מדהים מאיץ החלקיקים מתכווץ

•מאיץ החלקיקים של המדע? צריכים להאיץ את עצמנו לחזור בתשובה!• הרב אמנון יצחק שליט"א (יוני 2019).

Anonim

מאיצי החלקיקים נמצאים על סף פריצות דרך מהמעבר - והתקדמות בתחום המחשוב והטכניקות הן חלק גדול מהסיבה.

מוערך זמן רב לתפקידם גילוי מדעי ביישומים רפואיים ותעשייתיים כגון טיפול בסרטן, עיקור מזון ופיתוח תרופות, מאיצי חלקיקים, למרבה הצער, תופסים הרבה מקום לשאת תגי מחיר חסון. קולון ההדרון הגדול ב- CERN בצרפת ובשווייץ, למשל - מאיץ החלקיקים הגדול והחזק בעולם - בעל היקף של 17 ק"מ ועלות של 10 מיליארד דולר לבנייה. אפילו מאיצים קטנים יותר, כגון אלה המשמשים במרכזים רפואיים לטיפול בפרוטונים, זקוקים למרחבים גדולים כדי להתאים את החומרה, ספקי הכוח והקרנות. מתקני טיפול כאלה בדרך כלל למלא גוש העיר עלות מאות מיליוני דולרים כדי לבנות.

אבל המאמצים נמצאים בעיצומו כדי להפוך את הטכנולוגיה הזו לזולה יותר נגיש על ידי התכווצות הן את הגודל ואת העלות מבלי לאבד את היכולת. אחת ההתפתחויות המרגשות ביותר היא מאיץ הפלזמה, המשתמש בלייזרים או בקורות חלקיקים במקום בגלי תדר רדיו כדי ליצור את שדה האיצה. חוקרים כבר הראו את הפוטנציאל של פלזמה לייזר האצה להניב משמעותי יותר קומפקטי מאיצים. אבל פיתוח נוסף נחוץ לפני התקנים אלה, כפי שחזה כמעט כמו "השולחן" פשוט ביישומים שימושיים רבים - לעשות את דרכם לתוך השימוש היומיומי.

זה המקום שבו כלי ויזואליזציה מתקדמים מחשבי כגון NERSC של אדיסון מערכות קורי נכנסים.

"כדי לנצל את היתרונות החברתיים של מאיצי החלקיקים, נדרשים שיפורים בשינוי גודל וגודל המאיצים, ומאיצי החלקיקים המבוססים על פלזמה עומדים בנפרד ביכולתם של שיפורים אלו", אמר ז'אן לוק ווי, פיסיקאי בכיר במחלקת המאיץ של ברקלי, ובפיסיקה יישומית (ATAP).

Vay הוא מוביל פרויקט מאיץ החלקיקים דוגמנות כחלק מתוכנית NESAP ב ברקלי מעבדה של אנרגיה הלאומית מחקר מדעי המחשוב מרכז (NERSC) והוא החוקר הראשי על אחד הפרויקטים מחשוב exascale חדש בחסות משרד האנרגיה של ארה"ב (DOE). "הפיכתו של טכנולוגיה מבטיחה לכלי מדעי מרכזי תלויה באופן ביקורתי במודל בקנה מידה גדול, בעל ביצועים גבוהים, באיכות גבוהה של תהליכים מורכבים המתפתחים על פני טווח רחב של קשקשים בחלל ובזמן", אמר.

Vay וצוות של מתמטיקאים, מדעני מחשבים ופיסיקאים פועלים לעשות זאת רק על ידי פיתוח כלי תוכנה שיכולים להקל על הדמיה, ניתוח והדמיה של מערכי הנתונים גדולים יותר ויותר המיוצרים במהלך מחקרים מאיץ החלקיקים.

מודלים Accelerator הוא הזדמנות לעזור להוביל את הדרך ליישומים exascale, ציין מנהל חטיבת ATAP וים Leemans. "בילינו שנים בהכנות להזדמנות זו", הוא אמר, והצביע על השימוש הנפוץ כבר בעיצוב מודלים מואצים ובמסורת של שיתוף פעולה בין מומחי פיסיקה ומומחיות, שהייתה סימן ההיכר של עבודת המודלים של ATAP.

