科學與醫學

Micron 的技術幫助 CERN 解開了宇宙之謎

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大約 140 億年前,「大爆炸」創造了宇宙,時間開始存在,進而出現地球所在的太陽系,然後創造了生命。

從那之後,宇宙一直在不斷擴展,人類對於我們為什麼存在以及大爆炸如何發生產生好奇心。這種渴望促使銀河系領先的物理學家們努力鑽研高科技研究,並一遍又一遍地粉碎亞原子粒子。他們希望測量到碰撞產生的更小的物質―所有一切的基石―能讓他們一瞥宇宙的新真理。

Micron 科技將在這項工作中扮演重要角色,為物理學家提供最先進的深度學習和記憶體解決方案,追求下一個突破。

合作可以幫助自此改變科學結果。

物理方面與歐洲核子研究組織合作,即 CERN 歐洲核子研究中心。該實驗室成立於 1954 年,擁有世界上半數的粒子物理學家,最出名的是成為世界上最大的粒子加速器―大型強子對撞機(LHC)的所在地。在 LHC 上運行的實驗證實了 2012 年希格斯玻色子粒子的存在。「上帝粒子」的發現(主流媒體上以此稱之,雖然我們歐洲核子研究中心的朋友並不太熱衷這個綽號)是科學界的一個里程碑,並讓那些在 20 世紀 60 年代提出它存在的研究人員在隔年贏得了諾貝爾物理學獎。

Micron 高級計算解決方案運營總監 Mark Hur 表示,為 CERN 的研究做出貢獻的機會令人為之振奮。CERN 的實驗產生了大量需要過濾、處理和儲存的數據資料。Micron 正在為幾項實驗提供硬體服務,將有助於歐洲核子研究中心解決其數據處理的困難。

「CERN 走在應用新技術以幫助理解宇宙的最尖端,」Hur 表示。「與 CERN 合作使我們能夠在極其苛刻的環境中測試最新技術。」

微小的碰撞

CERN 的 LHC 本身就是一個物理奇蹟。簡單來說,大型強子對撞機透過一個巨大的磁管發射數百萬個氫原子核,並記錄它們相互碰撞時的情形。這些碰撞創造了類似於宇宙大爆炸之後的條件。CERN 粒子物理學家 Maurizio Pierini 解釋,就像你從太陽系一側的光速附近發射了 1000 億顆網球,而從另一側又發射 1000 億個網球,看看當(或如果)它們在中間碰撞會發生什麼事。

3D 計算描繪的 LHC 剖面圖

這是它的原理。LHC 位於地下 17 英里的環路中,穿過法國瑞士的邊境。氫原子被剝離其電子,形成進入加速器的質子。

兩個高能粒子束透過相反方向的管子射出質子群,由液態氦冷卻到華氏 -456 度的電磁鐵驅動。超冷環境使磁鐵能夠在超導狀態下工作,在不損失能量的情況下導電。

磁鐵引導 17 英里環路周圍的質子。強無線電頻率用於將質子加速到接近光速的速度,在 LHC 環路周圍每秒射擊約 11,000 次。粒子束在加速器上的四個碰撞點處相交―LHC 的四個主要粒子探測器的位置。

無線電頻率還使質子以大約 12 英寸長和 1 毫米寬的束流行進。質子是如此微小,以至於大多數質子都沒有碰到碰撞點。然而,質子的絕對數量每秒產生高達 10 億次碰撞。

這是 10 億次碰撞,產生必須每秒讀取和處理的數據。

「CERN 走在應用新技術以幫助理解宇宙的最尖端,」Hur 表示。「與 CERN 合作使我們能夠在極其苛刻的環境中測試最新技術。」

處理這些數據需要強大的計算能力。很快地,科學家們就會透過增加光束強度來提高機會,以增加碰撞更多的可能性。回到網球比喻;就好像你將網球組合在一起一樣,當兩組相遇時,一組更密集的球會增加碰撞的機率。

