Predstavitev
Pred kratkim sem opazoval kolego fizika delcev, ki je govoril o izračunu, ki ga je dvignil na novo višino natančnosti. Njegovo orodje? Računalniški program iz osemdesetih let, imenovan FORM.
Fiziki delcev uporabljajo nekatere najdaljše enačbe v vsej znanosti. Da bi na primer iskali znake novih osnovnih delcev v trkih v velikem hadronskem trkalniku, narišejo na tisoče slik, imenovanih Feynmanovi diagrami, ki prikazujejo možne izide trkov, pri čemer vsaka kodira zapleteno formulo, ki je lahko dolga na milijone členov. Seštevanje formul, kot je ta, s peresom in papirjem je nemogoče; celo njihovo dodajanje z računalniki je izziv. Pravila algebre, ki se jih učimo v šoli, so dovolj hitra za domačo nalogo, za fiziko delcev pa so nadvse neučinkovita.
Programi, imenovani sistemi računalniške algebre, si prizadevajo za obvladovanje teh nalog. In če želite rešiti največje enačbe na svetu, že 33 let izstopa en program: FORM.
Razvil nizozemski fizik delcev Jos Vermaseren, FORM je ključni del infrastrukture fizike delcev, potreben za najtežje izračune. Vendar, tako kot pri presenetljivo številnih bistvenih delih digitalne infrastrukture, vzdrževanje FORM-a v veliki meri temelji na eni osebi: samem Vermaserenu. In pri 73 letih je Vermaseren začel odstopati od razvoja FORM. Zaradi strukture spodbud akademskega sveta, ki nagrajuje objavljene prispevke, ne programskih orodij, se ni pojavil noben naslednik. Če se situacija ne spremeni, bo fizika delcev morda prisiljena dramatično upočasniti.
FORM se je začel sredi osemdesetih let, ko se je vloga računalnikov hitro spreminjala. Njegov predhodnik, program z imenom Schoonschip, ki ga je ustvaril Martinus Veltman, je bil izdan kot specializiran čip, ki ste ga priključili na stran računalnika Atari. Vermaseren je želel narediti bolj dostopen program, ki bi ga lahko naložile univerze po vsem svetu. Začel ga je programirati v računalniškem jeziku FORTRAN, kar je kratica za Formula Translation. Ime FORM je bil riff na to. (Kasneje je prešel na programski jezik, imenovan C.) Vermaseren je izdal svojo programsko opremo leta 1980. Do začetka 1989. let prejšnjega stoletja jo je preneslo več kot 90 ustanov po vsem svetu in število je še naraščalo.
Od leta 2000 je članek o fiziki delcev, ki navaja FORM, v povprečju objavljen vsakih nekaj dni. »Večina [visoko natančnih] rezultatov, ki jih je naša skupina pridobila v zadnjih 20 letih, je močno temeljila na kodi FORM,« je dejal Thomas Gehrmann, profesor na Univerzi v Zürichu.
Nekaj priljubljenosti FORM je prišlo zaradi specializiranih algoritmov, ki so bili zgrajeni v preteklih letih, kot je trik za hitro množenje določenih delov Feynmanovega diagrama in postopek za preurejanje enačb, da imajo čim manj množenja in seštevanja. Toda najstarejša in najmočnejša prednost FORM-a je, kako ravna s pomnilnikom.
Tako kot imamo ljudje dve vrsti spomina, kratkoročnega in dolgoročnega, ima računalnik dve vrsti: glavnega in zunanjega. Glavni pomnilnik – RAM vašega računalnika – je lahko dostopen sproti, vendar je njegova velikost omejena. Zunanje pomnilniške naprave, kot so trdi diski in pogoni SSD, hranijo veliko več informacij, vendar so počasnejše. Če želite rešiti dolgo enačbo, jo morate shraniti v glavni pomnilnik, da boste z njo zlahka delali.
V 80-ih sta bili obe vrsti pomnilnika omejeni. "FORM je bil zgrajen v času, ko skoraj ni bilo pomnilnika in tudi prostora na disku - v bistvu ni bilo ničesar," je dejal Ben Ruijl, nekdanji Vermaserenov študent in razvijalec FORM, ki je zdaj podoktorski raziskovalec na švicarskem zveznem inštitutu za tehnologijo v Zürichu. To je predstavljalo izziv: enačbe so bile predolge, da bi jih glavni pomnilnik lahko obravnaval. Za izračun enega je moral vaš operacijski sistem vaš trdi disk obravnavati, kot da bi bil tudi glavni pomnilnik. Operacijski sistem, ne da bi vedel, kako velika naj bi bila vaša enačba, bi shranil podatke v zbirko "strani" na trdem disku in pogosto preklapljal med njimi, ko so bili potrebni različni deli - neučinkovit postopek, imenovan zamenjava.
