Cố máy tính hadron lớn

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'cố máy tính hadron lớn', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cố máy tính hadron lớn

C máy tính hadron l n Các k ho ch x lí lu ng thác d li u t các máy dò h t c a Máy Va ch m Hadron L n khi n cho phòng thí nghi m v t lí h t CER , l i m t l n n a, tr thành m t nhà tiên phong v i n toán cũng như v t lí. Andreas Hirstius mô t nh ng thách th c c a vi c x lí và lưu tr thông tin trong k nguyên khoa h c petabyte. Vào gi a th p niên 1990, khi các nhà v t lí CERN ưa ra nh ng ư c tính mang tính c nh báo u tiên c a h v lư ng d li u mà các thí nghi m t i Máy Va ch m Hadron L n (LHC) s t o ra, thì nhà s n su t linh ki n máy tính Intel m i ch tung ra b x lí Pentium Pro. Windows ã là h i u hành th ng tr , d u cho Linux v n ang so tài. CERN g n y ã ưa World Wide Web thành công c ng, nhưng h th ng ó còn lâu m i hoàn thi n như nó ngày nay. Và m t gigabyte (109 byte) không gian ĩa tiêu t n n vài trăm ô la. Toàn b các k t n i trong h t ng i n toán c a CERN ph i ho t ng ng b LHC thành công. Môi trư ng i n toán này có m t s thách th c gay g t i v i các nhà khoa h c máy tính làm vi c LHC. Trư c h t, các ư c tính ban u c a các nhà v t lí kêu g i cho LHC là t o ra vài ba tri u gigabyte – m t vài petabyte (1015 byte) – d li u m i năm. Ngoài giá thành l n c a vi c lưu tr nh ng d li u này, thì công su t i n toán c n thi t x lí chúng s òi h i g n m t tri u PC c a th i kì th p niên 1990. úng v y, kh năng i n toán ư c trông i tăng lên 100 l n vào lúc LHC cu i cùng ã i vào ho t ng, nh nh lu t Moore, phát bi u r ng công su t i n toán i khái s tăng g p ôi m i hai năm. Tuy nhiên, th t khó mà d oán trư c các thí nghi m LHC s c n bao nhiêu công su t i n toán trong tương lai và các nhà khoa h c máy tính CERN ph i 136 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
quan tâm n vi c nhu c u i n toán có th tăng trư ng nhanh hơn nh lu t Moore. Phân ph i d li u sang nh ng v trí khác rõ ràng là m t ph n c a l i gi i, nhưng t c truy n d li u v n tương i th p – năm 1994, t ng k t n i ra bên ngoài c a CERN tương ương v i ch m t k t n i băng r ng ngày nay, ch là 10 megabit m i giây. Các ngu n ch y u c a cơn lũ d li u LHC là hai c máy dò h t l n, ATLAS và CMS, m i máy có hơn mư i t kênh c li u. V i 40 tri u chùm h t c t qua m i giây, vi c c li u liên t c toàn b máy dò s t o ra hơn m t petabyte d li u m i giây. May thay, a s các va ch m ch ng áng chú ý, b ng cách l c và lo i b chúng b ng phương ti n i n t , chúng ta có th gi m b t lu ng d li u mà không ánh m t nh ng s ki n h p d n. Tuy v y, ATLAS, CMS và hai thí nghi m LHC khác, ALICE và LHCb, s cùng nhau t o ra 10-15 petabyte d li u m i năm ph i x lí, lưu tr vĩnh vi n và ng th i gi cho có th truy xu t b t c lúc nào v i các nhà nghiên c u trên kh p th gi i. Vi c x lí nh ng lư ng d li u kh ng l như v y ư c t tên là “thách th c LHC” do khoa IT t i CERN và các trư ng vi c khác làm vi c gi i quy t v n . Xây d ng trên nh ng n l c trong quá kh Nhu c u ư c tính c a các thí nghi m LHC l n hơn t i 10.000 l n dung lư ng d li u và công su t máy tính c a nh ng ti n thân c a chúng c máy va ch m Electron Positron