高亮度 LHC,作為歐洲核子研究中心的升級加速器,將在 2026 年左右上線時將其粒子束的強度提高五倍。技術需求將非常驚人。每次碰撞都會產生 1 百萬位元組的數據。今天,LHC 實驗已經產生了每秒大約 1 拍位元組 (1PB) 的數據,相當於超過 2,000 年份的音樂。

Pierini說:「數據將變得更大、更擁擠、更複雜。」 「進行這種即時處理將是一項巨大的挑戰。」

數據消防

這就是 Micron SB-852 板的用武之地。該主板由 512GB 頂級 DDR4 DRAM 和 2GB HMC 提供動力,正在進行四種主要 LHC 實驗之一:CMS 進一步的機器學習功能測試。Micron 的記憶體解決方案結合了神經網功能,將在實驗的數據採集系統中進行測試。在 CERN 工作的科學家正在尋求部署能夠支持他們實驗的計算和數據處理要求的尖端技術。記憶體對於處理大量數據有著至關重要的作用,幫助研究人員從實驗產生的數據中獲得寶貴的見解。

說白話一點,「這是一個書呆子宅男的遊戲版,」Hur 說。SB-852 板提供咬嚼肌肉來消化數據,識別對科學家來說重要或有趣的東西,並過濾掉其餘部分。

「一旦這些碰撞發生,SB-852 板就能夠獲取大量數據,那麼內部運行的機器學習將利用記憶體來呼喚:『嘿,這是我們以前從未見過的。我們應該關注這一點,』」他說。

深度學習

分析 LHC 中的每次碰撞是不可行的。Pierini 說:「它們太頻繁和龐大,大到數據記錄系統會窒息。」

大多數碰撞產生的小顆粒已經很好理解。Pierini 表示訣竅是拋棄無用的數據。為此,CERN 依賴讀取粒子軌跡並轉儲無用數據的算法。

CERN 可能構建了世界上最精確的粒子碰撞預測模型,它應用神經網絡來消化數據並過濾掉除了一小部分的所有數據。到目前為止,CERN 依靠預測模型來預測他們期望找到的亞原子粒子將如何表現和訓練神經網絡以找到預期的行為。

「這就像在圖像中區分貓和狗一樣,神經網絡非常擅長,」Pierini 說。

但是一些最偉大的科學啟示源於意想不到的結果,比如 1964 年檢測宇宙微波背景輻射如何為大爆炸理論提供了重要證據。CERN 的研究人員努力避免在裁剪房內留下有趣的東西。

因此,CERN 研究人員需要更先進的人工智慧,可以從數據中挑選無法預料的事件。Micron 的記憶板可以幫助在 CMS 實驗中做到這一點,突出顯示可能產生無法預期的奇怪數據。

「我們正在開發一種演算法來學習標準模型,並透過推理辨認從一百萬個我們本來應該扔掉的事件中的一件,因為這是一個奇怪的事件,」Pierini 說。

狩獵幽靈粒子

另一個有希望但神秘的粒子吸引了粒子物理研究人員:中微子,它類似於電子,然而,它沒有電荷,幾乎沒有質量,很少與正常物質反應,使得它們特別難以觀察。透過與 CERN 的合作,Micron 公司還參與了一項獨立的主要實驗來檢測中微子。該實驗將在美國建造,由費米國家加速器實驗室(Fermilab)主持。

被稱為「幽靈粒子」的中微子儘管是最豐富的,但仍然是最小和難以捉摸的已知粒子之一。物理學家知道中微子的存在,但對他們的行為知之甚少。中微子研究的突破可能會解決科學關於宇宙形成的一些最大問題,包括幫助解釋宇宙大爆炸後物質的形成。

