SPRACE es un centro de investigación que actúa en las áreas de ciencia básica, computación de alto rendimiento e innovación digital. Creado en 2003 con apoyo de la FAPESP, el centro hace posible la participación de investigadores en física de altas energías del estado de São Paulo en la colaboración CMS.

Un IPMC (Intelligent Platform Management Controller) es un dispositivo de gestión inteligente que supervisa placas electrónicas en sistemas de alto rendimiento. Monitorea temperatura, voltaje, intensidad de corriente eléctrica y mensajes de error, además de controlar estados de operación (encendido, apagado, reinicio) e integrar diferentes componentes. Es fundamental para garantizar que miles de placas funcionen de forma estable en ambientes críticos. En el LHC, el IPMC es una pieza clave para coordinar las unidades de sensoriamento de las colisiones con las unidades de procesamiento, que traducen los datos en información útil para los investigadores.

El problema, hasta hace poco, era que los IPMC eran provistos por grandes empresas privadas y sujetos a acuerdos de confidencialidad (NDAs, por sus siglas en inglés). Cada ajuste, grande o pequeño, requería la intervención de la empresa proveedora, lo que generaba cuellos de botella en tiempo y costos – y exasperaba a los investigadores. La solución encontrada fue desarrollar un IPMC abierto, que permitiera a los científicos configurar y adaptar el sistema libremente. Ese fue el detonante para la creación del OpenIPMC.

“El OpenIPMC rompió una barrera importante: hardware, firmware y software son abiertos. Será un componente fundamental de un sistema que procesa en línea 100 terabits de datos experimentales por segundo, minimiza fallas y asegura operación continua, permitiendo que las colisiones del LHC sean observadas con el experimento siempre en máximo rendimiento”, afirma el físico Sérgio Novaes, profesor titular de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) y coordinador del SPRACE.

El dispositivo es parte esencial de la arquitectura electrónica ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture), responsable de las funciones del tracker (rastreador), que registra la trayectoria de las partículas justo después de las colisiones en el CMS – cuya actualización costará 120 millones de dólares. Estándar internacional de arquitectura electrónica creada inicialmente para telecomunicaciones, la ATCA se utiliza hoy en áreas que exigen alta confiabilidad y gran ancho de banda, como física de partículas, computación cuántica e ingeniería aeroespacial. Las funcionalidades de la ATCA dependen críticamente del desempeño del IPMC.

Tracker del CMS: la actualización multimillonaria del LHC permitirá la detección de fenómenos aún más raros, pero también aumentará el desafío de analizar hasta 200 colisiones simultáneas de partículas en cada evento (foto: Cern/divulgación)

“El tracker del CMS es un detector extremadamente sofisticado que determina la trayectoria de las partículas producidas en las colisiones, proporcionando información crucial sobre carga, momento y vértices de decaimiento. El sistema se divide en dos partes: el front-end –módulos sensores instalados en la caverna experimental, junto al detector– y el back-end – la electrónica de alimentación, lectura, sincronización, preprocesamiento, trigger [sistema responsable de decidir, en tiempo real, qué colisiones deben registrarse y cuáles pueden descartarse] y control. El back-end utiliza alrededor de 750 placas en el tracker y 250 en otros subdetectores, totalizando 1,000 placas que requieren gestión. Ahí entra el IPMC. Garantiza el funcionamiento confiable de ese sistema. En resumen, es el ‘administrador’ que asegura la confiabilidad del detector”, detalla Novaes.

Lynx Tecnologia Eletrônica, fundada por docentes de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP), ya entregó el primer lote de 100 placas al CERN, para pruebas, y prepara la fabricación de 1,000 unidades para el CMS, bajo la supervisión del profesor Luiz Antonio Coelho, de la Poli. “Fabricar las 1,100 unidades del OpenIPMC para el CERN representa no solo un hito técnico, sino también demuestra la capacidad de la industria brasileña de atender los más rigurosos estándares internacionales”, celebra Coelho.

Primer lote de placas OpenIPMC: versión abierta del IPMC, desarrollada en Brasil por el SPRACE en asociación con la empresa Lynx. A diferencia de las soluciones propietarias, permite que los investigadores accedan, modifiquen y adapten libremente hardware, firmware y software, acelerando la innovación científica y tecnológica (foto: Cern/divulgación)

Brasil es la cuna del desarrollo del OpenIPMC, iniciado en 2019 y liderado por el físico italiano Luigi Calligaris. En esa tarea, Calligaris contó con apoyo de la FAPESP por medio de un subsidio de investigación enfocado en el desarrollo de instrumentación dentro de la modalidad Jóvenes Investigadores.

Aunque fue proyectado para el CMS, el éxito del OpenIPMC llamó la atención del equipo del Atlas, el otro gran detector multipropósito del LHC. “Es raro que un mismo componente sea compartido entre ambos experimentos, porque tienen arquitecturas independientes. El impacto de lo que hicimos fue tan grande que el Atlas también decidió adoptar nuestra solución”, observa Novaes.

Además del LHC, el OpenIPMC ya se está implementando en el ecosistema de computación cuántica QSolid, parte de la estrategia nacional de Alemania, y será instalado en el TRISTAN, una extensión del experimento KATRIN, dedicado a la búsqueda de neutrinos estériles. La solución también despierta interés en sectores como defensa, aeroespacial y fusión nuclear.

El CMS opera en un ambiente de altísima complejidad. Cada bunch (paquete de partículas) contiene alrededor de 10¹⁵ protones. Y dos bunchs, que circulan en sentidos contrarios, colisionan cada 25 nanosegundos. En el régimen del High Luminosity LHC, la actualización multimillonaria actualmente en curso, habrá hasta 200 vértices de colisión simultáneos por evento (pileup). El tracker necesita identificar el origen de cada partícula en medio de ese entramado. “Es un desafío científico y tecnológico gigantesco, y el OpenIPMC tiene un papel crucial para asegurar que el sistema de 1,000 placas opere sin fallas”, subraya Calligaris.

Para los investigadores del SPRACE, el OpenIPMC proyecta la tecnología brasileña a un nuevo nivel. “Estamos ayudando a transformar a Brasil de consumidor en proveedor de tecnología crítica en la frontera del conocimiento científico”, resume Novaes.