Ein entscheidendes Computerprogramm der Teilchenphysik droht zu veralten

Ein entscheidendes Computerprogramm der Teilchenphysik droht zu veraltern

Illustration des Computers

VOR KURZEM HABE ICH GESEHEN Ein befreundeter Teilchenphysiker spricht über eine Berechnung, die er auf eine neue Präzisionshöhe gebracht hatte. Sein Werkzeug? Ein Computerprogramm aus den 1980er Jahren namens FORM.
Teilchenphysiker verwenden einige der längsten Gleichungen in der gesamten Wissenschaft. Um beispielsweise nach Anzeichen für neue Elementarteilchen bei Kollisionen am Large Hadron Collider zu suchen, zeichnen sie Tausende von Bildern, die Feynman-Diagramme genannt werden und mögliche Kollisionsergebnisse darstellen, von denen jedes eine komplizierte Formel kodiert, die Millionen von Termen lang sein kann. Solche Formeln mit Stift und Papier zu summieren ist unmöglich; Selbst das Hinzufügen mit Computern ist eine Herausforderung. Die Algebra-Regeln, die wir in der Schule lernen, sind schnell genug für Hausaufgaben, aber für die Teilchenphysik sind sie beklagenswert ineffizient.
Die Originalgeschichte wurde mit Genehmigung des Quanta Magazine nachgedruckt, einer redaktionell unabhängigen Publikation der Simons Foundation, deren Aufgabe es ist, das öffentliche Verständnis der Wissenschaft zu verbessern, indem sie über Forschungsentwicklungen und Trends in der Mathematik sowie den Natur- und Lebenswissenschaften berichtet.
Programme, die als Computeralgebrasysteme bezeichnet werden, bemühen sich, diese Aufgaben zu bewältigen. Und wenn Sie die größten Gleichungen der Welt lösen wollen, sticht seit 33 Jahren ein Programm heraus: FORM.
FORM wurde vom niederländischen Teilchenphysiker Jos Vermaseren entwickelt und ist ein wichtiger Teil der Infrastruktur der Teilchenphysik, der für die schwierigsten Berechnungen notwendig ist. Wie bei überraschend vielen wichtigen Teilen der digitalen Infrastruktur ruht die Wartung von FORM jedoch weitgehend auf einer Person: Vermaseren selbst. Und mit 73 Jahren hat er begonnen, sich von der FORM-Entwicklung zurückzuziehen. Aufgrund der Anreizstruktur der Wissenschaft, die veröffentlichte Arbeiten und nicht Software-Tools prämiert, ist kein Nachfolger entstanden. Wenn sich die Situation nicht ändert, könnte die Teilchenphysik gezwungen sein, sich dramatisch zu verlangsamen.
FORM begann Mitte der 1980er Jahre, als sich die Rolle von Computern schnell veränderte. Sein Vorgänger, ein Programm namens Schoonschip, erstellt von Martinus Veltman, wurde als spezialisierter Chip veröffentlicht, den Sie an die Seite eines Atari-Computers angeschlossen haben. Vermaseren wollte ein zugänglicheres Programm entwickeln, das von Universitäten auf der ganzen Welt heruntergeladen werden kann. Er begann, es in der Computersprache FORTRAN zu programmieren, was für Formula Translation steht. Der Name FORM war ein Riff darauf. (Später wechselte er zu einer Programmiersprache namens C.) Vermaseren veröffentlichte seine Software 1989. In den frühen 90er Jahren hatten über 200 Institutionen auf der ganzen Welt es heruntergeladen, und die Zahl stieg weiter.
Seit dem Jahr 2000 wird durchschnittlich alle paar Tage eine Teilchenphysik-Arbeit veröffentlicht, die FORM zitiert. "Die meisten [hochpräzisen] Ergebnisse, die unsere Gruppe in den letzten 20 Jahren erzielt hat, basierten stark auf FORM-Code", sagte Thomas Gehrmann, Professor an der Universität Zürich.
Ein Teil der Popularität von FORM kam von spezialisierten Algorithmen, die im Laufe der Jahre aufgebaut wurden, wie ein Trick zum schnellen Multiplizieren bestimmter Teile eines Feynman-Diagramms und ein Verfahren zum Neuanordnen von Gleichungen, um so wenig Multiplikationen und Additionen wie möglich zu haben. Aber der älteste und stärkste Vorteil von FORM ist der Umgang mit dem Speicher.
So wie Menschen zwei Arten von Gedächtnis haben, kurzfristige und langfristige, haben Computer zwei Arten: Haupt- und externe. Der Hauptspeicher – der Arbeitsspeicher Ihres Computers – ist im laufenden Betrieb leicht zugänglich, aber in der Größe begrenzt. Externe Speichergeräte wie Festplatten und Solid-State-Laufwerke enthalten viel mehr Informationen, sind aber langsamer. Um eine lange Gleichung zu lösen, müssen Sie sie im Hauptspeicher speichern, damit Sie leicht damit arbeiten können.
In den 80er Jahren waren beide Arten von Speicher begrenzt. "FORM wurde in einer Zeit gebaut, in der es fast keinen Speicher und auch keinen Speicherplatz gab - im Grunde gab es nichts", sagte Ben Ruijl, ein ehemaliger Student von Vermaseren und FORM-Entwickler, der jetzt Postdoktorand an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich ist. Dies stellte eine Herausforderung dar: Gleichungen waren zu lang für den Hauptspeicher. Um einen zu berechnen, musste Ihr Betriebssystem Ihre Festplatte so behandeln, als wäre sie auch der Hauptspeicher. Das Betriebssystem, das nicht wusste, wie groß Ihre Gleichung zu erwarten ist, würde die Daten in einer Sammlung von "Seiten" auf der Festplatte speichern und häufig zwischen ihnen wechseln, wenn verschiedene Teile benötigt werden - ein ineffizienter Prozess, der als Swapping bezeichnet wird.
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This xkcd comic illustrates the situation well.
ABBILDUNG: XKCD.COM
FORM umgeht den Austausch und verwendet eine eigene Technik. Wenn Sie mit einer Gleichung in FORM arbeiten, weist das Programm jedem Begriff einen festen Speicherplatz auf der Festplatte zu. Mit dieser Technik kann die Software leichter verfolgen, wo sich die Teile einer Gleichung befinden. Es macht es auch einfach, diese Teile wieder in den Hauptspeicher zu bringen, wenn sie benötigt werden, ohne auf den Rest zugreifen zu müssen.
Der Speicher ist seit den Anfängen von FORM gewachsen, von 128 Kilobyte RAM im Atari 130XE im Jahr 1985 auf 128 Gigabyte RAM in meinem aufgemotzten Desktop - eine millionenfache Verbesserung. Aber die Tricks, die Vermaseren entwickelt hat, bleiben entscheidend. Während Teilchenphysiker Petabytes an Daten des Large Hadron Collider durchforsten, um nach Beweisen für neue Teilchen zu suchen, wird ihr Bedarf an Präzision und damit die Länge ihrer Gleichungen immer länger.

"Diese Dinge werden für immer relevant bleiben, egal wie groß der Speicher wird, denn es gibt immer ein physikalisches Problem, das es über die Größe des Speichers hinaus treiben kann", sagte Ruijl.
Die Computerkapazitäten sind ungefähr exponentiell gewachsen und haben sich etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Aber es gibt schnellere Formen des Wachstums als exponentielles Wachstum. Betrachten Sie die Aufgabe, drei Buchstaben – a, b und c – in allen möglichen Reihenfolgen zu schreiben. Es gibt drei Möglichkeiten für den ersten Buchstaben (a, b oder c), zwei für den zweiten und eine für den dritten. Das Problem skaliert als faktoriell, eine mathematische Beziehung, die noch schneller wächst als exponentielles Wachstum. Faktoren werden häufig angezeigt, wenn Sie versuchen, mögliche Kombinationen von Dingen zu zählen, z. B. all die verschiedenen Feynman-Diagramme, die Sie für eine Reihe kollidierender Teilchen zeichnen können. Das faktorielle Wachstum dieser teilchenphysikalischen Berechnungen übertrifft das exponentielle Wachstum der Rechenleistung.
So entscheidend Software wie FORM für die Physik ist, so hoch ist der Aufwand, sie zu entwickeln, wird oft unterschätzt. Vermaseren hatte das Glück, dass er eine Festanstellung am Nationalen Institut für Subatomare Physik in den Niederlanden hatte und einen Chef, der das Projekt schätzte. Aber solches Glück ist schwer zu bekommen. Stefano Laporta, ein italienischer Physiker, der einen entscheidenden Vereinfachungsalgorithmus für dieses Feld entwickelt hat, hat den größten Teil seiner Karriere ohne Finanzierung für Studenten oder Ausrüstung verbracht. Universitäten neigen dazu, die Publikationsaufzeichnungen von Wissenschaftlern zu verfolgen, was bedeutet, dass diejenigen, die an kritischen Infrastrukturen arbeiten, oft für die Einstellung oder Anstellung übergangen werden.
"Ich habe im Laufe der Jahre immer wieder gesehen, dass Menschen, die viel Zeit am Computer verbringen, keinen festen Job in Physik bekommen", sagte Vermaseren.
"Es ist vielleicht prestigeträchtiger, tatsächlich physische Ergebnisse zu erzielen, als an Werkzeugen zu arbeiten", sagte Ruijl.
Während einige jüngere Physiker wie Ruijl sporadisch an FORM arbeiten, müssen sie um ihrer Karriere willen die meiste Zeit für andere Forschungen aufwenden. Dies überlässt einen Großteil der Verantwortung für die Entwicklung von FORM in den Händen von Vermaseren, der jetzt größtenteils im Ruhestand ist.
Ohne kontinuierliche Entwicklung wird FORM immer weniger nutzbar sein - nur in der Lage, mit älterem Computercode zu interagieren und nicht darauf abgestimmt zu sein, wie die heutigen Studenten das Programmieren lernen. Erfahrene Benutzer werden dabei bleiben, aber jüngere Forscher werden alternative Computeralgebraprogramme wie Mathematica übernehmen, die benutzerfreundlicher, aber um Größenordnungen langsamer sind. In der Praxis werden viele dieser Physiker entscheiden, dass bestimmte Probleme tabu sind - zu schwierig zu handhaben. Die Teilchenphysik wird also ins Stocken geraten, da nur wenige Leute in der Lage sind, an den härtesten Berechnungen zu arbeiten.
Im April wird Vermaseren einen Gipfel der FORM-Anwender abhalten, um für die Zukunft zu planen. Sie werden diskutieren, wie man FORM am Leben erhält, wie man es erhält und erweitert und wie man einer neuen Generation von Schülern zeigt, wie viel es kann. Mit Glück, harter Arbeit und Finanzierung können sie eines der mächtigsten Werkzeuge der Physik bewahren.
Die Originalgeschichte wurde mit Genehmigung des Quanta Magazine nachgedruckt, einer redaktionell unabhängigen Publikation der Simons Foundation, deren Aufgabe es ist, das öffentliche Verständnis der Wissenschaft zu verbessern, indem sie über Forschungsentwicklungen und Trends in der Mathematik sowie den Natur- und Lebenswissenschaften berichtet.

https://www.wired.com/story/a-crucial-particle-physics-computer-program-risks-obsolescence/

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