簡而言之,解開中微子的奧秘可能有助於解釋我們為什麼會在這裡。

中微子符合物理學家所稱的標準模型,它描述了物質的基本構建塊。然而,它們被認為在最近的諾貝爾獎獲獎證明之前不包含任何質量,因此透過更好地理解幽靈粒子可以解決其他神秘的問題。

對於物理學家來說,那令人非常興奮。

「中微子是一種難以捉摸的奇異粒子,可能隱藏著秘密,」Pierini 說。「有這樣的直覺―中微子質量必須來自一些新的物理學,否則它無法真正被解釋。」

Pierini說:「數據將變得更大、更擁擠、更複雜。」 「進行這種即時處理將是一項巨大的挑戰。」

CERN 是一個國際財團的一部分,致力於創建有史以來規模最大的中微子探測項目,稱為深地下中微子實驗,亦 DUNE。該實驗將包括美國的兩個中微子探測器,一個位於南達科他州的萊德。在那裡,使用廢棄金礦的豎井,工作人員將挖掘80萬噸岩石,為一個裝滿 40,000 多噸液態氬的巨大房間騰出空間。

距離位於芝加哥郊外的費米實驗室 800 英里外的粒子發生器將射出一束中微子通過地球到達探測室,在那裡精密技術將中微子的路徑映射到室內。透過實驗產生的圖像將提供對中微子行為的洞察。這是一次大規模的合作,包括來自世界各地 175 個研究機構的一千多名研究人員,他們與 DUNE 合力解開了中微子的難題。

追蹤中微子

DUNE 提出了與 LHC 實驗不同的數據挑戰。雖然 LHC 中的粒子碰撞產生的數據非常多,需要進行過濾,但中微子很少與物質相互作用,這意味著它們在 DUNE 洞穴室內的探測將更加罕見。

Pierini 說,挑戰在於壓縮和儲存由室內 3D 傳感器陣列檢測到的每個中微子產生的每個位元數據。相同的 MicronSB-852 記憶板正在 CERN 建造的這些電池室的原型中進行測試,作為提供必要計算能力的手段。他們的神經網絡還將推斷數據,以找出可以收集的其他數據並幫助識別衰減的中微子。

「(目標是)開發一種快速的數據處理算法,可以從區域開始,然後全面地觀察事件,」Pierini 說。

去年在南達科他州出現了一大突破,計劃要求 DUNE 實驗於 2026 年開始運作。

也許在 140 億年之後,中微子之謎會被解開。

DUNE 原型中微子檢測室

理想夥伴

Micron 合作是 CERN 引以為傲的合作傳統之一。

CERN 透過其開放數據入口分享實驗數據 今天,數據集、軟體、環境和科學文件中包含超過 1PB 的訊息可供研究人員根據需要存取和使用。CERN 透過構建系統來展示其對開源數據和軟體的奉獻精神,以便數據盡可能的廣泛擴散。

考慮到類似的道德規範,CERN 透過一個名為 CERN openlab 的公共到私人平台,與其他頂級的現場研究機構和技術公司合作。

除了 Micron 之外,CERN openlab 的合作團隊還包括世界上 10 大頂尖科技公司和 9 家領先的研究機構。

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「CERN 與公共和私營部門公開合作,與 Micron 等技術合作夥伴合作,有助於確保研究界成員能夠獲得開展我們開創性工作所需的先進計算技術,」CERN OpenLAB 首席技術官 Maria Girone 說。

「CERN 與公共和私營部門公開合作,與 Micron 等技術合作夥伴合作,有助於確保研究界成員能夠獲得開展我們開創性工作所需的先進計算技術,」CERN OpenLAB 首席技術官 Maria Girone 說。

Hur 表示,與 CERN 的合作反映記憶體在科學和更大的技術社群日益增加的重要性。

「當我回顧過去時,記憶體總是事後才想到。伺服器和處理器是最重要的因素,」Hur 說。「現在,每個人都意識到伺服器正在達到極限。現在,所有這些應用程式正在成為記憶體的決定因素。」

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