מבוא
לאחרונה, צפיתי בפיזיקאי חלקיקים עמית מדבר על חישוב שהוא דחף לגובה חדש של דיוק. הכלי שלו? תוכנת מחשב מתקופת שנות השמונים בשם FORM.
פיזיקאים של חלקיקים משתמשים בכמה מהמשוואות הארוכות ביותר בכל המדע. כדי לחפש סימנים של חלקיקים אלמנטריים חדשים בהתנגשויות במאיץ ההדרונים הגדול, למשל, הם מציירים אלפי תמונות הנקראות דיאגרמות פיינמן שמתארות תוצאות אפשריות של התנגשות, כל אחת מהן מקודדת נוסחה מסובכת שאורכה יכול להיות מיליוני מונחים. לסכם נוסחאות כאלה בעט ונייר בלתי אפשרי; אפילו הוספתם עם מחשבים היא אתגר. כללי האלגברה שאנו לומדים בבית הספר מהירים מספיק עבור שיעורי בית, אבל לפיזיקת חלקיקים הם לא יעילים למרבה הצער.
תוכניות הנקראות מערכות אלגברה ממוחשבות שואפות להתמודד עם משימות אלו. ואם אתה רוצה לפתור את המשוואות הגדולות בעולם, במשך 33 שנים בולטת תוכנית אחת: FORM.
פותח על ידי פיסיקאי החלקיקים ההולנדי ג'וס ורמאסרן, FORM הוא חלק מרכזי מהתשתית של פיזיקת החלקיקים, הנחוצה לחישובים הקשים ביותר. עם זאת, כמו בהרבה חלקים חיוניים באופן מפתיע של תשתית דיגיטלית, התחזוקה של FORM נשענת במידה רבה על אדם אחד: Vermaseren עצמו. ובגיל 73, ורמאסרן החל לסגת מפיתוח FORM. בשל מבנה התמריצים של האקדמיה, המעניק פרסים למאמרים שפורסמו, ולא בכלי תוכנה, לא צמח יורש. אם המצב לא ישתנה, ייתכן שפיזיקת החלקיקים תיאלץ להאט באופן דרמטי.
FORM החלה את דרכה באמצע שנות ה-1980, כאשר תפקידם של המחשבים השתנה במהירות. קודמתה, תוכנית בשם Schoonschip שנוצרה על ידי Martinus Veltman, שוחררה כשבב מיוחד שחיברתם לדופן של מחשב אטארי. Vermaseren רצה ליצור תוכנית נגישה יותר שניתן להוריד על ידי אוניברסיטאות ברחבי העולם. הוא החל לתכנת אותו בשפת המחשב FORTRAN, שפירושה תרגום פורמולה. השם FORM היה ריף על זה. (מאוחר יותר הוא עבר לשפת תכנות בשם C.) Vermaseren הוציא את התוכנה שלו ב-1989. בתחילת שנות ה-90 יותר מ-200 מוסדות ברחבי העולם הורידו אותה, והמספר המשיך לטפס.
מאז שנת 2000, מאמר לפיזיקת חלקיקים המצטט את FORM מתפרסם מדי כמה ימים, בממוצע. "רוב התוצאות [בדיוק גבוה] שהקבוצה שלנו השיגה ב-20 השנים האחרונות היו מבוססות במידה רבה על קוד FORM," אמר תומס גרמן, פרופסור באוניברסיטת ציריך.
חלק מהפופולריות של FORM הגיעה מאלגוריתמים מיוחדים שנבנו במהלך השנים, כגון טריק להכפלה מהירה של חלקים מסוימים של דיאגרמת פיינמן, ונוהל לסידור מחדש של משוואות כך שיהיו כמה שפחות הכפלות ותוספות. אבל היתרון העתיק והחזק ביותר של FORM הוא האופן שבו הוא מטפל בזיכרון.
כמו שלבני אדם יש שני סוגים של זיכרון, לטווח קצר ולטווח ארוך, למחשבים יש שני סוגים: ראשי וחיצוני. הזיכרון הראשי - זיכרון ה-RAM של המחשב שלך - קל לגישה תוך כדי תנועה אך מוגבל בגודלו. התקני זיכרון חיצוניים כמו דיסקים קשיחים וכונני מצב מוצק מחזיקים הרבה יותר מידע אך הם איטיים יותר. כדי לפתור משוואה ארוכה, עליך לאחסן אותה בזיכרון הראשי כדי שתוכל לעבוד איתה בקלות.
בשנות ה-80 שני סוגי הזיכרון היו מוגבלים. "FORM נבנה בתקופה שבה כמעט ולא היה זיכרון, וגם לא היה מקום בדיסק - בעצם לא היה כלום", אמר בן רויל, סטודנט לשעבר של Vermaseren's ומפתח FORM שכיום חוקר פוסט-דוקטורט במכון הפדרלי השוויצרי לטכנולוגיה בציריך. זה הציב אתגר: המשוואות היו ארוכות מכדי שהזיכרון הראשי יוכל להתמודד. כדי לחשב אחד, מערכת ההפעלה שלך הייתה צריכה להתייחס גם לדיסק הקשיח שלך כאילו הוא זיכרון ראשי. מערכת ההפעלה, שלא ידעה כמה גדולה לצפות שהמשוואה שלך תהיה, תאחסן את הנתונים באוסף של "דפים" בדיסק הקשיח, ולעתים קרובות תחליף ביניהם כאשר יש צורך בחתיכות שונות - תהליך לא יעיל שנקרא החלפה.
