探索升級 Xilinx FPGA助力大型強(qiáng)子對撞機(jī)大規(guī)模升級

據(jù)國外媒體報道，一年前，歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了有著“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子。這是科學(xué)研究史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一?，F(xiàn)在，強(qiáng)子對撞機(jī)的電腦屏幕一片漆黑，控制臺前沒有任何人影，用于進(jìn)行質(zhì)子束對撞的巨型超冷卻環(huán)形隧道也是空空如也。不過，這種安靜只是一種假象。幕后，科學(xué)家正在緊張工作，對強(qiáng)子對撞機(jī)進(jìn)行一次大規(guī)模升級。這次升級能夠讓對撞機(jī)幫助科學(xué)家進(jìn)一步擴(kuò)大知識的邊界。

歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，一名工作人員站在多功能探測器CMS(緊湊渺子線圈實驗的英文縮寫，以下簡稱CMS)下面。此時，工作人員正對對撞機(jī)進(jìn)行整修。大型強(qiáng)子對撞機(jī)的環(huán)形隧道長27公里，座落于法國-瑞士邊境地下100米，安裝了很多適用于太空飛船的裝置

科學(xué)家注視著大型強(qiáng)子對撞機(jī)的一段環(huán)形隧道。此時，對撞機(jī)已經(jīng)關(guān)閉。大型強(qiáng)子對撞機(jī)是世界上最大的粒子對撞機(jī)，一年前發(fā)現(xiàn)了有著“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子。這是科學(xué)研究史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一

一名工作人員在CMS前方走過。CMS是大型強(qiáng)子對撞機(jī)的一部分。2013年2月，強(qiáng)子對撞機(jī)關(guān)機(jī)，隨后進(jìn)行為期18個月的檢查。在2015年重啟對撞實驗時，歐洲核子研究組織的科學(xué)家將利用升級后的對撞機(jī)探測暗物質(zhì)、暗能量和超對稱

現(xiàn)在，強(qiáng)子對撞機(jī)的電腦屏幕一片漆黑，控制臺前沒有任何人影，用于進(jìn)行質(zhì)子束對撞的巨型超冷卻環(huán)形隧道也是空空如也。不過，這種安靜只是一種假象。幕后，科學(xué)家正在緊張工作，對強(qiáng)子對撞機(jī)進(jìn)行一次大規(guī)模升級。這次升級能夠讓對撞機(jī)幫助科學(xué)家進(jìn)一步擴(kuò)大知識的邊界。

滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)時，強(qiáng)子對撞機(jī)每秒可進(jìn)行5.5億次對撞。對撞機(jī)操作組負(fù)責(zé)人麥克-拉蒙特表示：“我們將盡可能增加對撞次數(shù)。對撞次數(shù)就像是我們的奶油和面包。對撞產(chǎn)生的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)都不是讓人非常感興趣的東西，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選是一項巨大挑戰(zhàn)。”

大型強(qiáng)子對撞機(jī)是世界上最大的粒子對撞機(jī)?？茖W(xué)家通過讓質(zhì)子束在對撞機(jī)的巨型環(huán)形隧道內(nèi)進(jìn)行對撞模擬大爆炸，用以搜尋神秘莫測的上帝粒子。一年前，強(qiáng)子對撞機(jī)通過質(zhì)子束對撞實驗確定了有著“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子的可能形態(tài)。長久以來，科學(xué)家便一直在尋找這種賦予宇宙萬物質(zhì)量的神秘粒子。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)的環(huán)形隧道長27公里，座落于法國-瑞士邊境地下100米。2013年2月，強(qiáng)子對撞機(jī)關(guān)機(jī)，隨后進(jìn)行為期18個月的檢查。在2015年重啟對撞實驗時，歐洲核子研究組織的科學(xué)家將利用升級后的對撞機(jī)探測暗物質(zhì)、暗能量和超對稱。超對稱理論與希格斯玻色子齊名，于半個世紀(jì)前提出。

在工程師將目光聚焦技術(shù)方面的任務(wù)之時，物理學(xué)家則在分析對撞機(jī)自2010年以來獲取的海量數(shù)據(jù)，希望能夠從中發(fā)現(xiàn)更多“金礦”。歐洲核子研究組織的蒂茲諾-卡姆珀勒斯表示：“比較容易做的事情我們都已經(jīng)做完了。現(xiàn)在，我們要進(jìn)行深入研究，尋找我們未知或者此前不可知的東西。我們經(jīng)常說天文學(xué)家的工作更簡單一些，因為他們能夠看到自己正在尋找的東西。”

