Pengantar
Baru-baru ini, saya melihat seorang rekan fisikawan partikel berbicara tentang perhitungan yang dia dorong ke tingkat presisi yang baru. Alatnya? Program komputer era 1980-an yang disebut FORM.
Fisikawan partikel menggunakan beberapa persamaan terpanjang di semua sains. Untuk mencari tanda-tanda partikel elementer baru dalam tumbukan di Large Hadron Collider, misalnya, mereka menggambar ribuan gambar yang disebut diagram Feynman yang menggambarkan kemungkinan hasil tumbukan, masing-masing mengkodekan rumus rumit yang panjangnya bisa jutaan suku. Menjumlahkan rumus seperti ini dengan pena dan kertas tidak mungkin; bahkan menambahkannya dengan komputer adalah sebuah tantangan. Aturan aljabar yang kita pelajari di sekolah cukup cepat untuk pekerjaan rumah, tetapi untuk fisika partikel aturan itu sangat tidak efisien.
Program yang disebut sistem aljabar komputer berusaha keras untuk menangani tugas-tugas ini. Dan jika Anda ingin menyelesaikan persamaan terbesar di dunia, selama 33 tahun satu program menonjol: BENTUK.
Dikembangkan oleh fisikawan partikel Belanda Jos Vermaseren, FORM adalah bagian penting dari infrastruktur fisika partikel, yang diperlukan untuk perhitungan yang paling sulit. Namun, seperti banyak infrastruktur digital yang penting, pemeliharaan FORM sebagian besar bergantung pada satu orang: Vermaseren sendiri. Dan di usia 73 tahun, Vermaseren mulai mundur dari pengembangan FORM. Karena struktur insentif akademisi, yang menghargai makalah yang diterbitkan, bukan perangkat perangkat lunak, tidak ada penerus yang muncul. Jika situasinya tidak berubah, fisika partikel mungkin terpaksa melambat secara dramatis.
FORM dimulai pada pertengahan 1980-an, ketika peran komputer berubah dengan cepat. Pendahulunya, sebuah program bernama Schoonschip yang dibuat oleh Martinus Veltman, dirilis sebagai chip khusus yang Anda sambungkan ke sisi komputer Atari. Vermaseren ingin membuat program yang lebih mudah diakses yang dapat diunduh oleh universitas di seluruh dunia. Dia mulai memprogramnya dalam bahasa komputer FORTRAN, yang merupakan singkatan dari Formula Translation. Nama FORM adalah riff untuk itu. (Dia kemudian beralih ke bahasa pemrograman yang disebut C.) Vermaseren merilis perangkat lunaknya pada tahun 1989. Pada awal tahun 90-an, lebih dari 200 institusi di seluruh dunia telah mengunduhnya, dan jumlahnya terus meningkat.
Sejak tahun 2000, makalah fisika partikel yang mengutip FORM telah diterbitkan rata-rata setiap beberapa hari. “Sebagian besar hasil [presisi tinggi] yang diperoleh kelompok kami dalam 20 tahun terakhir sangat didasarkan pada kode FORM,” kata Thomas Gehrman, seorang profesor di Universitas Zurich.
Beberapa popularitas FORM berasal dari algoritma khusus yang dibangun selama bertahun-tahun, seperti trik untuk mengalikan bagian tertentu dari diagram Feynman dengan cepat, dan prosedur untuk mengatur ulang persamaan agar memiliki perkalian dan penambahan sesedikit mungkin. Tapi keuntungan FORM tertua dan paling kuat adalah bagaimana menangani memori.
Sama seperti manusia yang memiliki dua jenis memori, jangka pendek dan jangka panjang, komputer memiliki dua jenis: utama dan eksternal. Memori utama — RAM komputer Anda — mudah diakses dengan cepat tetapi ukurannya terbatas. Perangkat memori eksternal seperti hard disk dan solid-state drive menyimpan lebih banyak informasi tetapi lebih lambat. Untuk menyelesaikan persamaan yang panjang, Anda perlu menyimpannya di memori utama agar Anda dapat mengerjakannya dengan mudah.
Di tahun 80-an, kedua jenis memori itu terbatas. “FORM dibangun pada saat hampir tidak ada memori, dan juga tidak ada ruang disk — pada dasarnya tidak ada apa-apa,” kata Ben Ruijl, mantan mahasiswa pengembang Vermaseren dan FORM yang sekarang menjadi peneliti postdoctoral di Swiss Federal Institute of Technology Zurich. Ini menimbulkan tantangan: Persamaan terlalu panjang untuk ditangani oleh memori utama. Untuk menghitungnya, sistem operasi Anda perlu memperlakukan hard disk Anda seolah-olah itu adalah memori utama juga. Sistem operasi, tidak mengetahui seberapa besar perkiraan persamaan Anda, akan menyimpan data dalam kumpulan "halaman" pada hard disk, sering beralih di antara mereka karena diperlukan bagian yang berbeda - proses yang tidak efisien yang disebut penukaran.