FORM עוקף החלפה ומשתמש בטכניקה משלו. כאשר אתה עובד עם משוואה ב-FORM, התוכנית מקצה לכל איבר כמות קבועה של מקום בדיסק הקשיח. טכניקה זו מאפשרת לתוכנה לעקוב ביתר קלות אחר היכן נמצאים חלקי המשוואה. זה גם מקל על החזרת החלקים האלה לזיכרון הראשי כאשר הם נחוצים מבלי לגשת לשאר.
הזיכרון גדל מאז ימיה הראשונים של FORM, מ-128 קילובייט של זיכרון RAM ב-Atari 130XE ב-1985 ל-128 גיגה-בייט של זיכרון RAM בשולחן העבודה המשוקק שלי - שיפור של פי מיליון. אבל הטריקים שפיתח ורמסרן נותרו מכריעים. כשפיזיקאים של חלקיקים עוברים דרך פטה-בייט של נתונים ממאיץ ההדרונים הגדול כדי לחפש עדויות לחלקיקים חדשים, הצורך שלהם בדייקנות, ובכך אורך המשוואות שלהם, מתארך.
"הדברים האלה יישארו רלוונטיים לנצח, ככל שהזיכרון יגדל, כי תמיד יש בעיה בפיזיקה שיכולה לדחוף אותו מעבר לגודל הזיכרון", אמר Ruijl.
יכולות המחשב גדלו בערך באופן אקספוננציאלי, והוכפלו בערך כל שנתיים. אבל יש צורות צמיחה מהירות יותר מצמיחה אקספוננציאלית. שקול את המשימה של כתיבת שלוש אותיות - a, b ו-c - בכל הסדרים האפשריים. ישנן שלוש אפשרויות עבור האות הראשונה (a, b או c), שתיים עבור השנייה ואחת עבור השלישית. קנה המידה של הבעיה הוא פקטוריאלי, קשר מתמטי שצומח אפילו מהר יותר מצמיחה מעריכית. גורמים מופיעים לעתים קרובות כאשר אתה מנסה לספור שילובים אפשריים של דברים, כמו כל דיאגרמות פיינמן השונות שאתה יכול לצייר עבור קבוצה של חלקיקים מתנגשים. הגידול הפקטוריאלי של חישובי הפיזיקה של החלקיקים הללו עולה על הצמיחה המעריכית של כוח המחשוב.
ככל שתוכנה כמו FORM היא חיונית לפיזיקה, המאמץ לפתח אותה הוא לעתים קרובות לא מוערך. לוורמאסרן היה מזל בכך שהיה לו משרה קבועה במכון הלאומי לפיזיקה תת-אטומית בהולנד, ובוס שהעריך את הפרויקט. אבל מזל כזה קשה להשיג. סטפנו לאפורטה, פיזיקאי איטלקי שפיתח אלגוריתם פישוט חיוני לתחום, בילה את רוב הקריירה שלו ללא מימון לסטודנטים או ציוד. אוניברסיטאות נוטות לעקוב אחר רישומי הפרסום של מדענים, כלומר אלו שעובדים על תשתית קריטית עוברים לרוב להעסקה או קביעות.
"ראיתי לאורך השנים, באופן עקבי, שאנשים שמבלים זמן רב במחשבים לא מקבלים משרה של קביעות בפיזיקה", אמר ורמסרן.
"אולי יותר יוקרתי לייצר תוצאות פיזיות מאשר לעבוד על כלים", אמר Ruijl.
בעוד כמה פיזיקאים צעירים יותר כמו Ruijl עובדים על FORM באופן ספורדי, למען הקריירה שלהם הם צריכים להשקיע את רוב זמנם במחקר אחר. זה משאיר חלק ניכר מהאחריות לפיתוח FORM בידיו של ורמאסרן, שכיום פרש ברובו.
ללא פיתוח מתמשך, FORM יהיה פחות ופחות שמיש - רק מסוגל לקיים אינטראקציה עם קוד מחשב ישן יותר, ולא מותאם לאופן שבו התלמידים של היום לומדים לתכנת. משתמשים מנוסים יישארו עם זה, אבל חוקרים צעירים יותר יאמצו תוכנות אלגברה ממוחשבות חלופיות כמו Mathematica שהן ידידותיות יותר למשתמש אך איטיות יותר בסדרי גודל. בפועל, רבים מהפיזיקאים הללו יחליטו שבעיות מסוימות אינן מוגבלות - קשות מדי לטיפול. אז פיזיקת החלקיקים תתקע, כשרק כמה אנשים יוכלו לעבוד על החישובים הקשים ביותר.
באפריל, Vermaseren מקיים פסגה של משתמשי FORM כדי לתכנן את העתיד. הם ידונו כיצד לשמור על FORM בחיים: כיצד לשמור ולהרחיב אותו, וכיצד להראות לדור חדש של תלמידים כמה הוא יכול לעשות. עם מזל, עבודה קשה ומימון, הם עשויים לשמר את אחד הכלים החזקים ביותר בפיזיקה.
