下一代计算如何启用下一代物理

大型强子对撞机 - 世界上最大,最强大的粒子加速器 - 使用云计算来使有关宇宙的新发现。

詹妮弗·罗兰·卡迪恩特(Jennifer Roland Cadiente)

詹妮弗·罗兰·卡迪恩特(Jennifer Roland Cadiente)2022年11月17日

就在瑞士日内瓦(Geneva)外面,仅距瑞士与法国边界的步骤,是欧洲核研究组织,也称为CERN。在那里,在地下100米处的巨大隧道中,这是一台最宏伟的机器:大型强子对撞机(LHC),其中的数据正在彻底改变物理领域。

环形LHC组成了1,200多个汽车长度磁铁,与近400个较小的磁铁一起延伸27公里,是世界上最大的粒子加速器。Commissioned in 2008, its job sounds simple enough yet is incredibly complex — to catapult and supercharge trillions of protons until they’re traveling at nearly the speed of light, then collide them into each other so that scientists can observe what happens and, in so doing, uncover new laws of physics.

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近15年来,CERN的科学家一直使用LHC进行突破性的物理发现。但是,即使是地球上最强大的机器,最终都需要休息。因此,该机器以适合并启动运行。它的首次运行始于2009年,于2013年结束,此后经历了为期两年的升级和维护。它的第二次跑步始于2015年,于2018年结束。三年后,它终于在云计算的帮助下重新工作了。

用云制作“大爆炸”

研究亚原子颗粒行为的理论物理学家使用LHC检验其假设。在2012年,他们碰到物理黄金时希格斯玻色子。否则被称为“上帝粒子”,据信造成了数十亿年前创造了宇宙及其中的所有东西的“大爆炸”。研究它和其他颗粒可以帮助科学家对宇宙中恒星,星系和行星的形成方式有更深入的了解。

“这希格斯玻色子不能通过在某个地方找到它来“发现”它,而必须在粒子碰撞中创建。” Cern在其网站上解释说。

“一旦创建,它就会转化或'衰减',变成可以在粒子探测器中检测到的其他粒子。”

物理学家在检测器收集的数据中寻找这些颗粒的痕迹。

Cern解释说:“面临的挑战是,这些颗粒也是在许多其他过程中产生的,而且希格斯玻色子仅出现在十亿个LHC碰撞中的大约中。”

尽管Higgs玻色子是干草堆中的针头,但CERN科学家在高级计算的帮助下发现了它。

“ [在LHC上]的实验每秒都会在数据量生成周围生成,但是我们没有能力分析所有这些,大多数都是噪声。复杂的过滤系统将捕获率降低到每秒数十千兆字节的速度。即使那样,我们每年仍在添加大量数据。” Cern的计算机工程师Ricardo Rocha告诉Google Cloud自2019年以来,一直与CERN合作,探索公共云中LHC实验的使用。

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“我们正在探索的资源密集型任务,例如机器学习,通常需要专业的硬件……[[云计算]为我们的IT基础架构打开新的选项,以访问GPU和其他类型的加速器硬件。”

根据CERN理论物理学家Sophie Renner的说法,增加的计算能力可以帮助物理学家发现更多的新颗粒。

她在今年早些时候说:“如果存在这些,他们可以回答一些困扰我们的问题。”视频采访

“例如,一个很大的是:似乎将星系扎在一起的暗物质是什么?如果这是一种类型的粒子,那么它可能与我们可能能够在LHC上看到的一些长寿命颗粒密切相关。”

数据洪水

LHC于2022年7月正式开始了第三次运行,将使用经过微调以创建更精确计算的仪器来搜索“长寿命颗粒”。

But scientists still need to be able to ingest and manage those calculations, according to Mélissa Gaillard, communications officer for CERN’s IT department, who said the team at CERN used the LHC’s three-year hiatus to “get ready to store and analyze more than 600 petabytes of data … equivalent to over 20,000 years of 24/7 HD video recording.” That’s more data than the LHC produced in its two previous runs combined.

Cern使用云将大规模的数据存储转变为有意义的见解:收集数据后,Gaillard解释说,它将其发送到CERN数据中心进行初始重建和备份。接下来,数据转到全球LHC计算网格这是一个基于云的网络,涵盖了42个国家 /地区170个数据中心的数十万台计算机。从那里开始,世界各地有12,000多名物理学家可以实时访问数据以完成实验和模型。

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尽管LHC数据是物理存储和备份的,但科学家将无法使用它虚拟化网络盖拉德说,他说,全球LHC计算网格目前每小时执行超过200万个计算任务。她预计这个数字将继续增长。

尽管由于政治原因,一些科学家因政治原因被拒绝访问LHC数据,例如,CERN宣布了计划结束数据共享的计划俄罗斯和白俄罗斯由于乌克兰的战争 -分散访问确保各地的科学家都可以利用LHC数据,而与本地法​​规和资源无关。

下一步是什么?

结合了高级云技术,CERN致力于开放科学合作确保最好的选择。实际上,CERN已经在研究LHC的继任者:高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)这预计将于2029年上线,每年至少生产1500万个希格斯玻色子,而2017年的LHC约为300万。

Rocha告诉Google Cloud:“我们正在调查如何在需要时快速提高容量的方法。”

“我们发现了希格斯玻色子,但是需要更多的工作才能理解它。当我们探索高能量物理学的新领域时,公共云有潜力提高CERN的资源,因此在帮助我们确保我们拥有正确的工具方面发挥作用,可以继续学习宇宙的本质。”

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詹妮弗·罗兰·卡迪恩特(Jennifer Roland Cadiente)是专职自由作家专注于技术和金融机构以及长大的忙碌播客。

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