CERN在新興技術(shù)的運(yùn)用與宇宙探索領(lǐng)域位居學(xué)界前沿

大約 140億 年前，大爆炸創(chuàng)造宇宙，創(chuàng)造時(shí)間，創(chuàng)造太陽系，并最終創(chuàng)造生命本身。

宇宙自此持續(xù)膨脹，人類對自身存在緣由以及大爆炸的來龍去脈也愈發(fā)好奇。這種渴望驅(qū)使著世界最為前沿的物理學(xué)家們孜孜不倦地探尋宇宙真理，不厭其煩地在一次次對撞實(shí)驗(yàn)中粉碎亞原子粒子，尋找能夠構(gòu)成世間萬物的最小物質(zhì)。

美光科技亦將為科學(xué)發(fā)展貢獻(xiàn)一己之力，為積極尋求突破的物理學(xué)家們提供最為先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)和內(nèi)存解決方案，這項(xiàng)協(xié)作甚至可能永久改變科學(xué)進(jìn)程。

這項(xiàng)合作的物理學(xué)層面由歐洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research，簡稱CERN）負(fù)責(zé)。該實(shí)驗(yàn)室成立于 1954 年，世界上一半的粒子物理學(xué)家在此潛心鉆研，此外它還因擁有世界上最大的粒子加速器——大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider，簡稱 LHC）而著稱。2012 年，科學(xué)家們在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，并證實(shí)了希格斯玻色子的存在。研究人員早在 20 世紀(jì) 60 年代就曾提出過該粒子存在的假設(shè)，其證明使得他們在來年（2013年）榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。作為科學(xué)界的里程碑，希格斯玻色子被主流媒體奉為“上帝粒子”，盡管這個(gè)稱呼常令 CERN 的專家們感到反感。

美光高級計(jì)算解決方案運(yùn)營總監(jiān) Mark Hur 說道：“我們非常激動(dòng)能有機(jī)會(huì)為 CERN 的研究貢獻(xiàn)一些力量?！盋ERN 的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了大量需要過濾、處理和存儲的數(shù)據(jù)，美光正為 CERN 實(shí)驗(yàn)提供的硬件將有助于他們解決數(shù)據(jù)困境。

“CERN 在新興技術(shù)的運(yùn)用與宇宙探索領(lǐng)域位居學(xué)界前沿，” Hur 說。“與 CERN 的合作使我們能夠在無比嚴(yán)苛的環(huán)境中進(jìn)行新技術(shù)的測試。”

肉眼無法察覺的碰撞

大型強(qiáng)子對撞機(jī)本身就是一個(gè)物理學(xué)上的奇跡，它通過一個(gè)巨大的磁管發(fā)射數(shù)百萬個(gè)氫原子核，并記錄它們相互碰撞的過程，碰撞中產(chǎn)生了類似于宇宙大爆炸之后的環(huán)境。CERN 粒子物理學(xué)家 Maurizio Pierini對此作出了形象的比喻：“這好比從太陽系的兩端以接近光速的速度各發(fā)射 1,000 億個(gè)網(wǎng)球，隨后觀察它們在中間碰撞時(shí)所發(fā)生的事情?！?/p>

LHC 的 3D 剖面圖

對撞機(jī)工作原理

將大型強(qiáng)子對撞機(jī)安置在一個(gè)地下 17 英里的環(huán)形軌道上，其位置橫跨法國和瑞士兩國邊境。當(dāng)氫原子的電子被剝離，所形成的質(zhì)子被送入加速器。

電磁鐵經(jīng)液氦冷卻至零下 456℉（大約零下 271℃）以后，推動(dòng)兩束高能粒子束將質(zhì)子群射向相反的方向。超低溫環(huán)境使磁體能夠在超導(dǎo)狀態(tài)下工作，從而在不損失能量的情況下導(dǎo)電。

磁鐵引導(dǎo)質(zhì)子在 17 英里的回路中運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)大的無線電頻率使質(zhì)子加速到接近光速，并以每秒 11,000 次的速度將它們射入 LHC 的回路中。粒子束相交于加速器上的四個(gè)碰撞點(diǎn)，這也是大型強(qiáng)子對撞機(jī)四個(gè)主要粒子探測器的所在地。

無線電頻率還使得質(zhì)子以 12 英寸長、1 毫米寬的束狀傳播。由于質(zhì)子過于微小，大多數(shù)質(zhì)子都能毫發(fā)無損地通過碰撞點(diǎn)，但質(zhì)子數(shù)量眾多，每秒仍能產(chǎn)生多達(dá) 10 億次的碰撞（這些碰撞需要產(chǎn)生能被捕捉并處理的數(shù)據(jù)）。

由于處理這些數(shù)據(jù)需要巨大的計(jì)算能力，科學(xué)家們決定加大賭注，增加光束強(qiáng)度，以提升碰撞發(fā)生幾率。仍然以網(wǎng)球作比喻的話，這就仿佛將所發(fā)射的網(wǎng)球聚得更近，更密集的球簇會(huì)增加兩組球在中間相遇時(shí)正面碰撞的概率。

