esittely
Äskettäin näin erään hiukkasfyysikon kollegan puhuvan laskelmasta, jonka hän oli nostanut tarkkuuden uudelle tasolle. Hänen työkalunsa? 1980-luvun tietokoneohjelma nimeltä FORM.
Hiukkasfyysikot käyttävät kaikkia tieteen pisimpiä yhtälöitä. Etsiäkseen merkkejä uusista alkuainehiukkasista törmäyksissä Large Hadron Colliderissa, he esimerkiksi piirtävät tuhansia kuvia, joita kutsutaan Feynman-kaavioiksi ja jotka kuvaavat mahdollisia törmäystuloksia, joista jokainen koodaa monimutkaisen kaavan, joka voi olla miljoonia termejä pitkä. Tällaisten kaavojen summaaminen kynällä ja paperilla on mahdotonta; jopa niiden lisääminen tietokoneiden kanssa on haaste. Koulussa oppimamme algebran säännöt ovat riittävän nopeita kotitehtäviin, mutta hiukkasfysiikan kannalta ne ovat valitettavan tehottomia.
Tietokonealgebrajärjestelmiksi kutsutut ohjelmat pyrkivät käsittelemään näitä tehtäviä. Ja jos haluat ratkaista maailman suurimmat yhtälöt, yksi ohjelma on eronnut 33 vuoden ajan: FORM.
Hollannin hiukkasfyysikon kehittämä Jos Vermaseren, FORM on keskeinen osa hiukkasfysiikan infrastruktuuria, välttämätön vaikeimpiin laskelmiin. Kuitenkin, kuten yllättävän monien digitaalisen infrastruktuurin olennaisten osien kohdalla, FORMin ylläpito on pitkälti yhden henkilön vastuulla: Vermaserenilla itsellään. Ja 73-vuotiaana Vermaseren on alkanut vetäytyä FORM-kehityksestä. Akateemisen kannustinrakenteen vuoksi, joka palkitsee julkaistut artikkelit, ei ohjelmistotyökaluja, seuraajaa ei ole syntynyt. Jos tilanne ei muutu, hiukkasfysiikka saattaa joutua hidastumaan dramaattisesti.
FORM sai alkunsa 1980-luvun puolivälissä, kun tietokoneiden rooli muuttui nopeasti. Sen edeltäjä, Martinus Veltmanin luoma ohjelma nimeltä Schoonschip, julkaistiin erikoissiruna, jonka liitit Atari-tietokoneen kylkeen. Vermaseren halusi tehdä helpomman ohjelman, jonka yliopistot ympäri maailmaa voisivat ladata. Hän alkoi ohjelmoida sitä tietokonekielellä FORTRAN, joka on lyhenne sanoista Formula Translation. Nimi FORM oli riffi siitä. (Hän vaihtoi myöhemmin ohjelmointikieleen nimeltä C.) Vermaseren julkaisi ohjelmistonsa vuonna 1989. 90-luvun alkuun mennessä yli 200 laitosta ympäri maailmaa oli ladannut sen, ja määrä kasvoi jatkuvasti.
Vuodesta 2000 lähtien hiukkasfysiikkapaperi, jossa viitataan FORMIin, on julkaistu keskimäärin muutaman päivän välein. "Suurin osa [korkean tarkkuuden] tuloksista, jotka ryhmämme sai viimeisen 20 vuoden aikana, perustui vahvasti FORM-koodiin", sanoi Thomas Gehrmann, Zürichin yliopiston professori.
Osa FORMin suosiosta tuli vuosien varrella kehitetyistä erikoisalgoritmeista, kuten tempusta Feynman-kaavion tiettyjen osien nopeasta kertomisesta ja menettelystä, jolla yhtälöitä järjestettiin uudelleen niin, että kerto- ja yhteenlaskuja on mahdollisimman vähän. Mutta FORMin vanhin ja tehokkain etu on, miten se käsittelee muistia.
Aivan kuten ihmisillä on kahden tyyppistä muistia, lyhytaikaista ja pitkäkestoista, tietokoneilla on kahdenlaisia: pää- ja ulkoinen muisti. Päämuistia – tietokoneesi RAM-muistia – on helppo käyttää lennossa, mutta sen koko on rajoitettu. Ulkoiset muistilaitteet, kuten kiintolevyt ja solid-state-asemat, sisältävät paljon enemmän tietoa, mutta ovat hitaampia. Pitkän yhtälön ratkaisemiseksi sinun on tallennettava se päämuistiin, jotta voit helposti käsitellä sitä.
80-luvulla molemmat muistityypit olivat rajallisia. "FORM rakennettiin aikana, jolloin muistia ei ollut lähes ollenkaan, eikä myöskään levytilaa - periaatteessa ei ollut mitään", sanoi Ben Ruijl, Vermaserenin entinen opiskelija ja FORM-kehittäjä, joka on nyt tutkijatohtorina Sveitsin liittovaltion teknologiainstituutissa Zürichissä. Tämä aiheutti haasteen: yhtälöt olivat liian pitkiä päämuistin käsittelemiseen. Sen laskemiseksi käyttöjärjestelmäsi piti käsitellä kiintolevyäsi kuin se olisi myös päämuisti. Käyttöjärjestelmä, joka ei tiennyt, kuinka suurta yhtälöäsi odottaa, tallentaisi tiedot kiintolevylle "sivujen" kokoelmaan ja vaihtaisi usein niiden välillä, kun eri osia tarvittiin - tehotonta prosessia, jota kutsutaan vaihtamiseksi.
