Nükleer fizik deneylerinden gelen büyük veri kümelerini analiz etmek saatler veya günler sürebilir, ancak araştırmacılar, Enerji Bölümü Lawrence Berkeley ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarları’nda geliştirilen özel yazılımları kullanarak bu süreyi sadece saniyelere radikal bir şekilde azaltmak için çalışıyorlar.
Dağıtılmış olay düzeyinde deney okuması ve entegre analiz için kesilen Deleria, nükleer fizik deneyleri için en yeni bir araç olan Greta spektrometresini desteklemek için özel olarak tasarlanmış yeni bir yazılım platformudur. Gamma Ray Enerji İzleme Dizisi (Greta) şu anda Berkeley Lab’da yapım aşamasındadır ve 2026’da Michigan Eyalet Üniversitesi’ndeki Nadir Isotop Beams (FRIB) tesisinde kurulması planlanmaktadır.
Yazılım, Greta’nın saniyeler içinde büyük veri kümelerini analiz etmek amacıyla doğrudan ülkenin önde gelen bilgi işlem merkezlerine verileri aktarmasını sağlayacaktır. Veriler Enerji Bilimleri Ağı veya ESNET aracılığıyla gönderilecektir. Bu gerçek zamanlı analiz, araştırmacıların gerçekleştiği gibi deneyde kritik ayarlamalar yapmalarını sağlayacak ve bu da önemli ölçüde daha hızlı, daha doğru sonuçlarla artan bilimsel üretkenliğe yol açacaktır.
Son iki yıldır Deleria’yı geliştiren bir ORNL hesaplama nükleer fizikçisi olan Gustav Jansen, “Birincil amacımız, yerel bir bilgi işlem altyapısı oluşturmak zorunda kalmadan gelecekteki deneysel ihtiyaçlar için bir veri boru hattı oluşturmaktır. Boru hattı, son iki yıldır Deleria’yı geliştiren bir ORNL hesaplama nükleer fizikçisi olan Gustav Jansen, çevrimiçi olarak yapılan analiz miktarını artırmamıza izin verecek. Diyerek şöyle devam etti: “Ancak Deleria’nın diğer araştırma tesisleri ve daha geniş bir bilimsel uygulamalarla çalışmak için ölçeklendirilebileceğini göstermeyi planlıyoruz.”
Greta, 120 hiper-saf Germanyum kristalinin küresel bir dizidir. Deney örnekleri aletin içine yerleştirilir ve frib tesisindeki radyoaktif iyon hızlandırıcısından yüklü parçacıklar ile bombalanır.
Çarpışmalar saniyede yüz binlerce foton yayıyor. Bir foton bir kristale her çarptığında, etkileşim kaydedilir ve analiz için boru hattı üzerinden iletilir. Bu işlem nihayetinde bir numunenin çekirdeklerindeki protonların ve nötronların nasıl düzenlendiğini ve nasıl davrandıklarını ortaya çıkarmak için kullanılır.
Fotonların enerjilerini ve koordinatlarını hesaplamak ve bilgileri araştırmacılar için anlamlı bir şekilde işlemek için önemli bilgi işlem kaynakları gereklidir.
Jansen, “Bir veri boru hattı oluşturmak, ağır bilgi işlemi ulusal laboratuvarlardaki veri merkezlerine boşaltmamızı sağlar. Bu nedenle, Greta’ya potansiyel bir yükseltme için yepyeni bir bilgi işlem sistemi oluşturmak yerine, sadece birine bağlanabiliriz.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Ve nükleer fizik açısından, bu bize Greta’yı yükseltme seçenekleri ve diğer tesislerdeki Deleria yazılım platformundan da yararlanabilecek enstrümanları sunuyor.”
Test, test
Birlikte, Jansen ve meslektaşları Oak Ridge Liderlik Bilgi İşlem Tesisinde, ORNL’de bulunan bir DOE Science ofis kullanıcı tesisi ve Berkeley Lab, Greta veri boru hattının bir testini inşa etti. Berkeley Lab’da, Greta Detector dizisinin sanal bir versiyonu foton çarpışma olaylarını simüle eder ve ESNET üzerinden verileri OLCF’deki bir bilgi işlem kümesine 2.000 mil uzakta iletir.
