Análise da Implementação de Redes Neurais em Hardware Utilizando hls4ml no Contexto do LHC L1 Trigger

dc.contributor.advisorFerraz, Victor Araujo
dc.contributor.authorNunes, Marcus Vinicius Silva
dc.contributor.referees1Martins, Allan de Medeiros
dc.contributor.referees2Soares, Antonio Wallace Antunes
dc.date.accessioned2025-01-29T12:42:32Z
dc.date.available2025-01-29T12:42:32Z
dc.date.issued2025-01-28
dc.description.abstractWith the anticipated increase in data rate and complexity at the LHC after the upgrade to HL-LHC, advanced machine learning techniques are being explored to ensure adequate latency and performance, particularly in the selection of relevant events (triggers) for the CMS and ATLAS experiments. The implementation of neural networks in field-programmable gate arrays enables real-time analysis with latencies on the order of nanoseconds, surpassing the latency limitations of GPUs. However, this approach presents significant challenges in terms of resource consumption and physical space, as underground detector systems have limited FPGA capacity and must execute thousands of tasks simultaneously. To meet resource constraints, techniques such as model quantization and compression are applied to reduce neural network sizes without compromising latency. Additionally, due to the long development time required for HDL implementation, high-level synthesis (HLS) tools have been adopted to automate the hardware description process. In this context, the hls4ml library uses HLS to convert neural network models developed in Python to HDL, streamlining and accelerating development. This work presents an evaluation of the hls4ml library’s features, examining how it can be used to optimize neural networks in hardware to meet the LHC L1 trigger requirements, reducing latency and resource usage without significant performance loss.pt_BR
dc.description.resumoCom o aumento previsto da taxa de dados e complexidade no LHC após o aprimoramento para o HL-LHC, técnicas avançadas de aprendizado de máquina estão sendo pesquisadas para garantir latência e performance adequadas, principalmente na seleção de eventos re- levantes (triggers) nos experimentos CMS e ATLAS. A implementação de redes neurais em field-programmable gate arrays possibilita a análise em tempo real com latências na ordem de nanossegundos, superando as limitações de latência de GPU. No entanto, essa abordagem apresenta desafios significativos em termos de consumo de recursos e espaço físico, uma vez que os sistemas de detecção em cavernas subterrâneas têm capacidade limitada de FP- GAs e precisam executar milhares de tarefas simultaneamente. Para atender às restrições de recursos, técnicas como quantização e compressão de modelos são aplicadas para redu- zir o tamanho das redes neurais sem comprometer a latência. Além disso, devido ao longo tempo de desenvolvimento exigido para implementação em HDL, ferramentas de high-level synthesis (HLS) têm sido adotadas para automatizar o processo de descrição de hardware. Nesse contexto, a biblioteca hls4ml utiliza HLS para converter modelos de redes neurais de- senvolvidos em Python para HDL, facilitando e agilizando o desenvolvimento. Neste trabalho é apresentado uma avaliação das características da biblioteca hls4ml, examinando como ela pode ser utilizada para otimizar redes neurais em hardware para atender aos requisitos do LHC L1 trigger, reduzindo latência e uso de recursos sem perda significativa de desempenho.pt_BR
dc.identifier.citationNUNES, Marcus Vinicius Silva. Análise da Implementação de Redes Neurais em Hardware Utilizando hls4ml no Contexto do LHC L1 Trigger. 2025. 76 f.Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica) - Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2025.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/62210
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentEngenharia Elétricapt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programEngenharia Elétricapt_BR
dc.rightsAttribution-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/*
dc.subjectAprendizado de Máquinapt_BR
dc.subjectFPGApt_BR
dc.subjectLHC L1 Triggerpt_BR
dc.subjectHls4mlpt_BR
dc.titleAnálise da Implementação de Redes Neurais em Hardware Utilizando hls4ml no Contexto do LHC L1 Triggerpt_BR
dc.title.alternativeAnalysis of Neural Network Implementation in Hardware Using hls4ml in the Context of the LHC L1 Triggerpt_BR
dc.typebachelorThesispt_BR

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