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(guó)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(zhǔn)備進(jìn)行一項(xiàng)稱為“大型離子撞擊實(shí)驗(yàn) -ALICE（A Large Ion Collider Experiment）”的實(shí)驗(yàn)。 他們將利用世界上最強(qiáng)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(jù)說僅在宇宙大爆炸后短暫存在過的條件。 CERN科學(xué)家預(yù)計(jì)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。這一溫度是太陽內(nèi)核溫度的十萬倍。 當(dāng)重離子相撞時(shí)，CERN科學(xué)家預(yù)計(jì)將會(huì)產(chǎn)生大量亞原子粒子。 CERN科學(xué)家希望通過跟蹤這些粒子的軌跡，可以發(fā)現(xiàn)物理學(xué)中眾多深?yuàn)W問題的答案。 從2008年開始，CERN科學(xué)家將開始觀察ALICE實(shí)驗(yàn)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(shù)以千萬計(jì)的亞原子粒子。 FPGA提供的強(qiáng)大數(shù)據(jù)壓縮算法可以去除冗余信息并只將重要數(shù)據(jù)發(fā)送到CERN數(shù)據(jù)中心。 2008年4月，賽靈思公司獲得了ALICE行業(yè)協(xié)作獎(jiǎng)，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(jī)構(gòu)向賽靈思公司頒獎(jiǎng)，表彰賽靈思FPGA在核心測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用（參見圖1）。

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

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和ALICE

　　大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（the Large Hadron Collider (LHC)）是全球最大最復(fù)雜的科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，被認(rèn)為是“地球上最雄心勃勃的科學(xué)計(jì)劃”。 它位于地下 深100米長(zhǎng)27公里的隧道中，位于接近日內(nèi)瓦的法國(guó)-瑞士邊境（圖2）。 LHC是物理學(xué)家用來研究夸克-膠子等離子體的系列粒子加速器中最新最強(qiáng)大的一個(gè)。夸克-膠子等離子體是目前已知的構(gòu)成所有物質(zhì)的最基本構(gòu)件。

　　大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)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(nèi)才存在的條件。 科學(xué)家們一般認(rèn)為宇宙自大爆炸以來一直在變冷，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(yàn)有可能發(fā)現(xiàn)有關(guān)物質(zhì)的新知識(shí)，使我們對(duì)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于地下，位于接近日內(nèi)瓦的法國(guó)-瑞士邊境。

　　所有XC4VFX100 器件同時(shí)獨(dú)立完成第一級(jí)數(shù)據(jù)壓縮，迅速處理并分類軌跡數(shù)據(jù)。 總數(shù)據(jù)速率高達(dá)2.7 Tbs/s的數(shù)據(jù)通過總共120片賽靈思FPGA進(jìn)行處理…

　　兩速稱為“強(qiáng)子”（質(zhì)子或鉛離子）的粒子在圓形加速器內(nèi)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(yàn)，全球各地的科學(xué)家小組會(huì)利用專用探測(cè)器來分析撞擊所產(chǎn)生的粒子。

Xilinx Virtex-4 FX FPGA的作用

　　當(dāng)反向強(qiáng)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(jiān)視撞擊生成的大量粒子，ALICE實(shí)驗(yàn)中將利用特殊的光子探測(cè)器以亞毫米精度來測(cè)量每次撞擊產(chǎn)生的數(shù)以千萬計(jì)的粒子的軌跡位置。 轉(zhuǎn)換輻射探測(cè)器（TRD）擁有120萬個(gè)模擬探頭。 系統(tǒng)將每個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)10-MHz 10位數(shù)據(jù)流。 540個(gè)單個(gè)探測(cè)器組合為18個(gè)超級(jí)模塊。 這些單個(gè)模擬信號(hào)利用67000個(gè)前端芯片進(jìn)行預(yù)處理。 這樣，生成的原始數(shù)據(jù)流達(dá)每秒120 Tbits。 系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和壓縮后通過1080個(gè)光學(xué)鏈路發(fā)送出去。每條鏈路的數(shù)據(jù)速率達(dá)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(jī)架。 每塊卡（如圖3所示）有12個(gè)光電轉(zhuǎn)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(dú)立完成第一級(jí)數(shù)據(jù)壓縮，并迅速處理并分類軌跡數(shù)據(jù)。 總數(shù)據(jù)速率達(dá)2.7 Tbits/s的數(shù)據(jù)由120片賽靈思FPGA共同完成，其中90片F(xiàn)PGA在TMU機(jī)架上（圖4）。ALICE設(shè)計(jì)人員將剩余的30片F(xiàn)PGA以樹形結(jié)構(gòu)連接到更高級(jí)模塊。在樹形結(jié)構(gòu)頂端的FPGA完成最終的觸發(fā)決策（捕捉重要內(nèi)容并過濾冗余信息）。 FPGA實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)大算法幫助去除重復(fù)的冗余數(shù)據(jù)或不重要的數(shù)據(jù)，因此整個(gè)系統(tǒng)能夠在一毫秒內(nèi)適配和選擇2000多個(gè)軌跡參數(shù)，同時(shí)避免了CERN數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的信息過載。 每片XC4VFX100 FPGA集成有兩個(gè)IBM PowerPC微處理器，其中一個(gè)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)來完成系統(tǒng)驗(yàn)證和內(nèi)部管理。

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

圖 4. 裝載用于過濾和跟蹤離子對(duì)撞軌跡數(shù)據(jù)的TMU卡的眾多機(jī)架之一

希伯斯玻色子

　　ALICE實(shí)驗(yàn)是CERN到目前為止最雄心勃勃的計(jì)劃，當(dāng)然這絕不是CERN計(jì)劃進(jìn)行的最后一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。 事實(shí)上，CERN科學(xué)家希望與ALICE同時(shí)進(jìn)行的ATLAS和CMS項(xiàng)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(yù)言了稱為希伯斯玻色子的有質(zhì)量標(biāo)量基本粒子。 物理學(xué)家在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中增加了希伯斯玻色子，但到目前為止尚沒有實(shí)驗(yàn)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(gòu)建大統(tǒng)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(yàn)

　　CERN是歐洲核子研究中心的法語簡(jiǎn)稱，它更普遍的叫法是歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)。CERN于1954年成立于瑞士日內(nèi)瓦附近。它每年的預(yù)算約為10億美元，這項(xiàng)預(yù)算來自于歐盟20多個(gè)成員國(guó)和包括美國(guó)在內(nèi)的8個(gè)觀察國(guó)。在CERN中，進(jìn)行試驗(yàn)研究和結(jié)果分析的科學(xué)家和工程師多達(dá)8000位，幾乎是全球致力于量子物理界研究人員的半數(shù)。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(jiǎng)。最近，CERN中的大多數(shù)研究都集中于建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)以及與之相關(guān)的試驗(yàn)。CERN在2008年9月已經(jīng)開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家們預(yù)計(jì)將對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)展開一系列的試驗(yàn)，目前計(jì)劃中已經(jīng)包括六項(xiàng)：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。