"אחד הגורמים המניעים במחקר שלנו הוא המעבר ל- exascale וכיצד הדמיית הנתונים משתנה", הסביר Burlen Loring, מהנדס מערכות מחשבים, שהוא חלק משיתוף הפעולה, יחד עם אוליבר רובל, דוד גרוט, רמי לה, סטפן בולנוב ואת ווס Bethel, כל המעבדה ברקלי, אנרי וינסנטי, חוקר דוקטורנט ברקלי מעבדה של CEA בצרפת. "עם מערכות exascale, ויזואליזציה מסורתית הופכת אוסרני כמו סימולציה לקבל גדול המכונות לקבל אחסון גדול יותר את כל הנתונים לא עובד ואת מערכות הקבצים ואת רוחב הפס של נתוני נתונים לא לשמור על קשר עם קיבולת המחשוב."

ב Situ כדי להציל את

עכשיו, במאמר שפורסם ב 9 ביוני IEEE המחשב גרפיקה ויישומים (IEEE CG & A), הצוות מתאר גישה חדשה לאתגר זה: WarpIV. WarpIV הוא סימולציה של פלזמה ומאיץ, הדמיית נתונים וניתוח כלים שמתחתן עם שני כלי תוכנה שכבר נמצאים בשימוש נרחב בפיזיקה באנרגיה גבוהה: עיוות, מסגרת סימולציה מתקדמת של החלקיקים בתא, ו- VisIt, יישום ויזואליזציה מדעי תלת ממדי התומך הטכניקות הנפוצות ביותר להדמיה. יחד, הם נותנים למשתמשים את היכולת לבצע הדמיה באתרה וניתוח של סימולציות מאיץ החלקיקים שלהם בקנה מידה - כלומר, בעוד הסימולציות עדיין פועל באמצעות אותם משאבי מחשוב ביצועים גבוהים, ובכך להפחית את השימוש בזיכרון ולשמור את זמן המחשב.

"יש לנו דחיפה זו להעביר חלק ניכר מעבודת ההדמיה שלנו לתחום האתר", אמר לורינג. "עבודה זו היא צעד בכיוון זה, היא הראשונה שלנו לקחת על האתר עבור מאיצי פלזמה לייזר ההזדמנות הראשונה שלנו להשתמש בו על בעיה מדעית אמיתית."

פונקציה העיקרית של WarpIV היא לנהל ולשלוט מקצה לקצה, סימולציה משולבת באתר ויזואליזציה באתגר וניתוח עבודה. כדי להשיג זאת, WarpIV תומך בארבעת מצבי הפעולה העיקריים - אצווה, ניטור, אינטראקציה ומהירה - כל אחד מהם בתורו תומך בגישה שונה לגילוי מדעי באתר. WarpIV גם משתמש בעיצוב תבנית המפעל להגדיר מודלים סימולציה, המאפשר למשתמשים ליצור סימולציה חדשה מודלים ניתוח באתרה באופן עצמאי; פייתון מבוסס ויזואליזציה וניתוח סקריפטים.

"אחד מגורמי התכנון שיקלו על המדענים להשתמש ב- WarpIV הוא היכולת להשתמש בסקריפטים של Python שהופעלו באופן אוטומטי ב- VisIt", הסביר לורינג. "המדען לוקח מערך נתונים מייצג לפני שהם עושים את הריצות שלהם מגיע עם סקריפטים להדמיה, ואז הם פותחים את הנתונים נציג ב- VisIt ולהשתמש בתכונה הקלטה כדי להקליט באופן אוטומטי את הפעולות שלהם לתוך סקריפט Python. ואז WarpIV לוקח את התסריטים האלה ומפעיל אותם בסביבה באתרה ".

תכונה מרכזית נוספת של WarpIV היא האנליזה המשולבת שלה, ובמיוחד, מינים של חלקיקים מסוננים, המאפשרים למשתמשים לבחור תכונות מסוימות של עניין ממאות מיליוני החלקיקים הנדרשים לסימולציה מדויקת.

