CERN科學(xué)家利用Virtex-4 FPGA進(jìn)行大爆炸研究

CERN ScientistsUseVirtex-4 FPGAs for Big Bang Research

　　在法國瑞士邊境的地下隧道中，歐洲核子研究中心的科學(xué)家們正在準備進(jìn)行一項稱(chēng)為“大型離子撞擊實(shí)驗 -ALICE（A Large Ion Collider Experiment）”的實(shí)驗。 他們將利用世界上最強大的粒子加速器將兩束重鉛離子加速到接近光速的速度，并控制他們迎頭相撞，試圖重新創(chuàng )造出據說(shuō)僅在宇宙大爆炸后短暫存在過(guò)的條件。 CERN科學(xué)家預計每次相撞將會(huì )釋放出巨大能量并產(chǎn)生約1012°C的局部溫度。這一溫度是太陽(yáng)內核溫度的十萬(wàn)倍。 當重離子相撞時(shí)，CERN科學(xué)家預計將會(huì )產(chǎn)生大量亞原子粒子。 CERN科學(xué)家希望通過(guò)跟蹤這些粒子的軌跡，可以發(fā)現物理學(xué)中眾多深奧問(wèn)題的答案。 從2008年開(kāi)始，CERN科學(xué)家將開(kāi)始觀(guān)察ALICE實(shí)驗中的粒子撞擊。Xilinx FPGA為科學(xué)家的工作提供了幫助，協(xié)助他們映射并分離撞擊產(chǎn)生的數以千萬(wàn)計的亞原子粒子。 FPGA提供的強大數據壓縮算法可以去除冗余信息并只將重要數據發(fā)送到CERN數據中心。 2008年4月，賽靈思公司獲得了ALICE行業(yè)協(xié)作獎，表彰其在粒子物理研究方面提供的支持。 海德堡大學(xué)的Volker Lindenstruth教授代表ALICE合作機構向賽靈思公司頒獎，表彰賽靈思FPGA在核心測量?jì)x器系統中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用（參見(jiàn)圖1）。

圖 1. 圖中從左至右： Marc Defossez, Peter Alfke, Volker Lindenstruth, 和 Patrick Lysaght

大型強子對撞機和ALICE

　　大型強子對撞機（the Large Hadron Collider (LHC)）是全球最大最復雜的科學(xué)實(shí)驗儀器，被認為是“地球上最雄心勃勃的科學(xué)計劃”。 它位于地下 深100米長(cháng)27公里的隧道中，位于接近日內瓦的法國-瑞士邊境（圖2）。 LHC是物理學(xué)家用來(lái)研究夸克-膠子等離子體的系列粒子加速器中最新最強大的一個(gè)?？淇?膠子等離子體是目前已知的構成所有物質(zhì)的最基本構件。

　　大型強子對撞機將質(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)間內才存在的條件。 科學(xué)家們一般認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)驗有可能發(fā)現有關(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。

圖 2. CERN大型強子對撞機位于地下，位于接近日內瓦的法國-瑞士邊境。

　　所有XC4VFX100 器件同時(shí)獨立完成第一級數據壓縮，迅速處理并分類(lèi)軌跡數據。 總數據速率高達2.7 Tbs/s的數據通過(guò)總共120片賽靈思FPGA進(jìn)行處理…

　　兩速稱(chēng)為“強子”（質(zhì)子或鉛離子）的粒子在圓形加速器內沿相反方向被加速。 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，全球各地的科學(xué)家小組會(huì )利用專(zhuān)用探測器來(lái)分析撞擊所產(chǎn)生的粒子。

