Sissejuhatus
Hiljuti vaatasin, kuidas kaasosakestefüüsik rääkis arvutusest, mille ta oli ajanud uuele täpsuse kõrgusele. Tema tööriist? 1980. aastate arvutiprogramm nimega FORM.
Osakeste füüsikud kasutavad kogu teaduse pikimaid võrrandeid. Näiteks, et otsida märke uute elementaarosakeste kohta suure hadronipõrguti kokkupõrgetes, joonistavad nad tuhandeid pilte, mida nimetatakse Feynmani diagrammideks ja mis kujutavad võimalikke kokkupõrke tagajärgi, millest igaüks kodeerib keerulist valemit, mis võib olla miljoneid termineid pikk. Selliste valemite liitmine pliiatsi ja paberiga on võimatu; isegi nende lisamine arvutitega on väljakutse. Koolis õpitavad algebrareeglid on kodutööde tegemiseks piisavalt kiired, kuid osakeste füüsika jaoks on need kahetsusväärselt ebaefektiivsed.
Programmid, mida nimetatakse arvutialgebrasüsteemideks, püüavad neid ülesandeid täita. Ja kui soovite lahendada maailma suurimaid võrrandeid, on 33 aastat silma paistnud üks programm: VORM.
Selle on välja töötanud Hollandi osakeste füüsik Jos Vermaseren, VORM on osakeste füüsika infrastruktuuri võtmeosa, mis on vajalik kõige raskemate arvutuste tegemiseks. Kuid nagu üllatavalt paljude digitaalse infrastruktuuri oluliste osade puhul, on FORMi hooldus suures osas ühel inimesel: Vermaserenil endal. Ja 73-aastaselt on Vermaseren hakanud FORMi arendusest tagasi astuma. Tänu akadeemilise ringkonna stiimulistruktuurile, mis premeerib avaldatud töid, mitte tarkvaratööriistu, pole järeltulijat tekkinud. Kui olukord ei muutu, võib osakeste füüsika olla sunnitud dramaatiliselt aeglustuma.
FORM sai alguse 1980. aastate keskel, kui arvutite roll muutus kiiresti. Selle eelkäija, Martinus Veltmani loodud programm nimega Schoonschip, lasti välja spetsiaalse kiibina, mille ühendasite Atari arvuti küljele. Vermaseren soovis teha ligipääsetavama programmi, mida saaksid alla laadida ülikoolid üle kogu maailma. Ta hakkas seda programmeerima arvutikeeles FORTRAN, mis tähendab Formula Translationit. Nimi FORM oli selle kohta riff. (Hiljem läks ta üle C-nimelisele programmeerimiskeelele.) Vermaseren andis oma tarkvara välja 1989. aastal. 90ndate alguseks oli selle alla laadinud üle 200 asutuse üle maailma ja see arv aina kasvas.
Alates 2000. aastast on osakeste füüsika artikkel, mis viitab FORMile, avaldatud keskmiselt iga paari päeva tagant. "Suurem osa [kõrge täpsusega] tulemustest, mille meie rühm viimase 20 aasta jooksul sai, põhines suuresti FORM-koodil," ütles ta. Thomas Gehrmann, Zürichi ülikooli professor.
Osa FORMi populaarsusest tulenes aastate jooksul loodud spetsiaalsetest algoritmidest, nagu nipp Feynmani diagrammi teatud tükkide kiireks korrutamiseks ja protseduur võrrandite ümberkorraldamiseks, et korrutamise ja liitmise korral oleks võimalikult vähe. Kuid FORMi vanim ja võimsaim eelis on mälu käsitlemine.
Nii nagu inimestel on kahte tüüpi mälu, lühiajaline ja pikaajaline, on arvutitel kahte tüüpi: põhi- ja välismälu. Põhimälule – teie arvuti RAM-ile – on lihtne ligi pääseda, kuid see on piiratud. Välised mäluseadmed, nagu kõvakettad ja pooljuhtdraivid, hoiavad palju rohkem teavet, kuid on aeglasemad. Pika võrrandi lahendamiseks peate selle salvestama põhimällu, et saaksite sellega hõlpsalt töötada.
80ndatel oli mõlemat tüüpi mälu piiratud. "FORM ehitati ajal, mil mälu ja kettaruumi peaaegu polnud – põhimõtteliselt polnud midagi," ütles Ben Ruijl, endine Vermasereni üliõpilane ja FORMi arendaja, kes on nüüd Šveitsi Zürichi föderaalse tehnoloogiainstituudi järeldoktor. See tekitas väljakutse: võrrandid olid põhimälu jaoks liiga pikad. Selle arvutamiseks pidi teie operatsioonisüsteem käsitlema teie kõvaketast nii, nagu oleks see ka põhimälu. Operatsioonisüsteem, mis ei tea, kui suurt teie võrrandit oodata võib, salvestab andmed kõvakettale "lehtede" kogusse, vahetades neid sageli, kuna vaja oli erinevaid tükke – ebaefektiivne protsess, mida nimetatakse vahetamiseks.