L n (LEP) mà CERN ã óng c a h i năm 2000. Trong kho ng th i gian gi a lúc k t thúc LEP và lúc kh i ng LHC, ã có m t s thí nghi m trên Super Proton Synchrotron (SPS) ánh d u nh ng bư c ti n quan tr ng hư ng t i i n toán cho LHC. Ví d , ngay trư c khi LEP b tháo d d n ư ng cho LHC, thí nghi m NA48 v ngành v t lí kaon ã t o ra d li u t c c c i kho ng 40 megabyte/s – ch nh hơn kho ng 5 n 8 l n so v i cái chúng ta mong i t các thí nghi m LHC trong các va ch m proton-proton. Vi c bi t ư c ph n c ng có s n trên th trư ng có th x lí nh ng t c d li u ó th t v ng d , vì nó nghĩa là lúc LHC i vào ho t ng, ph n c ng s ư c c i ti n n m b t nh ng t c cao hơn. Cho va ch m các ion n ng t o ra nhi u h t hơn kho ng hai b c l n so v i các va ch m proton-proton, và vì th t c d li u trong các va ch m ion tương ng s cao hơn. Vào cu i năm 2002 và u năm 2003, các chi ti t kĩ thu t cho thí nghi m ALICE, s s d ng c hai lo i va ch m nghiên c u l c h t nhân m nh, yêu c u nó thu th p d li u t c kho ng 1,2 gigabyte/s. Vì nhu c u cho ALICE l n hơn quá nhi u so v i các thí nghi m khác, nên rõ ràng n u thi t b i n toán có th làm ch ALICE, thì nó có th làm ch h u như b t c thí nghi m nào – và ch c ch n d li u t nh ng thí nghi m khác s không thành v n . gi i quy t thách th c này, các nhà khoa h c máy tính CERN và các thành viên c a i ALICE ã h p tác thi t k m t h th ng có th nh n d li u t c 1,2 gigabyte/s t m t thí nghi m và x lí chúng chính xác. Nguyên m u c l n u tiên ã ư c ch t o h i năm 2003 và ư c cho là có kh năng làm ch t c d li u 100 megabyte/s trong vòng vài gi . K ho ch ã phá s n h u như ngay t c thì. Các nguyên m u sau này ã ưa vào thêm nh ng bài h c t nh ng ti n thân c a chúng và có th làm ch t c d li u ngày càng cao hơn. 137 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
M t d án khác t th i kì LEP ã giúp các nhà khoa h c máy tính xây d ng môi trư ng i n toán LHC là thi t b tích h p không ng nh t linh ho t, hay SHIFT, phát tri n vào u th p niên 1990 b i các thành viên c a t ch c i n toán c a CERN c ng tác v i thí nghi m OPAL trên LEP. Lúc y, i n toán t i LHC h u như hoàn toàn ư c th c hi n b i các máy ch t t c trong m t. Nguyên t c cơ s c a SHIFT là chia tách các ngu n d a trên nhi m v mà chúng th c hi n: i n toán; lưu tr ĩa; ho c lưu tr băng. T t c các ngu n khác nhau này ư c n i v i nhau thông qua m t m ng. H th ng này tr thành cơ s cho cái ngày nay g i là i n toán d li u vào cao. S khác bi t gi a i n toán d li u vào cao và i n toán hi u su t cao quen thu c hơn có th hi u b ng cách xem xét m t xa l y xe hơi, trong ó các xe bi u di n cho nh ng ng d ng i n toán khác nhau. Trong i n toán hi u su t cao, m c tiêu là i t A n B càng nhanh càng t t – như trong m t chi c Ferrari, có l v y, trên m t con ư ng v ng. Khi m t xe d ng l i, thì cu c ua k t thúc cho n khi chi c xe ư c s a xong. Trong i n toán d li u vào cao, trái l i, v n duy nh t là cho càng nhi u xe i t i m A n i m B càng t t. Cho dù m t xe có d ng l i, thì i u ó th t ra ch ng là v n gì, vì dòng xe v n ti p t c ch y và chi c xe khác có th băng trên ư ng. i n toán d li u vào cao trên lí tư ng thích h p cho ngành v t lí năng lư ng cao, vì các “s ki n” do các