Jansen, “Dedektörün içindeki kristallerde kendilerine bağlı çok sayıda elektrik kontağı var. Bir foton kristallerden birine çarptığında, her temas noktasında bir elektrik sinyali çıkıyor.” Dedi. “Kristalin içinde fotonların nereye çarptığını bulmalıyız – X, Y, Z koordinasyonları. Ve bunu çarpışmadan 10 saniye içinde yapmamız gerekiyor. Boru hattını yapmak için tasarladık.”
Boru hattının işleme gücü, 36 düğümlü AMD GPU-Accupicered bilgi işlem kümesi olan OLCF’nin Defiant tarafından sağlanır. Defiant’ın işi, foton çarpışmalarının X, Y, Z koordinatlarını belirlemek ve işlenen verileri depolama veya ek analiz için Berkeley Laboratuvarı’na geri göndermek için crunching yapmaktır. Deleria ayrıca depolanan verilerin hacmini%97,5 oranında önemli ölçüde azaltır, bu da 40 faktördür.
Test yatağı, her saniyede yaklaşık 480.000 foton çarpışma etkinliği üretebilir ve analiz edebilir. Veriler orada 4.000 milden fazla ve tekrar geri dönmeli ve 10 saniye veya daha kısa sürede işlenmelidir.
Greta test yatağı, çok çeşitli sistem mimarileri için bilgi işlem ve veri kaynakları sağlayan bir test yatağı olan OLCF’nin Gelişmiş Bilgi İşlem Ekosisteminin (ACE) bir parçasıdır.
Kandırma zamanı
Bir dizi gösteride, ekip saniyede 35’e kadar gigabit (GBP) verileri işleyebildi ve verileri saniyede 35 gigabit oranında aktardı, bu da Greta’nın gerekli maksimum oranını aşan ve Berkele laboratuvarı ve ornl’si arasında ESNET’in ESNET6 ağı tarafından kolayca ağırlanır. Takım daha yüksek oranlara ulaşmayı planlıyor. Jansen’e göre, ülke çapında verilerin taşınmasıyla ilgili büyük sorun gecikme.
Şu anda, sistemleri 5 milisaniye veya 0.005 saniyede tek bir foton çarpışma olayını işleyebilir. Ancak, ışık hızında seyahat ederek, Berkeley laboratuvarından OLCF’ye ve geri verileri – tek bir olayı işlemek için gerekenden daha uzun bir büyüklükten daha fazla olan 120 milisaniye (0.12 saniye) alır.
Jansen, “Tabii ki, sadece bilim kurguda ışık hızını atlayabilirsiniz.” Dedi. “Şu anda üzerinde çalıştığımız şey, gecikmeyi kandırarak 10 kez hızlandırmak, tabiri caizse, her seferinde bir olay çalıştırmak yerine, olayları paralel olarak çalıştırmaktır, böylece diğerleri aktarılırken bir olayı işleyebiliriz. Doğru dengeyi bularak, bilgi işlem kümesinin her zaman meşgul olduğundan emin olabiliriz.
Tom Beck, ışığın hızından daha hızlı hareket etmeye gelince, “Sadece Gustav bunu yapabilir” dedi. Beck, ORNL’nin Ulusal Hesap Bilimleri Merkezi’nde bilim katılımının bölüm başkanıdır. Jansen’i desteklemenin yanı sıra, Beck ayrıca büyük DOE araştırma tesislerini OLCF’deki liderlik sınıfı bilgi işlem kaynaklarıyla birleştiren diğer IRI projeleri üzerinde de çalışıyor.
Beck, “Bu, ülkenin önde gelen araştırma merkezlerine nasıl ağ oluşturduğumuza ilişkin standartları belirleyen IRI temasında gerçekten öncü bir çalışma. Ve ne kadar çok kullanım durumumuz varsa, o kadar iyi alacağız.” Dedi. “Her seferinde bir vaka. Ve şimdiye kadar, bu gerçekten bu olgunluk seviyesinde farkında olduğum ve çalışan ilk durum, yani gerçekten harika bir başlangıç yapıyoruz.”
Jansen’e ek olarak, proje ekibi üyeleri arasında Mario Cromaz (Berkeley Lab), Eli Dart, Eric Pooyoul, Ezra Kissel, Kiran Vasu, Seyoung Yu (ESNET) ve Ross Miller (OLCF) yer alıyor.
