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

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，一年前，歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了有著“上帝粒子”之稱(chēng)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。現(xiàn)在，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的電腦屏幕一片漆黑，控制臺(tái)前沒(méi)有任何人影，用于進(jìn)行質(zhì)子束對(duì)撞的巨型超冷卻環(huán)形隧道也是空空如也。不過(guò)，這種安靜只是一種假象。幕后，科學(xué)家正在緊張工作，對(duì)強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行一次大規(guī)模升級(jí)。這次升級(jí)能夠讓對(duì)撞機(jī)幫助科學(xué)家進(jìn)一步擴(kuò)大知識(shí)的邊界。

歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，一名工作人員站在多功能探測(cè)器CMS(緊湊渺子線圈實(shí)驗(yàn)的英文縮寫(xiě)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)CMS)下面。此時(shí)，工作人員正對(duì)對(duì)撞機(jī)進(jìn)行整修。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的環(huán)形隧道長(zhǎng)27公里，座落于法國(guó)-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(duì)撞機(jī)的一段環(huán)形隧道。此時(shí)，對(duì)撞機(jī)已經(jīng)關(guān)閉。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大的粒子對(duì)撞機(jī)，一年前發(fā)現(xiàn)了有著“上帝粒子”之稱(chēng)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(guò)。CMS是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的一部分。2013年2月，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)關(guān)機(jī)，隨后進(jìn)行為期18個(gè)月的檢查。在2015年重啟對(duì)撞實(shí)驗(yàn)時(shí)，歐洲核子研究組織的科學(xué)家將利用升級(jí)后的對(duì)撞機(jī)探測(cè)暗物質(zhì)、暗能量和超對(duì)稱(chēng)

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

滿(mǎn)功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)每秒可進(jìn)行5.5億次對(duì)撞。對(duì)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(duì)撞次數(shù)。對(duì)撞次數(shù)就像是我們的奶油和面包。對(duì)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(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。”

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

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的環(huán)形隧道長(zhǎng)27公里，座落于法國(guó)-瑞士邊境地下100米。2013年2月，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)關(guān)機(jī)，隨后進(jìn)行為期18個(gè)月的檢查。在2015年重啟對(duì)撞實(shí)驗(yàn)時(shí)，歐洲核子研究組織的科學(xué)家將利用升級(jí)后的對(duì)撞機(jī)探測(cè)暗物質(zhì)、暗能量和超對(duì)稱(chēng)。超對(duì)稱(chēng)理論與希格斯玻色子齊名，于半個(gè)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(shí)，物理學(xué)家則在分析對(duì)撞機(jī)自2010年以來(lái)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(shuō)天文學(xué)家的工作更簡(jiǎn)單一些，因?yàn)樗麄兡軌蚩吹阶约赫趯ふ业臇|西。”

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的粒子對(duì)撞將能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量，對(duì)撞實(shí)驗(yàn)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(mǎn)功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)每 秒可進(jìn)行5.5億次對(duì)撞。對(duì)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(duì)撞次數(shù)。對(duì)撞次數(shù)就像是我們的奶油和面包。對(duì)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(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，但我們需要通過(guò)篩選剔除無(wú)用的數(shù)據(jù)，從中挑選中我們感興趣的東西。”對(duì)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(chē)進(jìn)行巡查。

借助于歐洲核子研究組織的超級(jí)計(jì)算機(jī)，物理學(xué)家對(duì)質(zhì)子束對(duì) 撞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)這種分析進(jìn)一步加深對(duì)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(chēng)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(chēng)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(duì)于外行人來(lái)說(shuō)，歐洲核子研究組織進(jìn)行的研究過(guò)于復(fù)雜，很難理解。對(duì)此，研究人員正在尋找簡(jiǎn)化的方式。底夸克探測(cè)器 項(xiàng)目發(fā)言人皮耶路易吉-坎帕納開(kāi)玩笑地說(shuō)：“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(shí)候。”坎帕納的團(tuán)隊(duì)證實(shí)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?？才良{的團(tuán)隊(duì)對(duì)Bs粒子的變化進(jìn)行了有史以來(lái)最精確的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，在每10億個(gè)Bs中，只有極少數(shù)衰變成更小的粒子μ介子并且是成對(duì)出現(xiàn)。在專(zhuān)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(chēng)的希格斯玻色子相提并論。