thí nghi m ghi l i hoàn toàn c l p v i nhau và do ó có th x lí c l p nhau. i u này có nghĩa là phép phân tích hay mô ph ng d li u có th ti n hành trên m t s lư ng l n máy tính ho t ng c l p trên nh ng m nh nh c a d li u: ngư i ta nói kh i lư ng công vi c ó là “song song r i”. Ngư c l i, các ng d ng trên m t siêu máy tính t t, ki u cũ là song song “cao”: toàn b các ngu n i n toán s n có, có l hàng nghìn b vi x lí, ư c s d ng cho m t nhi m v i n toán duy nh t. Vi c phân tách các ngu n khác nhau làm cho SHIFT r t linh ho t: m i ngu n có th phát tri n c l p theo nh ng nhu c u m i. ng th i, cơ s v t lí c a t ng ngu n không có liên quan gì l n v i h xem như m t t ng th . Ví d , có th thêm các băng vào h th ng mà không c n”t ng” thêm không gian ĩa, và các nút máy tính cũ có th d dàng cho ngh vi c và các nút m i ư c l p t mà không làm xáo tr n n toàn h th ng. Các khía c nh này c a SHIFT – m t m ng song song r i các máy tính, m i máy tính có th nâng c p khai thác l i th c a nh lu t Moore, t t c ho t ng c l p trên các bit d li u khác nhau – t ra là cơ s t t nh t có th có cho i n toán trong th i i LHC. i n toán phân ph i: m ng lư i LHC Trong khi các nhà nghiên c u ang phát tri n và ki m nghi m các khuôn kh ph n m m tương ng c a h cho vi c thu nh n d li u, phân tích và mô ph ng d li u, thì môi trư ng i n toán CERN và m i nơi liên t c trư ng thành. H u như ngay t c thì sau khi lên k ho ch cho LHC vào gi a th p niên 1990, cái tr nên rõ ràng v i các nhà khoa h c máy tính là công su t i n toán t i CERN b n thân nó nh hơn nhi u công su t i n toán c n thi t phân tích d li u LHC 138 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
và ti n hành nh ng mô ph ng c n thi t. Vì th , công su t i n toán ph i làm cho s n dùng m i nơi. Thách th c là xây d ng m t h th ng cho phép các nhà v t lí d dàng truy c p công su t i n toán phân ph i kh p th gi i. H th ng ó ngày nay g i là M ng i n toán LHC Toàn c u (WLCG). WLCG ư c xây d ng là m t c u trúc phân c p. Trung tâm i n toán CERN là C p 0, và toàn b d li u thô ư c lưu tr vĩnh vi n ó. Có 11 tr m m ng C p 1 bên ngoài CERN, trong ó có Phòng Rutherford Appleton c a Anh, Fermilab Mĩ, và Trung tâm i n toán M ng Hàn lâm Sinica ài Loan. T t c các tr m C p 1 này u có không gian cho lưu tr băng t vĩnh vi n, và các thí nghi m LHC xu t d li u thô c a chúng t CERN n nh ng tr m C p 1 này. a ph n các phân tích và mô ph ng d li u th t s ư c ti n hành kho ng 130 tr m C p 2. T ng c ng, CERN s xu t 2-5 gigabyte d li u thô n các tr m C p 1 trong m i giây. Khi k ho ch cho LHC kh i ng, nh ng t c ó dư ng như không th nào t ư c. Tuy nhiên, sang u th k này, công ngh s i quang ã phát tri n xa làm cho các ư ng truy n m ng xuyên l c a và ( c bi t) xuyên i dương 10 gigabit có giá tr thương m i. áp l i, CERN h p tác v i các trư ng vi n và nhà cung c p m ng khác thành l p d án DataTAG kh o sát ti m năng c a nh ng ư ng truy n nhanh như v y. K t qu h p tác ã l p m t s k l c t c trong vi c truy n d li u trên nh ng kho ng cách dài, b t u v i 5,44 gigabit/s gi a Geneva và Sunnyvale, California, vào tháng 10 năm 2003 (Vì nh ng lí do l ch s , các chuyên gia m ng o d li u theo bit/s, còn các chuyên gia truy n