大型強(qiáng)子對撞機(jī)的粒子對撞將能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量，對撞實驗的目標(biāo)是在亞原子碎片中搜尋基本粒子，幫助科學(xué)家進(jìn)一步了解宇宙。滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)時，強(qiáng)子對撞機(jī)每 秒可進(jìn)行5.5億次對撞。對撞機(jī)操作組負(fù)責(zé)人麥克-拉蒙特表示：“我們將盡可能增加對撞次數(shù)。對撞次數(shù)就像是我們的奶油和面包。對撞產(chǎn)生的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)都 不是讓人非常感興趣的東西。對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選是一項巨大挑戰(zhàn)，但我們需要通過篩選剔除無用的數(shù)據(jù)，從中挑選中我們感興趣的東西。”對撞機(jī)的環(huán)形隧道安裝 了很多適用于太空飛船的裝置。有趣的是，工作人員騎著“卑微”的自行車進(jìn)行巡查。

借助于歐洲核子研究組織的超級計算機(jī)，物理學(xué)家對質(zhì)子束對 撞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過這種分析進(jìn)一步加深對宇宙的了解。歐洲核子研究組織的發(fā)言人詹姆斯-基勒斯表示：“我們希望了解粒子的行為，了解它們?yōu)楹我约? 如何聚集在一些，在微觀尺度下構(gòu)成我們稱之為原子和核子的極其微小的東西，在較大尺度下構(gòu)成我們稱之為人、椅子和建筑的日常事物，以及在更大尺度下構(gòu)成行 星、恒星系統(tǒng)和星系。”

對于外行人來說，歐洲核子研究組織進(jìn)行的研究過于復(fù)雜，很難理解。對此，研究人員正在尋找簡化的方式。底夸克探測器 項目發(fā)言人皮耶路易吉-坎帕納開玩笑地說：“所有人都知道電子是什么，尤其是在將手指插入電源插座的時候。”坎帕納的團(tuán)隊證實了標(biāo)準(zhǔn)模型，準(zhǔn)確度和可信度 創(chuàng)歷史之最。標(biāo)準(zhǔn)模型于上世紀(jì)70年代提出，是粒子物理學(xué)的基本理論框架。坎帕納的團(tuán)隊對Bs粒子的變化進(jìn)行了有史以來最精確的測量。測量結(jié)果顯示，在每10億個Bs中，只有極少數(shù)衰變成更小的粒子μ介子并且是成對出現(xiàn)。在專家們眼里，這一發(fā)現(xiàn)足以與發(fā)現(xiàn)有著“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子相提并論。

希格斯玻色子由英國物理學(xué)家彼得-希格斯1964年提出，用于解釋一種怪異的現(xiàn)象，即為何一些粒子擁有質(zhì)量，而其他粒子——例如光線——沒有質(zhì)量。據(jù)信，希 格斯玻色子就像是泡在糖漿中的叉子。當(dāng)把這個叉子舉起來，暴露于充滿灰塵的空氣中時，一些灰塵穿過叉子，絕大多數(shù)灰塵粘在叉子上。換句話說，獲得質(zhì)量。質(zhì) 量產(chǎn)生引力，引力將粒子聚集在一起。

標(biāo)準(zhǔn)模型是一項可信賴的理論，但仍無法解釋引力，也無法解釋暗物質(zhì)和暗能量。暗物質(zhì)和暗能量在宇宙的構(gòu) 成中占絕大多數(shù)比重，科學(xué)家根據(jù)普通物質(zhì)受到的影響推斷出它們的存在。一些物理學(xué)家支持超對稱理論。這一理論認(rèn)為每一種已知粒子都有與之相對稱的鏡像粒 子。吉勒斯表示：“我們擁出了相應(yīng)的理論，可以描述我們周圍所有的正?？梢娢镔|(zhì)。不過，可見物質(zhì)在宇宙中的比重只有大約5%左右。”

大型強(qiáng) 子對撞機(jī)取代1989年至2000年服役的大型電子-正電子對撞機(jī)。這臺對撞機(jī)2008年服役，后來因出現(xiàn)故障不得不進(jìn)行為期1年的整修。強(qiáng)子對撞機(jī)對撞 時的能量達(dá)到8 TeV，相比之下，大型電子-正電子對撞機(jī)只有0.2 TeV。在投入5000萬瑞士法郎(約合5100萬美元)進(jìn)行升級之后，強(qiáng)子對撞機(jī)進(jìn)行對撞實驗時產(chǎn)生的能量可達(dá)到14 TeV。物理學(xué)家喬爾-古爾德斯特恩表示：“每次分析完大量數(shù)據(jù)，總有人找個理由，開香檳慶祝。隨著數(shù)據(jù)分析工作的繼續(xù)，這樣的理由越來越少。”

這個大型強(qiáng)子對撞機(jī)將質(zhì)子和重離子加速到接近光的速度并相互撞擊，重新創(chuàng)造出宇宙大爆炸后很短時間內(nèi)才存在的條件?？茖W(xué)家們一般認(rèn)為宇宙自大爆炸以來一直在變冷，我們所熟悉的一切都源于最初的大爆炸。LHC中的粒子撞擊能夠模仿大爆炸時的能量密度，從而使我們能夠了解宇宙演化極早期時的情形。這些實驗有可能發(fā)現(xiàn)有關(guān)物質(zhì)的新知識，使我們對宇宙中原子深處微小粒子的理解產(chǎn)生革命性的變化。在這個裝置中大量采用了賽靈思的FPGA。最早采用的是virtex-4 FPGA ，所有XC4VFX100器件同時獨(dú)立完成第一級數(shù)據(jù)壓縮，迅速處理并分類軌跡數(shù)據(jù)?？倲?shù)據(jù)速率高達(dá)2.7Tbs/s的數(shù)據(jù)通過總共120片賽靈思FPGA進(jìn)行處理 。

兩束稱為“強(qiáng)子”(質(zhì)子或鉛離子)的粒子在圓形加速器內(nèi)沿相反方向被加速。然后，物理學(xué)家控制粒子相撞。在LHC中將進(jìn)行一系列實驗，全球各地的科學(xué)家小組會利用專用探測器來分析撞擊所產(chǎn)生的粒子。

Xilinx FPGA的作用

當(dāng)反向強(qiáng)子束以極高速度相撞時將會產(chǎn)生大量亞原子粒子。為監(jiān)視撞擊生成的大量粒子，ALICE實驗中將利用特殊的光子探測器以亞毫米精度來測量每次撞擊產(chǎn)生的數(shù)以千萬計的粒子的軌跡位置。轉(zhuǎn)換輻射探測器(TRD)擁有120萬個模擬探頭。系統(tǒng)將每個模擬信號轉(zhuǎn)換為一個10MHz 10位數(shù)據(jù)流。540個單個探測器組合為18個超級模塊。這些單個模擬信號利用67000個前端芯片進(jìn)行預(yù)處理。這樣，生成的原始數(shù)據(jù)流達(dá)每秒120Tbits。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和壓縮后通過1080個光學(xué)鏈路發(fā)送出去。每條鏈路的數(shù)據(jù)速率達(dá)2.5 Gbps。這些光纜連接到載有90個軌跡匹配單元(TMU)卡的機(jī)架。每塊卡有12個光電轉(zhuǎn)換器，分別連接到一片賽靈思Virtex-4 FPGA的12個MGT收發(fā)器輸入。所有XC4VFXl00器件同時獨(dú)立完成第一級數(shù)據(jù)壓縮，并迅速處理并分類軌跡數(shù)據(jù)。總數(shù)據(jù)速率達(dá)2.7 Tbits/s的數(shù)據(jù)由120片賽靈思FPGA共同完成，其電90片F(xiàn)PGA在TMU機(jī)架上。ALICE設(shè)計人員將剩余的30片F(xiàn)PGA以樹形結(jié)構(gòu)連接到更高級模塊。在樹形結(jié)構(gòu)頂端的FPGA完成最終的觸發(fā)決策(捕捉重要內(nèi)容并過濾冗余信息)。FPGA實現(xiàn)的強(qiáng)大算法幫助去除重復(fù)的冗余數(shù)據(jù)或不重要的數(shù)據(jù)，因此整個系統(tǒng)能夠在一毫秒內(nèi)適配和選擇2000多個軌跡參數(shù)，同時避免了CERN數(shù)據(jù)處理和存儲系統(tǒng)的信息過載。每片XC4VFX100 FPGA集成有兩個IBM PowerPC微處理器，其中一個運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)來完成系統(tǒng)驗證和內(nèi)部管理。

隨著賽靈思不斷推出更高階的產(chǎn)品，對撞機(jī)應(yīng)用的FPGA也逐漸升級，從最早的virtex-4升級到virtex-5 、virtex-7。這個對撞機(jī)中還采用了10萬片ADI的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。