激发科学和医学领域的下一代发现

Micron 美光的技术帮助 CERN 解开宇宙奥秘

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大约 140 亿年前,大爆炸创造了宇宙、时间的存在、太阳系(例如地球所在的星系),并最终创造生命本身。

从那以后,宇宙一直在膨胀,人类对我们为什么存在以及大爆炸是如何发生的好奇也随之膨胀。这种渴望正驱使银河系的前沿物理学家们在高科技研究设施中一遍又一遍地粉碎亚原子粒子。他们希望通过测量碰撞产生的更小的物质——构成所有物质的基石——让他们窥见关于宇宙的新真理。

Micron Technology 将在这一过程中发挥作用,将其较先进的深度学习和内存解决方案提供给热切追求下一个突破的物理学家们。

这种合作可能有助于产生长久改变科学的深远影响。

这项合作的物理学内容是由欧洲核子研究中心(简称 CERN)负责。该实验室成立于 1954 年,拥有世界上一半的粒子物理学家,较著名的是它拥有世界上较大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)。2012 年,LHC 上运行的实验证实了希格斯玻色子的存在。“上帝粒子”(这是主流媒体使用的称呼,尽管我们在 CERN 的朋友们不太喜欢这个叫法)的发现在科学界是一个里程碑式的事件,并且它帮助早在 20 世纪 60 年代就提出该粒子存在的研究人员获得了下一年(2013 年)的诺贝尔物理学奖。

Micron 美光高级计算解决方案运营总监 Mark Hur 说,这个能够为 CERN 的研究做出贡献的机会令人兴奋。CERN 的实验产生了大量需要过滤、处理和存储的数据。Micron 美光正在为几个实验提供硬件,这些实验将帮助 CERN 解决他们的数据困境。

“CERN 处于尝试应用新技术来帮助理解宇宙的前沿,”Hur 说。“与 CERN 的合作使我们能够在一个要求苛刻的环境中测试新技术。”

小碰撞

CERN 的 LHC 本身就是一个物理奇迹。简言之,LHC 通过一个巨大的磁管发射数百万个氢原子核,并记录下它们相互碰撞时会发生什么。这些碰撞创造了与大爆炸后出现的类似条件。CERN 粒子物理学家 Maurizio Pierini 解释说,这就像你从太阳系的一端以接近光速的速度发射 1,000 亿个网球,并从另一端以接近光速的速度发射 1,000 亿个网球,然后观察它们在中间碰撞时会发生什么。

LHC 的 3D 剖面图

下面是它的工作原理。LHC 被安置在一个位于地下 17 英里的环形轨道上,并穿越法国和瑞士边境。氢原子的电子被剥离,形成质子被送入加速器。

由被液氦冷却到零下 456 华氏度的电磁铁推动的两束高能粒子束将质子群射向相反的方向。超低温环境使磁体能够在超导状态下工作,从而在不损失能量的情况下导电。

磁铁引导质子在 17 英里的回路中运行。强大的无线电频率被用来将质子加速到接近光速,并以每秒 11,000 次的速度将它们射入 LHC 的回路中。粒子束相交于加速器上的四个碰撞点——即 LHC 的四个主要粒子探测器的所在地。

无线电频率也会使质子以 12 英寸长、1 毫米宽的束状传播。质子是如此微小,以至于大多数质子都能毫发无损地通过碰撞点。尽管如此,绝对数量的质子每秒仍能产生至多 10 亿次碰撞。 这些是必须被捕获和处理的每秒 10 亿次碰撞产生的数据。

处理这些数据需要巨大的计算能力。并且科学家们很快将加大赌注,增加光束的强度,以增加碰撞发生的几率。回到网球的比喻:这就好像你把网球聚得更近,从当两组球相遇时,更密集的球簇会增加正面碰撞的机会。

CERN 升级后的加速器——高亮度 LHC,将于 2026 年左右投入使用,届时其粒子束的强度将提高 5 倍。技术需求将是惊人的。每次碰撞将产生 1 MB 的数据。如今,LHC 的实验已经产生了每秒约 1 PB(拍字节)的数据,相当于 2000 多年来音乐的数据量。

“数据将变得更大、更拥挤、更复杂,”Pierini 说。“实时处理将是一个巨大挑战。”

数据管道

这就是 Micron 美光 SB-852 电路板的用途。该电路板由 512 GB的顶级 DDR4 DRAM 和 2GB 的混合存储立方体驱动,目前正在作为 LHC 四个主要实验之一的 CMS 中进行测试,以进一步提高机器学习能力。结合神经网络功能的 Micron 美光内存解决方案将在实验的数据采集系统中进行测试。在 CERN 工作的科学家们正在寻找能够支持他们的实验计算和数据处理要求的前沿技术。内存通过处理大量数据而发挥着至关重要的作用,它们能帮助研究人员从实验产生的数据中获得有价值的洞察。

用非技术术语来说,“这是一个古怪的电路板,”Hur说。SB-852 电路板提供了处理数据的字节咀嚼肌肉,能识别出对科学家来说重要或有趣的数据,过滤掉剩下的数据。

“一旦这些碰撞发生,电路板就能摄入大量数据,然后内部运行的机器学习就会利用这些内存说‘嘿,这是我们以前没见过的东西。我们应该关注它们。’”他说。

深度学习

分析 LHC 中的每一次碰撞是不现实的。它们是如此频繁和庞大,以至于数据记录系统将卡住,Pierini 说。

大多数碰撞会产生我们已经充分理解的更小粒子。Pierini 说,诀窍是丢弃无用的数据。为此,CERN 依赖于读取粒子轨迹并转储无趣数据的算法。

“数据将变得更大、更拥挤、更复杂,”Pierini 说。“实时处理将是一个巨大挑战。”

CERN 可能已经建立了世界上较精确的粒子碰撞预测模型,它利用神经网络来消化数据,过滤掉除一小部分以外的所有数据。到目前为止,CERN 一直依靠预测模型来预测他们期望发现的亚原子粒子的行为,并训练神经网络来发现预期的行为。

“和区分图片中的猫和狗一样,这是神经网络擅长的领域,”Pierini 说。

但是一些伟大的科学发现来自于意想不到的结果,比如 1964 年探测到的宇宙微波背景辐射如何为大爆炸理论提供关键证据。CERN 的研究人员尽量避免在剪辑室的地板上留下有趣的东西。

因此,CERN 的研究人员需要更先进的人工智能,能够从数据中挑选出不可预见的事件。在 CMS 实验中,Micron 美光电路板可以帮助做到这一点,因为它能突出显示可能产生意外结果的奇怪数据。

“我们正在开发一种用于学习标准模型的算法,并且通过推理指出我们实际上应该保留但却会扔掉的百万分之一的事件,因为它是一个奇怪的事件,”Pierini 说。

寻找幽灵粒子

另一种很有希望但神秘莫测的粒子吸引着粒子物理学研究者是中微子,它与电子相似,却没有电荷,几乎没有质量,很少与正常物质反应,这使得它特别难以观测。通过与 CERN 的合作,Micron 美光还参与了另一项检测中微子的大型实验。该实验将在美国进行,由费米国家加速器实验室(Fermilab)主办。

中微子被称为“幽灵粒子”,尽管它是已知粒子中数量较多的粒子,但仍然是较小、难以捉摸的粒子之一。物理学家们知道中微子的存在,但对它们的行为却知之甚少。中微子研究的突破可能会解决一些关于宇宙形成的科学难题,包括帮助解释大爆炸之后物质是如何形成的。

简言之,解开中微子之谜可能有助于解释我们存在的原因。

中微子符合物理学家所称的标准模型,该模型描述了物质的基本构造块。然而,直到最近一项诺贝尔奖得主的发现证明了另一种说法,人们才相信中微子不含有质量,并且这引发了人们的疑问:还有什么其他的谜团可以通过更好地理解幽灵粒子来解决。