希格斯玻色子由英國(guó)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(méi)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(gè)叉子舉起來(lái)，暴露于充滿(mǎn)灰塵的空氣中時(shí)，一些灰塵穿過(guò)叉子，絕大多數(shù)灰塵粘在叉子上。換句話說(shuō)，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(xiàng)可信賴(lài)的理論，但仍無(wú)法解釋引力，也無(wú)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(duì)稱(chēng)理論。這一理論認(rèn)為每一種已知粒子都有與之相對(duì)稱(chēng)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?chē)械恼？梢?jiàn)物質(zhì)。不過(guò)，可見(jiàn)物質(zhì)在宇宙中的比重只有大約5%左右。”

大型強(qiáng) 子對(duì)撞機(jī)取代1989年至2000年服役的大型電子-正電子對(duì)撞機(jī)。這臺(tái)對(duì)撞機(jī)2008年服役，后來(lái)因出現(xiàn)故障不得不進(jìn)行為期1年的整修。強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞 時(shí)的能量達(dá)到8 TeV，相比之下，大型電子-正電子對(duì)撞機(jī)只有0.2 TeV。在投入5000萬(wàn)瑞士法郎(約合5100萬(wàn)美元)進(jìn)行升級(jí)之后，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行對(duì)撞實(shí)驗(yàn)時(shí)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(gè)理由，開(kāi)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(lái)越少。”

這個(gè)大型強(qiáng)子對(duì)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(shí)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(lái)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(shí)的能量密度，從而使我們能夠了解宇宙演化極早期時(shí)的情形。這些實(shí)驗(yàn)有可能發(fā)現(xiàn)有關(guān)物質(zhì)的新知識(shí)，使我們對(duì)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(gè)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(shí)獨(dú)立完成第一級(jí)數(shù)據(jù)壓縮，迅速處理并分類(lèi)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(guò)總共120片賽靈思FPGA進(jìn)行處理 。

兩束稱(chēng)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(shí)驗(yàn)，全球各地的科學(xué)家小組會(huì)利用專(zhuān)用探測(cè)器來(lái)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(shí)將會(huì)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(shí)驗(yàn)中將利用特殊的光子探測(cè)器以亞毫米精度來(lái)測(cè)量每次撞擊產(chǎn)生的數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的粒子的軌跡位置。轉(zhuǎn)換輻射探測(cè)器(TRD)擁有120萬(wàn)個(gè)模擬探頭。系統(tǒng)將每個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)10MHz 10位數(shù)據(jù)流。540個(gè)單個(gè)探測(cè)器組合為18個(gè)超級(jí)模塊。這些單個(gè)模擬信號(hào)利用67000個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和壓縮后通過(guò)1080個(gè)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(gè)軌跡匹配單元(TMU)卡的機(jī)架。每塊卡有12個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，分別連接到一片賽靈思Virtex-4 FPGA的12個(gè)MGT收發(fā)器輸入。所有XC4VFXl00器件同時(shí)獨(dú)立完成第一級(jí)數(shù)據(jù)壓縮，并迅速處理并分類(lèi)軌跡數(shù)據(jù)?？倲?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(jì)人員將剩余的30片F(xiàn)PGA以樹(shù)形結(jié)構(gòu)連接到更高級(jí)模塊。在樹(shù)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(guò)濾冗余信息)。FPGA實(shí)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(gè)系統(tǒng)能夠在一毫秒內(nèi)適配和選擇2000多個(gè)軌跡參數(shù)，同時(shí)避免了CERN數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的信息過(guò)載。每片XC4VFX100 FPGA集成有兩個(gè)IBM PowerPC微處理器，其中一個(gè)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)來(lái)完成系統(tǒng)驗(yàn)證和內(nèi)部管理。

隨著賽靈思不斷推出更高階的產(chǎn)品，對(duì)撞機(jī)應(yīng)用的FPGA也逐漸升級(jí)，從最早的virtex-4升級(jí)到virtex-5 、virtex-7。這個(gè)對(duì)撞機(jī)中還采用了10萬(wàn)片ADI的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。