FORM mem-bypass swapping dan menggunakan tekniknya sendiri. Saat Anda bekerja dengan persamaan dalam FORM, program memberikan setiap istilah sejumlah ruang tetap pada hard disk. Teknik ini membuat perangkat lunak lebih mudah melacak di mana bagian-bagian persamaan berada. Ini juga memudahkan untuk mengembalikan potongan-potongan itu ke memori utama saat dibutuhkan tanpa mengakses sisanya.
Memori telah berkembang sejak masa awal FORM, dari 128 kilobyte RAM di Atari 130XE pada tahun 1985 menjadi 128 gigabyte RAM di desktop saya yang telah disempurnakan — peningkatan jutaan kali lipat. Tapi trik yang dikembangkan Vermaseren tetap krusial. Saat fisikawan partikel meneliti petabyte data dari Large Hadron Collider untuk mencari bukti adanya partikel baru, kebutuhan mereka akan presisi, dan dengan demikian panjang persamaan mereka, tumbuh lebih lama.
“Hal-hal ini akan selamanya tetap relevan, betapapun besarnya memori tumbuh, karena selalu ada masalah fisika yang dapat mendorongnya melampaui ukuran memori,” kata Ruijl.
Kemampuan komputer telah tumbuh secara eksponensial, dua kali lipat setiap dua tahun. Tetapi ada bentuk pertumbuhan yang lebih cepat daripada pertumbuhan eksponensial. Pertimbangkan tugas menulis tiga huruf - a, b dan c - dalam semua kemungkinan urutan. Ada tiga pilihan untuk huruf pertama (a, b atau c), dua untuk yang kedua, dan satu untuk yang ketiga. Masalah berskala sebagai faktorial, hubungan matematis yang tumbuh lebih cepat daripada pertumbuhan eksponensial. Faktorial sering muncul saat Anda mencoba menghitung kemungkinan kombinasi benda, seperti semua diagram Feynman berbeda yang dapat Anda gambar untuk kumpulan partikel yang bertabrakan. Pertumbuhan faktorial perhitungan fisika partikel ini melampaui pertumbuhan eksponensial daya komputasi.
Sama pentingnya dengan perangkat lunak seperti FORM untuk fisika, upaya untuk mengembangkannya seringkali diremehkan. Vermaseren beruntung karena dia memiliki posisi tetap di Institut Nasional Fisika Subatomik di Belanda, dan bos yang mengapresiasi proyek tersebut. Tapi keberuntungan seperti itu sulit didapat. Stefano Laporta, seorang fisikawan Italia yang berkembang algoritma penyederhanaan yang penting untuk lapangan, telah menghabiskan sebagian besar karirnya tanpa dana untuk siswa atau peralatan. Universitas cenderung melacak catatan publikasi para ilmuwan, yang berarti mereka yang bekerja pada infrastruktur kritis sering dilewatkan untuk perekrutan atau masa jabatan.
“Saya telah melihat selama bertahun-tahun, secara konsisten, bahwa orang yang menghabiskan banyak waktu di depan komputer tidak mendapatkan pekerjaan tetap di bidang fisika,” kata Vermaseren.
“Mungkin lebih bergengsi untuk benar-benar menghasilkan hasil fisik daripada mengerjakan alat,” kata Ruijl.
Sementara beberapa fisikawan muda seperti Ruijl mengerjakan FORM secara sporadis, demi karier mereka, mereka perlu menghabiskan sebagian besar waktunya untuk penelitian lain. Hal ini membuat sebagian besar tanggung jawab untuk mengembangkan FORM berada di tangan Vermaseren, yang kini sebagian besar sudah pensiun.
Tanpa pengembangan berkelanjutan, FORM akan semakin tidak dapat digunakan — hanya dapat berinteraksi dengan kode komputer lama, dan tidak selaras dengan cara siswa saat ini belajar memprogram. Pengguna berpengalaman akan tetap menggunakannya, tetapi peneliti yang lebih muda akan mengadopsi program aljabar komputer alternatif seperti Mathematica yang lebih ramah pengguna tetapi jauh lebih lambat. Dalam praktiknya, banyak dari fisikawan ini akan memutuskan bahwa masalah tertentu terlarang - terlalu sulit untuk ditangani. Jadi fisika partikel akan macet, dengan hanya sedikit orang yang mampu mengerjakan perhitungan yang paling sulit.
Pada bulan April, Vermaseren mengadakan pertemuan puncak pengguna FORM untuk merencanakan masa depan. Mereka akan membahas bagaimana menjaga FORM tetap hidup: bagaimana mempertahankan dan memperluasnya, dan bagaimana menunjukkan kepada generasi baru siswa seberapa banyak yang dapat dilakukannya. Dengan keberuntungan, kerja keras, dan dana, mereka dapat melestarikan salah satu alat paling ampuh dalam fisika.
