מהם מקורות היקום? מה זה חומר ואנרגיה?
במסע לענות על השאלות המדעיות המאתגרות בעולם, קונסורציום המונה כ -20,000 מדענים CERN, המעבדה האירופית לפיזיקת חלקיקים, מנסה לשחזר את מקור היקום. אך על מנת לעשות זאת, על החוקרים לדחוף את גבולות הטכנולוגיה. במהלך מפתח מרכזי ב XDF אירופהד"ר תומאס ג'יימס, עמית מחקר בכיר ב- CERN, הסביר כיצד Xilinx FPGA קבור 100 מטר מתחת לאדמה ממלא תפקיד במציאת תשובות.
נבנה מתחת לז'נבה, שוויץ Large Hadron Collider (LHC) הוא מאיץ החלקיקים הגדול בעולם. זוהי טבעת של 27 ק"מ והיא מורכבת ממגנטים מוליכים-על המאיצים חלקיקים לרמות אנרגיה שקודם לכן לא היו חסרות תקדים. כל פרוטון חוצה את הטבעת 11,000 פעמים בשנייה - כמעט מהירות האור. בארבע נקודות שונות על הטבעת - כל 25 ננו שניות - פרוטונים מתנגשים. תנאי ההתנגשות נלכדים על ידי גלאי חלקיקים, אחד מגלאי החלקיקים הללו נקרא גלאי CMS.
גלאי ה- CMS קוטרו 15 מטר, אורכו 21 מטר ומשקלו יותר ממגדל אייפל. הוא מכיל מאות מיליוני חיישנים בודדים המגלים יחד את אלפי החלקיקים הנוצרים מכל התנגשות. מכיוון שה- LHC יוצר 2.4 מיליארד התנגשויות בשנייה - כ -500 טרה-ביט לשנייה מנתוני המדידה - אי אפשר לאחסן נתונים רבים כל כך. אז צוות CERN פיתח מערכת "טריגר" מדורגת לבחירת ההתנגשויות המעניינות ביותר לניתוח, והשאר מושלך.
מערכת טריגר זו מיושמת בשתי שכבות - הדק ברמה אחת הוא התובעני ביותר - הדורש יכולת היסק אינטנסיבית קבועה, נמוכה במיוחד של AI, של כ -3 מיקרו שניות לאירוע, יחד עם רוחב פס מסיבי. מעבדים ו- GPU אינם יכולים לעמוד בדרישות אלה. אז, 100 מטר מתחת לאדמה אך מוגנים מפני אזור קרינה, הם רשת של FPGAs של Xilinx המריצה אלגוריתמים שנועדו לסנן באופן מיידי את הנתונים שנוצרו ולזהות מבני חלקיקים חדשים כעדות לקיומם של חומר אפל ותופעות פיזיקליות אחרות. FPGA אלה מפעילים רשתות עצביות קלאסיות וקולובולציה כדי לקבל וליישר נתוני חיישנים, לבצע מעקב ואשכולות, להפעיל זיהוי אובייקטים של למידת מכונה ולהפעיל פונקציות, כל זאת לפני עיצוב ומסירת נתוני האירוע. התוצאה הייתה הסקת חביון נמוכה ביותר בסדר גודל של 100 ננו-שניות.
CERN פיתחה את עיצובי החומרה שלה לאורך דורות מרובים של טכנולוגיית Xilinx שהחלה לפני עשרות שנים עם משפחת ה- Virtex-E 180 הננומטר באמצעות ארכיטקטורת Virtex UltraScale + 16nm. באמצעות מכשירי Xilinx, מדענים של CERN מצליחים להשיג עומק ורוחב עצומים של אלגוריתמים, אפילו במסגרת מגבלות החביון המחמירות שלה, כולל אשכולות אנרגיה, מעקב אחר חלקיקים וזיהוי באמצעות אלגוריתמים מורכבים כמו טרנספורמציות Hough ומסנני קלמן.
בנוסף ליכולות העיבוד החזקות של ה- FPGA שלנו, CERN נהנה מהקלות ההולכת וגוברת בה ניתן לתכנת FPGAs של Xilinx. ג'יימס דן כיצד שבבי ה- Xilinx האחרונים ופלטפורמת התוכנה המאוחדת של Vitis הופכים את הכוח של Xilinx לנגיש יותר למגוון רחב יותר של מדעני CERN, ולא רק למהנדסים. ג'יימס התייחס, "כעת אלגוריתמים שנחשבו זמן רב כבלתי אפשרי ליישום ב- FPGA הם מציאות. אנו מצפים כי במהלך העשור הקרוב, מגמה זו תימשך ותוביל לכמה תגליות חדשות מדהימות בפיזיקת החלקיקים. "
למידע נוסף על העבודה שלנו עם CERN וכיצד Xilinx FPGA מספקים יתרונות ביצועים שאינם ניתנים להשגה על ידי GPUs ומעבדים, עיין במחקר המקרה של CERN כאן.