s li u o theo byte/s. M t byte g m tám bit). Trong vòng m t năm, t c truy n ã t 7,4 gigabit/s, ho c kho ng 9 ĩa DVD m i phút, i v i s truy n s li u t b nh chính c a m t server n b nh chính c a m t server khác. Tc này b h n ch không ph i b i m ng mà b i năng l c c a các server. S truy n b -nh - n-b -nh ch m i b t u, vì d li u th t s s ư c truy n t ĩa. ây là m t òi h i kh t khe hơn nhi u; tuy v y, năm 2004, s d ng các server n i v i m t h th ng ĩa th c nghi m, ngư i ta ã có th truy n 700 megabyte, hay m t ĩa CD d li u, m i giây t Geneva d n California v i m ts c lu ng t ĩa – nhanh hơn 10 l n so v i ĩa c ng chuN trong máy tính n bàn ngày nay. i u này cho phép các k t n i m ng s ch ng là v n gì và d li u th t s có th truy n t CERN n các tr m C p 1 v i t c d li u mong mu n. CERN hi n k t n i v i t t c các tr m C p 1 v i ít nh t m t k t n i m ng có kh năng truy n s li u t c 10 gigabit/s. 139 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Các thí nghi m LHC s t o ra quá nhi u d li u cho CERN x lí m t mình. Vì th , nhi m v phân tích và lưu tr d li u s ư c phân ph i cho nhi u a i m khác nhau trên kh p th gi i thông qua m t m ng g i là M ng i n toán LHC Toàn c . T trung tâm máy tính CERN (c p 0 c a m ng), d li u va ch m h t s ư c truy n t i 11 trung tâm C p 1 theo các ư ng truy n quang s i quang siêu nhanh 10 gigabit/s. Nh ng tr m qu c gia này s lưu tr kho ng hai ph n ba d li u thô trong nh ng thư vi n băng t kh ng l , còn ph n còn l i ư c gi CERN. a s phép phân tích d li u s ư c th c hi n trên các máy tính t i kho ng 130 trung tâm vùng C p 2. T ng nhà v t lí có th khai thác công su t i n toán c a các trung tâm C p 2 b ng ư ng truy n gi a các trung tâm, các c m i n toán trư ng i h c (C p 3), và máy tính bàn và laptop c a h (C p 4). Làm gì v i m d li u ó ? Các thách th c c a bài toán i n toán LHC cũng bao g m nh ng v n mang tính tr n t c hơn nhi u, như ch ra làm th nào cài t và c u hình hi u qu m t s lư ng l n máy móc, theo dõi chúng, tìm h ng hóc và tr c tr c, và cu i cùng là làm th nào cho ng ng ho t ng hàng nghìn c máy. Lưu tr d li u là m t nhi m v có v “bình thư ng” khác òi h i ph i xem xét nghiêm túc ngay trong pha l p k ho ch. M t y u t quan tr ng trong vi c l p k ho ch là i v i CERN, và ngành v t lí năng lư ng cao nói chung, lưu tr vĩnh vi n không th t s nghĩa là “vĩnh vi n”. Sau khi LEP ng ng ho t ng, các nhà v t lí ã ch u khó phân tích l i toàn b 11 năm s li u thô quý giá mà nó ã t o ra. LHC có th phát sinh 300-400 petabyte d li u thô trong kho ng th i gian t n t i ư c tính 15 năm c a nó, và các nhà v t lí mong r ng toàn b d li u v n có th truy c p ư c trong vài năm sau khi c máy va ch m ng ng ho t ng. 140 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