FORM obide zamenjavo in uporablja lastno tehniko. Ko delate z enačbo v FORM, program vsakemu izrazu dodeli določeno količino prostora na trdem disku. Ta tehnika programski opremi omogoča lažje sledenje, kje so deli enačbe. Omogoča tudi preprosto vrnitev teh kosov nazaj v glavni pomnilnik, ko so potrebni, brez dostopa do ostalih.
Pomnilnik se je povečal od zgodnjih dni FORM-a, s 128 kilobajtov RAM-a v Atari 130XE leta 1985 na 128 gigabajtov RAM-a v mojem izboljšanem namizju – milijonkratna izboljšava. Toda triki, ki jih je razvil Vermaseren, ostajajo ključni. Medtem ko fiziki delcev brskajo po petabajtih podatkov iz velikega hadronskega trkalnika, da bi našli dokaze o novih delcih, njihova potreba po natančnosti in s tem dolžina njihovih enačb postaja daljša.
"Te stvari bodo za vedno ostale relevantne, ne glede na to, kako velik bo pomnilnik, saj vedno obstaja fizikalni problem, ki ga lahko potisne čez velikost pomnilnika," je dejal Ruijl.
Računalniške zmogljivosti so rasle približno eksponentno in se podvojile približno vsaki dve leti. Toda obstajajo hitrejše oblike rasti od eksponentne rasti. Razmislite o nalogi, da napišete tri črke - a, b in c - v vseh možnih vrstnih redih. Na voljo so tri možnosti za prvo črko (a, b ali c), dve za drugo in ena za tretjo. Težava se meri kot faktorial, matematično razmerje, ki raste še hitreje kot eksponentna rast. Faktoriali se pogosto pojavijo, ko poskušate prešteti možne kombinacije stvari, kot so vsi različni Feynmanovi diagrami, ki jih lahko narišete za niz trkajočih se delcev. Faktorska rast teh izračunov fizike delcev prehiteva eksponentno rast računalniške moči.
Čeprav je programska oprema, kot je FORM, ključnega pomena za fiziko, je trud za njen razvoj pogosto podcenjen. Vermaseren je imel srečo, saj je imel stalno službo na Nacionalnem inštitutu za subatomsko fiziko na Nizozemskem in šefa, ki je cenil projekt. Toda takšno srečo je težko dobiti. Stefano Laporta, italijanski fizik, ki je razvil ključen algoritem za poenostavitev za področje, je večino svoje kariere preživel brez financiranja študentov ali opreme. Univerze ponavadi sledijo zapisom o objavah znanstvenikov, kar pomeni, da so tisti, ki delajo na kritični infrastrukturi, pogosto spregledani pri zaposlovanju ali zaposlitvi.
"V preteklih letih sem dosledno opažal, da ljudje, ki preživijo veliko časa za računalniki, ne dobijo redne službe v fiziki," je dejal Vermaseren.
»Morda je bolj prestižno dejansko proizvajati fizične rezultate kot delati na orodjih,« je dejal Ruijl.
Medtem ko nekaj mlajših fizikov, kot je Ruijl, občasno dela na FORM, morajo zaradi svoje kariere večino svojega časa porabiti za druge raziskave. To prepušča velik del odgovornosti za razvoj FORM v rokah Vermaserena, ki je zdaj večinoma upokojen.
Brez nenehnega razvoja bo FORM čedalje manj uporaben – sposoben bo le interakcije s starejšo računalniško kodo in ne bo usklajen s tem, kako se današnji učenci učijo programirati. Izkušeni uporabniki se bodo tega držali, mlajši raziskovalci pa bodo sprejeli alternativne programe za računalniško algebro, kot je Mathematica, ki so uporabniku prijaznejši, a veliko počasnejši. V praksi se bodo mnogi od teh fizikov odločili, da so nekateri problemi nedosegljivi - pretežki za obvladovanje. Tako bo fizika delcev zastala, le nekaj ljudi bo lahko delalo na najtežjih izračunih.
Aprila ima Vermaseren srečanje uporabnikov FORM, da načrtujejo prihodnost. Razpravljali bodo o tem, kako ohraniti FORMO pri življenju: kako jo ohraniti in razširiti ter kako novi generaciji študentov pokazati, koliko zmore. S srečo, trdim delom in financiranjem bodo morda ohranili eno najmočnejših orodij v fiziki.