FORM möödub vahetamisest ja kasutab oma tehnikat. Kui töötate võrrandiga vormingus FORM, määrab programm igale terminile kindla hulga kõvakettaruumi. See tehnika võimaldab tarkvaral hõlpsamini jälgida võrrandi osade asukohta. See hõlbustab ka nende osade tagasitoomist põhimällu, kui neid vaja läheb, ilma ülejäänud osadele juurde pääsemata.
Mälu on alates FORMi algusaegadest kasvanud, 128 kilobaidilt RAM-ilt Atari 130XE-s 1985. aastal 128 gigabaidile RAM-ile minu töölaual – see on miljon korda parem. Kuid Vermasereni välja töötatud nipid on endiselt üliolulised. Kuna osakeste füüsikud koguvad läbi petabaitide kaupa Large Hadron Collider'i andmeid, et otsida tõendeid uute osakeste kohta, pikeneb nende täpsusvajadus ja seega ka võrrandite pikkus.
"Need asjad jäävad igavesti asjakohaseks, olenemata sellest, kui suureks mälu kasvab, sest alati on mõni füüsikaprobleem, mis võib selle mälu suurusest kaugemale lükata," ütles Ruijl.
Arvutite võimalused on kasvanud plahvatuslikult, kahekordistudes umbes iga kahe aasta tagant. Kuid on kiiremaid kasvuvorme kui eksponentsiaalne kasv. Mõelge ülesandele kirjutada kolm tähte - a, b ja c - kõigis võimalikes järjekorras. Esimese tähe (a, b või c) jaoks on kolm valikut, teise jaoks kaks ja kolmanda jaoks üks. Probleem ulatub faktoriaalina, matemaatilise seosena, mis kasvab isegi kiiremini kui eksponentsiaalne kasv. Faktorid kuvatakse sageli siis, kui proovite loendada asjade võimalikke kombinatsioone, nagu kõik erinevad Feynmani diagrammid, mida saate joonistada põrkuvate osakeste komplekti jaoks. Nende osakeste füüsikaliste arvutuste faktoriaalne kasv ületab arvutusvõimsuse eksponentsiaalset kasvu.
Nii oluline kui tarkvara, nagu FORM, on füüsika jaoks, on selle arendamise pingutused sageli alahinnatud. Vermaserenil vedas, et tal oli alaline töökoht Hollandi riiklikus subatomaarse füüsika instituudis ja ülemus, kes hindas projekti kõrgelt. Kuid sellist õnne on raske saada. Stefano Laporta, Itaalia füüsik, kes arendas ülioluline lihtsustamisalgoritm valdkonna jaoks, on veetnud suurema osa oma karjäärist ilma üliõpilaste või varustuse rahastamiseta. Ülikoolid jälgivad tavaliselt teadlaste avaldamisdokumente, mis tähendab, et kriitilise infrastruktuuriga tegelejad antakse sageli tööle või ametisse.
"Olen aastate jooksul järjekindlalt näinud, et inimesed, kes veedavad palju aega arvutites, ei saa füüsikas ametikohta," ütles Vermaseren.
"Võib-olla on prestiižsem füüsiliste tulemuste saavutamine kui tööriistade kallal töötamine," ütles Ruijl.
Kuigi mõned nooremad füüsikud, nagu Ruijl, töötavad FORMi kallal juhuslikult, peavad nad oma karjääri huvides kulutama suurema osa ajast muudele uuringutele. See jätab suure osa vastutusest FORMi arendamise eest Vermasereni kätesse, kes on nüüdseks enamjaolt pensionil.
Ilma pideva arendamiseta muutub FORM üha vähem kasutatavaks – see suudab suhelda ainult vanema arvutikoodiga ja ei ole vastavuses sellega, kuidas tänapäeva õpilased programmeerima õpivad. Kogenud kasutajad jäävad selle juurde, kuid nooremad teadlased võtavad kasutusele alternatiivsed arvutialgebraprogrammid, nagu Mathematica, mis on kasutajasõbralikumad, kuid suurusjärgus aeglasemad. Praktikas otsustavad paljud neist füüsikutest, et teatud probleemid on piirideta – liiga raskesti käsitletavad. Nii et osakeste füüsika seiskub, vaid vähesed inimesed saavad töötada kõige raskemate arvutustega.
Aprillis korraldab Vermaseren FORMi kasutajate tippkohtumise, et planeerida tulevikku. Nad arutavad, kuidas FORMi elus hoida: kuidas seda säilitada ja laiendada ning kuidas näidata uuele õpilaste põlvkonnale, kui palju see suudab. Õnne, raske töö ja rahastamisega võivad nad säilitada ühe võimsaima füüsika tööriista.