D li u có ích trong vi c tính toán ư c lưu tr trên ĩa, t t nhiên, nhưng trong th i gian dài, d li u lưu tr trên băng t m i ư c xem là “an toàn”. Không có công ngh nào khác t ra lưu tr ư c nh ng lư ng d li u kh ng l m t cách áng tin c y trong nh ng kho ng th i gian dài và v n có giá thành có th ch p nh n ư c. Nh ng băng này ư c ch a trong các thư vi n có th gi t i 10.000 băng và t i 192 băng m i thư vi n. Robot c băng tìm ư ng i trong thư vi n y d li u m b o d li u v n có th truy c p ư c, toàn b d li u thô ư c copy sang m t dòng phương ti n băng m i khi nó có khai thác. V m t l ch s , vi c này di n ra m i ba n b n năm, m c dù t c thay i g n ây ã tăng t c. Ngoài vi c b o v d li u thô quý giá kh i b t n h i thư ng nh t và b rách trên t ng băng t , nh ng t nâng c p thư ng xuyên như v y cũng gi m i s lư ng băng t , vì các phiên b n m i hơn thư ng có dung lư ng l n hơn. Truy xu t d li u tr nên nhanh hơn v i t ng t nâng c p liên ti p, vì t c c a các băng m i nhanh hơn. Băng cũ ư c t lên giá, b c trong plastic và lưu tr cùng v i m t vài băng m i m b o ngư i ta có th truy xu t băng g c m t l n n a. Các băng sao lưu cũng ư c lưu tr nhi u a i m và nhi u tòa nhà khác nhau, nh m gi m t i thi u m t mát n u có b t kì th m h a nào x y ra. Ngoài d li u th c v các va ch m h t, các thí nghi m LHC còn ph i lưu tr “s c kh e” c a máy dò h t (t c là các chi ti t v b n thân máy dò h t, như thông tin ch t o và s p x p) có th th c hi n phân tích và mô ph ng thích h p. Thông tin này ư c lưu tr trong cái g i là cơ s d li u i u ki n trung tâm i n toán CERN và sau ó truy n t i n các tr m C p 1. Các thí nghi m LHC yêu c u gây ra các bi n i i v i cơ s d li u 200.000 l n m i giây, nhưng nguyên m u có ch c năng x lí d li u tr n v n u tiên ch có th x lí 100 thay i m i giây. 141 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Sau m t s n l c m nh m nh m gi i quy t v n này, Oracle, nhà s n su t cơ s d li u quan h cung c p cho CERN, th t s ã thay i ph n m m cơ s d li u c a mình cho các thí nghi m LHC áp ng yêu c u ó. M t i u mà các i tác công nghi p nói v CERN và ngành v t lí năng lư ng cao là các yêu c u ó i trư c vài năm so v i b t kì nơi nào khác. Pat Gelsinger, m t nhân viên lâu năm trong nhóm kinh doanh kĩ thu t s t i Intel (ngư i trư c ây ã t ng làm vi c v i i IT CERN), nói r ng CERN gi vai trò c a “chim hoàng y n trong m than”. n v i CERN và h p tác v i các nhà v t lí nghiên c u các thí nghi m hay v i b ph n IT, ngành công nghi p có th x lí, và gi i quy t, nh ng bài toán c a ngày mai trong ngày hôm nay. Thách th c LHC t ra trư c các nhà khoa h c máy tính CERN to l n như thách th c t ra v i các kĩ sư và nhà v t lí c a nó. Các kĩ sư ã xây d ng c máy và nh ng máy dò h t l n nh t và ph c t p nh t trên hành tinh, c ng v i nh ng thành t u khác ch có th mô t v i s t t b c. Trong ph n vi c c a mình, các nhà khoa h c máy tính ã làm ch ư c vi c phát tri n m t h t ng kĩ thu t có th x lí nh ng lư ng d li u kh ng l , t ó áp ng ư c toàn b yêu c u c a các nhà v t lí và trong m t s trư ng h p còn i xa hơn h . H t ng kĩ thu t này có WLCG, m ng l n nh t ang t n t i và s có nhi u ng d ng trong tương lai. Gi thì các nhà v t lí ã có trong tay nh ng công c mà h mong ch b y lâu nay, cu c truy lùng c a h nh m khám phá thêm m t vài bí N n a c a t nhiên ã có th b t u. n Andreas Hirstius, m t nhà v t lí ã chuy n sang nghiên c u i n toán. Ông hi n là trư ng phòng kĩ thu t c a CERN Openlab và Khoa i n toán CERN. hiepkhachquay d ch Ngu n: The large hadron computer (Physics World, tháng 11/2008) An Minh, ngày 02/11/2008, 16:40 142 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay