Giriş
Geçenlerde, bir parçacık fizikçisi arkadaşımın, hassasiyeti yeni bir düzeye çıkardığı bir hesaplama hakkında konuşmasını izledim. Aracı mı? FORM adlı 1980'lerden kalma bir bilgisayar programı.
Parçacık fizikçileri tüm bilimdeki en uzun denklemlerden bazılarını kullanırlar. Örneğin, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki çarpışmalarda yeni temel parçacıkların işaretlerini aramak için, olası çarpışma sonuçlarını tasvir eden, her biri milyonlarca terim uzunluğunda olabilen karmaşık bir formülü kodlayan, Feynman diyagramları adı verilen binlerce resim çiziyorlar. Bunun gibi formülleri kalem ve kağıtla özetlemek imkansızdır; onları bilgisayarlarla eklemek bile zor. Okulda öğrendiğimiz cebir kuralları ev ödevi için yeterince hızlı, ama parçacık fiziği için ne yazık ki verimsiz.
Bilgisayar cebir sistemleri adı verilen programlar bu görevleri yerine getirmeye çalışır. Ve dünyanın en büyük denklemlerini çözmek istiyorsanız, 33 yıldır öne çıkan bir program var: FORM.
Hollandalı parçacık fizikçisi tarafından geliştirildi jos vermaserenFORM, en zor hesaplamalar için gerekli olan parçacık fiziği altyapısının önemli bir parçasıdır. Bununla birlikte, şaşırtıcı derecede çok sayıda temel dijital altyapı parçasında olduğu gibi, FORM'un bakımı büyük ölçüde tek bir kişiye bağlıdır: Vermaseren'in kendisine. Ve 73 yaşında Vermaseren, FORM geliştirmeden geri adım atmaya başladı. Akademinin yazılım araçlarını değil, yayınlanmış makaleleri ödüllendiren teşvik edici yapısı nedeniyle, halefi ortaya çıkmadı. Durum değişmezse, parçacık fiziği önemli ölçüde yavaşlamak zorunda kalabilir.
FORM, bilgisayarların rolünün hızla değiştiği 1980'lerin ortalarında başladı. Martinus Veltman tarafından oluşturulan Schoonschip adlı bir program olan selefi, bir Atari bilgisayarının yan tarafına taktığınız özel bir çip olarak piyasaya sürüldü. Vermaseren, dünyadaki üniversiteler tarafından indirilebilecek daha erişilebilir bir program yapmak istedi. Formül Çevirisi anlamına gelen FORTRAN bilgisayar dilinde programlamaya başladı. FORM adı bununla ilgili bir riffti. (Daha sonra C adlı bir programlama diline geçti.) Vermaseren, yazılımını 1989'da piyasaya sürdü. 90'ların başında dünya çapında 200'den fazla kurum indirmişti ve sayı artmaya devam etti.
2000 yılından bu yana, ortalama olarak birkaç günde bir FORM'dan alıntı yapan bir parçacık fiziği makalesi yayınlandı. "Grubumuzun son 20 yılda elde ettiği [yüksek hassasiyetli] sonuçların çoğu büyük ölçüde FORM koduna dayalıydı" dedi Thomas Gehrmann, Zürih Üniversitesi'nde profesör.
FORM'un popülaritesinin bir kısmı, bir Feynman diyagramının belirli parçalarını hızlı bir şekilde çarpmak için bir numara ve mümkün olduğunca az çarpma ve ekleme olacak şekilde denklemleri yeniden düzenleme prosedürü gibi yıllar içinde oluşturulan özel algoritmalardan geldi. Ancak FORM'un en eski ve en güçlü avantajı, belleği nasıl ele aldığıdır.
İnsanların kısa süreli ve uzun süreli olmak üzere iki tür belleği olduğu gibi, bilgisayarların da iki türü vardır: ana ve harici. Ana belleğe - bilgisayarınızın RAM'ine - anında erişmek kolaydır, ancak boyut olarak sınırlıdır. Sabit diskler ve yarıiletken sürücüler gibi harici bellek aygıtları çok daha fazla bilgi tutar ancak daha yavaştır. Uzun bir denklemi çözmek için, onunla kolayca çalışabilmeniz için onu ana bellekte saklamanız gerekir.
80'lerde, her iki bellek türü de sınırlıydı. "FORM, neredeyse hiç belleğin olmadığı ve ayrıca disk alanı olmadığı bir zamanda oluşturuldu - temelde hiçbir şey yoktu" dedi. Ben Ruijl, Vermaseren'in eski bir öğrencisi ve şu anda Zürih İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'nde doktora sonrası araştırmacı olan FORM geliştiricisi. Bu bir zorluk teşkil ediyordu: Denklemler, ana belleğin işlemesi için çok uzundu. Birini hesaplamak için, işletim sisteminizin sabit diskinize de ana bellekmiş gibi davranması gerekiyordu. Denkleminizin ne kadar büyük olmasını bekleyeceğini bilmeyen işletim sistemi, verileri sabit diskteki bir "sayfalar" koleksiyonunda depolar ve farklı parçalara ihtiyaç duyuldukça bunlar arasında sık sık geçiş yapar - bu, takas adı verilen verimsiz bir işlemdir.