"לעתים קרובות מאוד כאשר אתה עושה להדמיה, במיוחד באתרם, אתה רוצה למזער כמה זמן אתה מבלה על זה, ואתה יכול לעשות זאת על ידי התמקדות תכונות מסוימות, " הסביר Rübel. "במקרה זה, למשל, אתה צריך מספר גדול של חלקיקים כדי לדמות את התהליך, אבל התכונות שאתה מעוניין, כגון קרן כי הוא שחולצו מן הרקע פלזמה, הולכים להיות הרבה יותר קטן מזה. את התכונות האלה ואת ביצוע הניתוח בזמן שהסימולציה פועלת, זה מה שאנחנו מכנים מינים מסוננים, זהו מנגנון שפותח לא רק כדי לעשות מגרשים, אלא כדי למצוא את מה שאתה רוצה לתכנן ".

לקראת 3-D דוגמנות

וורפיב, אשר Rübel בתחילה אב טיפוס בשנת 2013, גדל מתוך שיתוף פעולה בין שני פרויקטים DOE SciDAC: SDAV (Scalable Data Management, ניתוח ויזואליזציה) ו Compass (קהילה פרויקט עבור Accelerator מדע וסימולציה) תוכניות. העבודה נתמכה גם לאחר מכן על ידי CAME של DOE (קונסורציום עבור מודלים מתקדמים של חלקיקים Accelerators) תוכנית.

ערכת הכלים של WarpIV, הממשיכה לעבור פיתוח, התגלגלה באופן רשמי ביוני 2016 וזמינה דרך bitbucket. בדיקות ראשוניות הניבו תוצאות חיוביות במונחים של מדרגיות, ביצועים, שימושיות והשפעה מוכחת על המדע.

לדוגמה, במחקר שהוביל לנייר IEEE CG & A, הצוות ניהל סדרה של סימולציות של מאיצי יונים בתלת ממד ו -3 D כדי לנתח את הביצועים של WarpIV ואת יכולת ההרחבה שלה. השוואה של סימולציות אלה חשפו הבדלים כמותיים משמעותיים בין מודלים 2 ד ו 3 D, המדגיש את הצורך הקריטי עבור סימולציות תלת מימדיות ברזולוציה גבוהה יחד עם הדמיה מתקדמת באתרה וניתוח כדי לאפשר את הדגימה המדויקת ואת המחקר של גזעים חדשים של חלקיקים מאיצים.

בסדרה תלת מימדית אחת, הם עקבו אחר זמן הריצה של חמש קטגוריות של פעולות ב 50- איטרציה סימולציה עדכונים ומצא כי, בכל עדכון, הדמיה, ניתוח I / O פעולות נצרך 11-15 אחוזים מכלל הזמן, בעוד השאר נעשה שימוש על ידי סימולציה - יחס החוקרים רואים "סביר למדי." הם גם מצאו כי הגישה באתרה הפחית את עלות I / O על ידי גורם של יותר מ 4000x.

יש ביקוש רב לקודי סימולציה תלת-ממדיים הפועלים בזמן סביר ולבצע מודלים מדויקים של מאיץ עם יכולת ניבוי כמותית נכונה, הדגיש וי.

"אנחנו רוצים להיות מסוגלים לערוך ניסויים על תאוצה יונית, ולכן במקרה זה חשוב מאוד יש כלי סימולציה עובד לחזות ולנתח כל מיני ניסויים ותיאוריות הבדיקה", אמר Bulanov, מדען מחקר במעבדה ברקלי מרכז לייזר Accelerator שעובד בשיתוף פעולה הדוק עם Vay. "ואם הסימולציות לא יוכלו לעמוד בקצב הניסוי, זה יאט אותנו בצורה משמעותית".

בעקבות שימוש בכלים באתר כמו WarpIV יהיה בעל ערך רב יותר, כאשר מחשבי העל יעברו לארכיטקטורות רבות יותר של מורקור.

"Warpiv מספק הדמיה ב 3-D כי לא היינו יכולים להשיג בקלות באמצעות כלי הדמיה הקודם שלנו, אשר לא היו קנה המידה גם ליבות חישוביות רבות", אמר.

menu
menu