Xilinx Virtex-4 FX FPGA的作用

　　當反向強子束以極高速度相撞時(shí)將會(huì )產(chǎn)生大量亞原子粒子。 為監視撞擊生成的大量粒子，ALICE實(shí)驗中將利用特殊的光子探測器以亞毫米精度來(lái)測量每次撞擊產(chǎn)生的數以千萬(wàn)計的粒子的軌跡位置。 轉換輻射探測器（TRD）擁有120萬(wàn)個(gè)模擬探頭。 系統將每個(gè)模擬信號轉換為一個(gè)10-MHz 10位數據流。 540個(gè)單個(gè)探測器組合為18個(gè)超級模塊。 這些單個(gè)模擬信號利用67000個(gè)前端芯片進(jìn)行預處理。 這樣，生成的原始數據流達每秒120 Tbits。 系統對數據進(jìn)行預處理和壓縮后通過(guò)1080個(gè)光學(xué)鏈路發(fā)送出去。每條鏈路的數據速率達2.5 Gbps。 這些光纜連接到載有90個(gè)軌跡匹配單元（TMU）卡的機架。 每塊卡（如圖3所示）有12個(gè)光電轉換器，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XC4VFX100 器件同時(shí)獨立完成第一級數據壓縮，并迅速處理并分類(lèi)軌跡數據。 總數據速率達2.7 Tbits/s的數據由120片賽靈思FPGA共同完成，其中90片FPGA在TMU機架上（圖4）。ALICE設計人員將剩余的30片FPGA以樹(shù)形結構連接到更高級模塊。在樹(shù)形結構頂端的FPGA完成最終的觸發(fā)決策（捕捉重要內容并過(guò)濾冗余信息）。 FPGA實(shí)現的強大算法幫助去除重復的冗余數據或不重要的數據，因此整個(gè)系統能夠在一毫秒內適配和選擇2000多個(gè)軌跡參數，同時(shí)避免了CERN數據處理和存儲系統的信息過(guò)載。 每片XC4VFX100 FPGA集成有兩個(gè)IBM PowerPC微處理器，其中一個(gè)運行Linux操作系統來(lái)完成系統驗證和內部管理。

圖 3. 采用Xilinx XC4VFX100 Virtex-4 FPGA的軌跡匹配單元卡

圖 4. 裝載用于過(guò)濾和跟蹤離子對撞軌跡數據的TMU卡的眾多機架之一

希伯斯玻色子

　　ALICE實(shí)驗是CERN到目前為止最雄心勃勃的計劃，當然這絕不是CERN計劃進(jìn)行的最后一項實(shí)驗。 事實(shí)上，CERN科學(xué)家希望與ALICE同時(shí)進(jìn)行的ATLAS和CMS項目能夠捕獲到難以追蹤的希伯斯玻色子。1964年，物理學(xué)家彼得 希伯斯及其同事預言了稱(chēng)為希伯斯玻色子的有質(zhì)量標量基本粒子。 物理學(xué)家在粒子物理標準模型中增加了希伯斯玻色子，但到目前為止尚沒(méi)有實(shí)驗證實(shí)其存在。CERN科學(xué)家希望希伯斯玻色子粒子能夠幫助解釋基本粒子如何獲得質(zhì)量等屬性。 這是構建大統一理論以及研究暗物理和暗能量本質(zhì)的重要一步。

關(guān)于歐洲核子研究中心（CERN）以及六十億美元實(shí)驗

　　CERN是歐洲核子研究中心的法語(yǔ)簡(jiǎn)稱(chēng)，它更普遍的叫法是歐洲粒子物理實(shí)驗室。CERN是世界上致力于有關(guān)亞原子粒子高能量研究的最大機構。CERN于1954年成立于瑞士日內瓦附近。它每年的預算約為10億美元，這項預算來(lái)自于歐盟20多個(gè)成員國和包括美國在內的8個(gè)觀(guān)察國。在CERN中，進(jìn)行試驗研究和結果分析的科學(xué)家和工程師多達8000位，幾乎是全球致力于量子物理界研究人員的半數。CERN中的研究成果曾于1984年和1992年兩次被授予諾貝爾物理學(xué)獎。最近，CERN中的大多數研究都集中于建造大型強子對撞機以及與之相關(guān)的試驗。CERN在2008年9月已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗?？茖W(xué)家們預計將對大型強子對撞機展開(kāi)一系列的試驗，目前計劃中已經(jīng)包括六項：CMS、ATLAS、LHCb、TOTEM、LHC-forward、和 ALICE。

　　除了亞原子物理方面的研究，CERN也為其在不同的科技領(lǐng)域的研究突破而聞名于世。其中最著(zhù)名的就是Tim Berners-Lee于1989年發(fā)明的互聯(lián)網(wǎng)，這個(gè)發(fā)明最初的目的是為了改進(jìn)CERN的科學(xué)家之間的交流。