CERN 升級后的高亮度大型強(qiáng)子對撞機(jī)將于 2026 年左右投入使用，屆時(shí)其粒子束的強(qiáng)度將提高 5 倍。技術(shù)需求頗為驚人，每次碰撞都將產(chǎn)生 1 MB 的數(shù)據(jù)。如今，大型強(qiáng)子對撞機(jī)已在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了每秒約 1 PB 的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于 2000 多年的音頻數(shù)據(jù)量之和。

“數(shù)據(jù)會(huì)更加龐大，更加擁擠，更加復(fù)雜，”Pierini 說。“數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理將造成巨大的挑戰(zhàn)?！?/p>

數(shù)據(jù)管道

美光 SB-852 電路板有助于解決數(shù)據(jù)處理的燃眉之急。該電路板以 512GB 的頂級 DDR4 DRAM 和 2GB 的混合存儲立方體為驅(qū)動(dòng)，目前正在大型強(qiáng)子對撞機(jī)四個(gè)主要實(shí)驗(yàn)之一的CMS（Compact Muon Solenoid）中進(jìn)行測試，以進(jìn)一步提高機(jī)器學(xué)習(xí)能力；而結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的美光內(nèi)存解決方案將在實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行測試。在 CERN 工作的科學(xué)家們正在尋找能夠支持他們的實(shí)驗(yàn)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理要求的前沿技術(shù)。內(nèi)存有利于研究人員進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理并從中收獲真知灼見，因而在實(shí)驗(yàn)研究中至關(guān)重要。

“這是一個(gè)奇怪的電路板，”Hur 用非專業(yè)術(shù)語來形容 SB-852 電路板。該電路板擁有處理數(shù)據(jù)的“咀嚼肌”，能識別并篩選出對科學(xué)家重要或有趣的數(shù)據(jù)。

“一旦發(fā)生碰撞，電路板就能攝入大量數(shù)據(jù)，隨后內(nèi)部運(yùn)行的機(jī)器學(xué)習(xí)就會(huì)利用內(nèi)存下達(dá)指令：‘這是我們前所未聞的東西，我們應(yīng)當(dāng)關(guān)注它們?！盚ur 說道。

深度學(xué)習(xí)

Pierini 說道：“對大型強(qiáng)子對撞機(jī)中的每一次碰撞都進(jìn)行分析并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榕鲎彩诸l繁且數(shù)量龐大，以至于會(huì)將數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)卡住?！?/p>

大多數(shù)碰撞中會(huì)產(chǎn)生我們已經(jīng)非常了解的更加細(xì)微的粒子。據(jù) Pierini 所言，CERN 的秘訣是通過算法讀取粒子軌跡，丟棄無用且無趣的數(shù)據(jù)。

CERN 可能已經(jīng)建立了世界上最精確的粒子碰撞預(yù)測模型，它利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)，過濾掉大部分無用的數(shù)據(jù)。到目前為止，CERN 一直依靠預(yù)測模型來預(yù)估他們期望中亞原子粒子的行為，并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來探尋預(yù)期行為。

“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對此非常擅長，就如同區(qū)分圖片中的貓和狗一樣?！盤ierini 說道。

無心插柳柳成蔭，一些偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往來源于意想不到的結(jié)果，正如 1964 年探測到的宇宙微波背景輻射恰好為大爆炸理論提供了關(guān)鍵證據(jù)，而 CERN 的研究人員都努力避免遺漏任何有趣的東西。

正因如此，CERN 的研究人員需要更先進(jìn)的人工智能，能使得他們從數(shù)據(jù)中挑選出不可預(yù)見的事件。美光電路板正是因?yàn)槟軌蛲怀霾煌瑢こ５臄?shù)據(jù)，從而幫助研究人員達(dá)成那些無法預(yù)測的結(jié)果。

“我們正在開發(fā)一種用于學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)模型的算法，使我們能夠通過推理，在一百萬件事件中標(biāo)記出我們本應(yīng)保留但卻往往無視的那件怪事，” Pierini 說。

尋找幽靈粒子

除上帝粒子之外，還有一種大有可為卻神秘莫測的粒子令粒子物理學(xué)研究者們魂?duì)繅衾@。與電子相近但無電荷的中微子，幾乎沒有質(zhì)量，也很少與正常物質(zhì)反應(yīng)，這使得它尤其難以觀測。通過與CERN的合作，美光還參與了另一項(xiàng)檢測中微子的大型實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)將在美國進(jìn)行，由費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）主導(dǎo)。

中微子被稱為“幽靈粒子”， 在已知粒子中，它數(shù)量較多，卻也最小、最難以捉摸。物理學(xué)家們知道中微子的存在，但對它們的行為卻知之甚少。中微子研究的突破可能會(huì)解決一些有關(guān)宇宙形成的科學(xué)難題，其中包括對大爆炸之后的物質(zhì)形成進(jìn)行解釋。

簡而言之，解開中微子之謎可能有助于解釋我們存在的原因。

中微子符合物理學(xué)家所說的標(biāo)準(zhǔn)模型，該模型描述了物質(zhì)的基本構(gòu)造要素。但是最近一項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了另一種說法：中微子并不含有質(zhì)量。人們不禁產(chǎn)生好奇，對于幽靈粒子的深入理解還將解開哪些未知的謎團(tuán)。

對于物理學(xué)家而言，這種猜想令人振奮。

“中微子是一種難以捉摸的奇特粒子，其間可能隱藏著許多秘密，”Pierini說道?！爸庇X告訴我們中微子質(zhì)量肯定來自某種新的物理學(xué)，否則無人能對其作出解釋?！?/p>

CERN 所屬的國際聯(lián)盟致力于創(chuàng)建人類史上最大的中微子探測項(xiàng)目，即“地下中微子深實(shí)驗(yàn)”（DUNE）。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)含有兩個(gè)美國中微子探測器，其中一個(gè)在南達(dá)科塔州的 Lead 市。工作人員將從Lead一個(gè)廢棄金礦的豎井里挖出 800,000 噸巖石， 從而為 40,000 噸液態(tài)氬騰出空間。

芝加哥城外 800 英里的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，一束中微子將從一臺粒子發(fā)生器中發(fā)射而出，穿過地表到達(dá)探測室，其路徑將通過精確的技術(shù)繪制，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的圖像有助于了解中微子的行為。這次大規(guī)模的合作中囊括了來自世界各地 175 個(gè)研究機(jī)構(gòu)的 1,000 多名研究人員，他們將與 DUNE 共同解開中微子之謎。

探尋中微子的軌跡

DUNE 實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了與大型強(qiáng)子對撞機(jī)中全然不同的數(shù)據(jù)困境。鑒于大型強(qiáng)子對撞機(jī)中粒子碰撞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模之大，研究人員需要對其進(jìn)行過濾，而中微子又鮮少與物質(zhì)發(fā)生相互作用，這意味著它們更難以在 DUNE 的坑洞中被探測到。

Pierini 說，DUNE 實(shí)驗(yàn)中的挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)而變成了壓縮和存儲腔室的 3D 傳感器陣列檢測到的每個(gè)微中子產(chǎn)生的數(shù)據(jù)字節(jié)。作為提供必要的計(jì)算能力的一種途徑，與先前實(shí)驗(yàn)中相同的美光 SB-852 電路板在 CERN 建造的這些腔室的原型中進(jìn)行測試。它們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還將推斷數(shù)據(jù)以找出其他線索，并幫助研究人員識別衰變的中微子。

“（目標(biāo)是）開發(fā)一種快速的數(shù)據(jù)處理算法，這種算法能從局部到整體來觀察事件，” Pierini說。

南達(dá)科他州的項(xiàng)目去年破土動(dòng)工，計(jì)劃于 2026 年開始 DUNE 實(shí)驗(yàn)。

也許在 140 億年之后，中微子的窘境將不復(fù)存在。

理想型合作伙伴

CERN 一直以與美光的合作引以為豪。

CERN 通過其開放數(shù)據(jù)門戶共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究人員現(xiàn)在可以依其需求，訪問或使用包含在數(shù)據(jù)集、軟件、環(huán)境和科學(xué)文檔中的超過 1 PB 的信息。CERN 通過構(gòu)建自己的系統(tǒng)來展示他們對開源數(shù)據(jù)和軟件的貢獻(xiàn)，以便其數(shù)據(jù)能夠盡可能廣泛地?cái)U(kuò)散。

秉持類似的道德規(guī)范，CERN 通過一個(gè)名為CERN openlab的公私合作平臺，與其他頂尖的領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)和技術(shù)公司進(jìn)行合作。

除了美光之外，CERN openlab 的合作伙伴還包括 10 家世界前沿技術(shù)公司和9家前沿研究機(jī)構(gòu)。

“CERN 公開與公私部門協(xié)作，并與美光這樣的技術(shù)伙伴建立合作關(guān)系，這能夠確保研究界的成員獲取創(chuàng)新性工作所需的先進(jìn)計(jì)算技術(shù)，”CERN openlab 首席技術(shù)官 Maria Girone表示。

Hur 表示，與 CERN 的合作反映了內(nèi)存在科學(xué)領(lǐng)域和更大的技術(shù)社區(qū)方面日趨增加的重要性。

“當(dāng)我回首往事，相較最為重要的服務(wù)器和處理器，內(nèi)存總是顯得毫不起眼，” Hur 說?！艾F(xiàn)在每個(gè)人都意識到服務(wù)器正在經(jīng)歷時(shí)鐘頻率的瓶頸，所有這些應(yīng)用程序都將以內(nèi)存為主導(dǎo)。”