FORM takası atlar ve kendi tekniğini kullanır. FORM'da bir denklemle çalıştığınızda, program her terime sabit diskte sabit bir alan atar. Bu teknik, yazılımın bir denklemin parçalarının nerede olduğunu daha kolay takip etmesini sağlar. Ayrıca, ihtiyaç duyulduğunda diğer parçalara erişmeden bu parçaları ana belleğe geri getirmeyi kolaylaştırır.
Bellek, FORM'un ilk günlerinden bu yana, 128'te Atari 130XE'deki 1985 kilobayt RAM'den, güçlendirilmiş masaüstümde 128 gigabayt RAM'e yükseldi - milyon kat gelişme. Ancak Vermaseren'in geliştirdiği hileler çok önemli olmaya devam ediyor. Parçacık fizikçileri, yeni parçacıkların kanıtlarını aramak için Büyük Hadron Çarpıştırıcısından gelen petabaytlarca veriyi incelerken, kesinliğe olan ihtiyaçları ve dolayısıyla denklemlerinin uzunluğu da uzuyor.
Ruijl, "Hafıza ne kadar büyürse büyüsün, bu şeyler sonsuza kadar geçerliliğini koruyacak, çünkü her zaman onu belleğin boyutunun ötesine itebilecek bir fizik problemi vardır" dedi.
Bilgisayar yetenekleri kabaca katlanarak arttı ve her iki yılda bir ikiye katlandı. Ancak üstel büyümeden daha hızlı büyüme biçimleri var. Üç harfi - a, b ve c - olası tüm sıralarda yazma görevini düşünün. Birinci harf (a, b veya c) için üç, ikinci harf için iki ve üçüncü harf için bir seçenek vardır. Problem, üstel büyümeden bile daha hızlı büyüyen bir faktöriyel, matematiksel bir ilişki olarak ölçeklenir. Faktöriyeller, bir dizi çarpışan parçacık için çizebileceğiniz tüm farklı Feynman diyagramları gibi, şeylerin olası kombinasyonlarını saymaya çalıştığınızda sıklıkla ortaya çıkar. Bu parçacık fiziği hesaplamalarının faktöriyel büyümesi, bilgi işlem gücünün üstel büyümesini geride bırakır.
FORM gibi bir yazılım fizik için ne kadar önemliyse de, onu geliştirme çabası genellikle hafife alınır. Vermaseren, Hollanda'daki Ulusal Atom Altı Fizik Enstitüsü'nde kalıcı bir pozisyonu ve projeyi takdir eden bir patronu olduğu için şanslıydı. Ama böyle bir şans zor bulunur. İtalyan fizikçi Stefano Laporta önemli bir basitleştirme algoritması alan için, kariyerinin çoğunu öğrenci veya ekipman için fon sağlamadan geçirdi. Üniversiteler, bilim adamlarının yayın kayıtlarını takip etme eğilimindedir; bu, kritik altyapı üzerinde çalışanların genellikle işe alım veya kadro için göz ardı edildiği anlamına gelir.
Vermaseren, "Bilgisayar başında çok zaman geçiren insanların fizikte kadrolu bir iş bulamadıklarını yıllar boyunca tutarlı bir şekilde gördüm" dedi.
Ruijl, "Belki de aletler üzerinde çalışmaktansa fiziksel sonuçlar üretmek daha prestijlidir," dedi.
Ruijl gibi birkaç genç fizikçi FORM üzerinde ara sıra çalışırken, kariyerleri için zamanlarının çoğunu başka araştırmalara harcamaları gerekiyor. Bu, FORM'u geliştirme sorumluluğunun çoğunu, şu anda çoğunlukla emekli olan Vermaseren'in ellerine bırakıyor.
Devam eden geliştirme olmadan, FORM giderek daha az kullanılabilir hale gelecek - yalnızca eski bilgisayar koduyla etkileşime girebilecek ve günümüz öğrencilerinin programlamayı öğrenme biçimleriyle uyumlu olmayacak. Deneyimli kullanıcılar buna bağlı kalacak, ancak daha genç araştırmacılar Mathematica gibi daha kullanıcı dostu ancak çok daha yavaş olan alternatif bilgisayar cebir programlarını benimseyecekler. Uygulamada, bu fizikçilerin çoğu, belirli problemlerin yasak olduğuna karar verecek - ele alınması çok zor. Böylece parçacık fiziği, en zor hesaplamalar üzerinde çalışabilen yalnızca birkaç kişiyle oyalanacak.
Nisan ayında Vermaseren, geleceği planlamak için FORM kullanıcılarının bir zirvesini düzenliyor. FORM'un nasıl canlı tutulacağını, nasıl sürdürüleceğini ve genişletileceğini ve yeni nesil öğrencilere ne kadar çok şey yapabileceğini nasıl göstereceklerini tartışacaklar. Şans, sıkı çalışma ve finansman ile fizikteki en güçlü araçlardan birini koruyabilirler.