FORM ohittaa vaihtamisen ja käyttää omaa tekniikkaansa. Kun työskentelet yhtälön kanssa FORM-muodossa, ohjelma määrittää kullekin termille kiinteän määrän kiintolevytilaa. Tämän tekniikan avulla ohjelmisto voi helpommin seurata, missä yhtälön osat ovat. Sen avulla on myös helppo palauttaa nämä osat takaisin päämuistiin, kun niitä tarvitaan ilman, että pääset käsiksi muihin.
Muisti on kasvanut FORMin alkuajoista lähtien Atari 128XE:n 130 kilotavusta RAM-muistista vuonna 1985 128 gigatavuun RAM-muistiin suurennetussa työpöydässäni – miljoonakertainen parannus. Mutta Vermaserenin kehittämät temput ovat edelleen ratkaisevia. Kun hiukkasfyysikot keräävät petatavuja dataa Large Hadron Colliderista etsiäkseen todisteita uusista hiukkasista, niiden tarkkuus tarve ja siten yhtälöiden pituus kasvaa.
"Nämä asiat pysyvät ikuisesti merkityksellisinä riippumatta siitä, kuinka suureksi muisti kasvaa, koska aina on fysiikan ongelma, joka voi työntää sen muistin koon ulkopuolelle", Ruijl sanoi.
Tietokoneiden ominaisuudet ovat kasvaneet karkeasti eksponentiaalisesti, kaksinkertaistuneet noin kahden vuoden välein. Mutta on olemassa nopeampia kasvun muotoja kuin eksponentiaalinen kasvu. Harkitse tehtävää kirjoittaa kolme kirjainta - a, b ja c - kaikissa mahdollisissa järjestyksessä. Ensimmäiselle kirjaimelle (a, b tai c) on kolme vaihtoehtoa, toiselle kaksi ja kolmannelle yksi. Ongelma skaalautuu faktoriaaliseksi, matemaattiseksi suhteeksi, joka kasvaa jopa eksponentiaalista kasvua nopeammin. Faktoriaalit näkyvät usein, kun yrität laskea mahdollisia asioiden yhdistelmiä, kuten kaikki erilaiset Feynman-kaaviot, jotka voit piirtää törmääville hiukkasjoukolle. Näiden hiukkasfysiikan laskelmien tekijäkasvu ylittää laskentatehon eksponentiaalisen kasvun.
Vaikka FORMin kaltaiset ohjelmistot ovatkin fysiikan kannalta tärkeitä, sen kehittäminen on usein aliarvostettua. Vermaseren oli onnekas, koska hänellä oli vakituinen työpaikka National Institute for Subatomic Physicsissa Hollannissa ja pomo, joka arvosti projektia. Mutta sellaista onnea on vaikea saavuttaa. Stefano Laporta, italialainen fyysikko, joka kehitti ratkaiseva yksinkertaistamisalgoritmi alalla, on viettänyt suurimman osan urastaan ilman rahoitusta opiskelijoille tai laitteille. Yliopistoilla on tapana seurata tutkijoiden julkaisutietoja, mikä tarkoittaa, että kriittisen infrastruktuurin parissa työskentelevät joutuvat usein palkkaamaan tai toimikausiin.
"Olen nähnyt vuosien varrella jatkuvasti, että ihmiset, jotka viettävät paljon aikaa tietokoneiden ääressä, eivät saa vakinaista työtä fysiikan alalta", sanoi Vermaseren.
"On ehkä arvokkaampaa tuottaa fyysisiä tuloksia kuin työstää työkaluja", Ruijl sanoi.
Muutamat nuoremmat fyysikot, kuten Ruijl, työskentelevät satunnaisesti FORMin parissa, mutta uransa vuoksi heidän on käytettävä suurimman osan ajastaan muuhun tutkimukseen. Tämä jättää suuren osan vastuusta FORMin kehittämisestä Vermaserenille, joka on nyt enimmäkseen eläkkeellä.
Ilman jatkuvaa kehitystä FORM tulee yhä vähemmän käyttökelpoiseksi – se pystyy olemaan vuorovaikutuksessa vain vanhemman tietokonekoodin kanssa, eikä se mukaudu siihen, miten nykypäivän opiskelijat oppivat ohjelmoimaan. Kokeneet käyttäjät pitävät siitä kiinni, mutta nuoremmat tutkijat ottavat käyttöön vaihtoehtoisia tietokonealgebra-ohjelmia, kuten Mathematica, jotka ovat käyttäjäystävällisempiä, mutta suuruusluokkaa hitaampia. Käytännössä monet näistä fyysikoista päättävät, että tietyt ongelmat ovat rajattomia – liian vaikeita käsitellä. Joten hiukkasfysiikka pysähtyy, ja vain harvat ihmiset pystyvät työskentelemään vaikeimpien laskelmien parissa.
Huhtikuussa Vermaseren järjestää FORM-käyttäjien huippukokouksen tulevaisuuden suunnittelua varten. He keskustelevat siitä, kuinka pitää FORM hengissä: kuinka ylläpitää ja laajentaa sitä ja kuinka näyttää uudelle oppilassukupolvelle, kuinka paljon se voi tehdä. Onnella, kovalla työllä ja rahoituksella he voivat säilyttää yhden fysiikan tehokkaimmista työkaluista.