对于物理学家来说,这是激动人心的。

“中微子是一种难以捉摸的奇特粒子,可能隐藏着秘密,”Pierini 说。“有一种直觉认为,中微子质量必须来自某种新的物理学,否则它就无法得到真正的解释。”

“CERN 处于尝试应用新技术来帮助理解宇宙的前沿,”Hur 说。“与 CERN 的合作使我们能够在一个要求苛刻的环境中测试新技术。”

CERN 是一个国际联盟的一部分,该联盟致力于创建有史以来最大的中微子探测项目,即“地下中微子深实验”(DUNE)。这项实验将包括美国的两个中微子探测器,其中一个在南达科塔州的 Lead 市。在那里,工作人员将从一个废弃金矿的竖井中挖掘 800,000 吨岩石,腾出空间装下 40,000 吨液态氩。

在位于芝加哥城外 800 英里的费米实验室,一台粒子发生器将发射一束中微子穿过地表到达探测室,在那里,精确的技术将绘制出中微子穿过探测室的路径,而实验产生的图像将有助于了解中微子的行为。这是一次大规模的合作,包括来自世界各地 175 个研究机构的 1,000 多名研究人员,他们将与 DUNE 一起解开了中微子之谜。

追踪中微子

DUNE 提出了与 LHC 实验不同的数据挑战。鉴于 LHC 中粒子碰撞产生的数据如此之多,以至于需要对其进行过滤,而中微子又很少与物质发生相互作用,这意味着它们在 DUNE 的洞穴室中被探测到的情况将会更加罕见。

Pierini 说,这个挑战变成了压缩和存储腔室的 3D 传感器阵列检测到的每个微中子产生的数据字节。作为提供必要计算能力的一种手段,相同的 Micron 美光 SB-852 电路板正在 CERN 建造的这些腔室的原型中进行测试。它们的神经网络还将推断数据,以找出还能收集到什么线索,并帮助识别衰变的中微子。

“[目标是]开发一种快速的数据处理算法,这种算法可能从局部开始,然后再从全局来观察事件,”Pierini 说。

南达科他州的项目去年破土动工,计划于 2026 年开始 DUNE 实验。

也许在 140 亿年之后,中微子的窘境将不复存在。

原型 DUNE 中微子探测腔室

理想的合作伙伴

与 Micron 美光合作是 CERN 引以为豪的合作传统的一部分。

CERN 通过其开放数据门户共享其实验数据。现在,研究人员可以酌情访问和使用包含在数据集、软件、环境和科学文档中的 1 PB 以上的信息。CERN 通过构建自己的系统来展示其对开源数据和软件的贡献,以便其数据能够尽可能广泛地扩散。

本着类似的道德规范,CERN 通过一个名为 CERN openlab 的公私合作平台,与其他顶尖的领域研究机构和技术公司进行合作。

除了 Micron 美光之外,CERN openlab 的合作伙伴还包括 10 家世界前沿技术公司和 9 家前沿研究机构。

“CERN 公开与公共和私营部门合作,并与 Micron 美光这样的技术伙伴合作,有助于确保研究界的成员能够获得开展我们开创性工作所需的先进计算技术,”CERN openlab 首席技术官 Maria Girone 表示。

“CERN 公开与公共和私营部门合作,并与 Micron 美光这样的技术伙伴合作,有助于确保研究界的成员能够获得开展我们开创性工作所需的先进计算技术,”CERN openlab 首席技术官 Maria Girone 表示。

Hur 说,与 CERN 的合作反映了内存在科学领域和更大的技术社区方面日益重要。

“当我回顾过去时,内存总是在最后被想起。服务器和处理器则是更重要的因素,”Hur 说。“现在每个人都意识到服务器正在经历瓶颈。而所有这些应用程序都在变成以内存为主导。”

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