Simuler la trajectoire de particules élémentaires dans l'accélérateur de particules du CERN près de Genève
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URL du projet : http://lhcathome.cern.ch/lhcathome/ Systèmes d'exploitation : Linux (32 et 64 bits), Windows (32 et 64 bits) Début du projet : Février 2006 |
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Statistiques
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Qu'est ce que LHC@Home ?
LHC@home est un projet du CERN qui vise à simuler les trajectoires de particules élémentaires dans le futur accélérateur de particules du CERN à Genève. Le CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire ) est le plus grand centre scientifique au monde dans le domaine
En 2007, l'accélérateur de particules géant du CERN , le LHC (Large Hadron Collider - Grand collisionneur de hadrons) sera construit . Pour optimiser sa construction et sa maintenance (surtout celle des capteurs ultra-sophistiqués) le CERN a besoin de faire des simulations de grande envergure. Ces simulations permettent aux ingénieurs européens d'optimiser et d'accélérer la construction de ce qui sera le plus grand instrument scientifique du monde (27km de long). Une fois l'accélérateur de particules construit, les différents capteurs produiront 15 Po de données (pétaoctet=1E15 octet) par an ce qui constitue 10% de la production annuelle de la terre entière. Pour analyser ces données, le CERN envisage également de faire appel au public et à BOINC (mais pas avant 2007-2008). Le programme actuel simule 100 000 tours ou 1 000 000 tours de 60 particules dans le futur LHC. Ces particules effectueraient ces tours en moins d'une seconde en réalité mais un ordinateur actuel met de 1 à 10h pour effectuer la simulation! Le projet a d'abord commencé à l'automne 2004 en collaboration avec des universitaires européens, projet qui dura 3 mois. Devant le succés rencontré par lhc@home, les responsables du CERN ont décidé de continuer l'aventure BOINC en 2005. Il s'agit toujours de simuler les futurs collisions à l'intérieur de l'accélérateur de Genève .
Apperçus du LHC :
SixTrack
La principale difficulté du calcul scientifique, auxquelles les expérimentations LHC vont faire face, sera l'accès à de gigantesques espaces de stockage - Le LHC produira 15 Petaoctets (15 millions de Gigaoctets) de données par an. Ces besoins en données font que la plupart des programmes d'analyse ne peuvent fonctionner sur des PC isolés. C'est pourquoi le CERN a recours au calcul partagé, qui permet de lier des centaines de centres de calcul dans le monde.
Toutefois, il y a des exceptions dans lesquelles le calcul public à un intérêt pour le LHC. Le département IT du CERN est intéressé par l'évaluation du type de technique utilisé par SETI@home, pour une future application. Un programme nommé SixTrack, qui simule le parcours de particules tournant autour du LHC dans le but d'évaluer la stabilité de leurs orbites, peut fonctionner sur un PC isolé et requérant relativement peu de données en entrée et sortie.
SixTrack fut développé par Frank Schmidt, du département Accélérateurs et Faisceaux, sur les bases d'un précédent programme développé au DESY, le Synchrotron à électron Allemand de Hambourg. SixTrack produit des résultats qui sont essentiels pour vérifier la stabilité à long terme des particules à haute énergie dans le LHC. Lyn Evans, directeur du projet LHC,dit que "les résultats du SixTrack apportent une réelle différence, nous fournissant de nouvelles approches de la façon dont le LHC fonctionnera".
Typiquement, SixTrack simule 60 particules qui voyagent en même temps dans l'anneau, et lance la simulation sur 100000 boucles (où parfois 1 million de boucles) dans l'anneau. On peut penser que c'est beaucoup, mais cela dure moins de 10s en temps réel. Encore, c'est largement suffisant pour tester si les rayons auront une orbite stable sur une grande période, où risquer de perdre le contrôle et s'écraser sur les murs du tube sous vide. Une telle instablilité du rayon serait un sérieux problème, elle pourrait causer l'arrêt de la machine pour réparation si cela arrive réellement.
En répétant des centaines de fois de tels calculs, il est possible de définir les conditions sous lesquelles le rayon sera stable.
Toutefois, il y a des exceptions dans lesquelles le calcul public à un intérêt pour le LHC. Le département IT du CERN est intéressé par l'évaluation du type de technique utilisé par SETI@home, pour une future application. Un programme nommé SixTrack, qui simule le parcours de particules tournant autour du LHC dans le but d'évaluer la stabilité de leurs orbites, peut fonctionner sur un PC isolé et requérant relativement peu de données en entrée et sortie.
SixTrack fut développé par Frank Schmidt, du département Accélérateurs et Faisceaux, sur les bases d'un précédent programme développé au DESY, le Synchrotron à électron Allemand de Hambourg. SixTrack produit des résultats qui sont essentiels pour vérifier la stabilité à long terme des particules à haute énergie dans le LHC. Lyn Evans, directeur du projet LHC,dit que "les résultats du SixTrack apportent une réelle différence, nous fournissant de nouvelles approches de la façon dont le LHC fonctionnera".
Typiquement, SixTrack simule 60 particules qui voyagent en même temps dans l'anneau, et lance la simulation sur 100000 boucles (où parfois 1 million de boucles) dans l'anneau. On peut penser que c'est beaucoup, mais cela dure moins de 10s en temps réel. Encore, c'est largement suffisant pour tester si les rayons auront une orbite stable sur une grande période, où risquer de perdre le contrôle et s'écraser sur les murs du tube sous vide. Une telle instablilité du rayon serait un sérieux problème, elle pourrait causer l'arrêt de la machine pour réparation si cela arrive réellement.
En répétant des centaines de fois de tels calculs, il est possible de définir les conditions sous lesquelles le rayon sera stable.
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Les images des phases de particules sur une orbite stable (gauche) et sous une orbite chaotique (droite).
L'espace de phase montre les points que chaque particules occupent à chaque cycle.
Pour les particules stables, c'est limité aux courbes de la phase,
mais pour les particules instables les points tendent à occupés tous l'espace de la phase.
A partir d'un certain point, les particules instables quittent complètement leur orbite - et le rayon se perd.
L'espace de phase montre les points que chaque particules occupent à chaque cycle.
Pour les particules stables, c'est limité aux courbes de la phase,
mais pour les particules instables les points tendent à occupés tous l'espace de la phase.
A partir d'un certain point, les particules instables quittent complètement leur orbite - et le rayon se perd.
LHC@home
Jusqu'à présent, LHC@home s'exécute sur les machines Windows et Linux, mais nous aimerions l'étendre sur les autres plateformes dans un futur proche, avec l'aide des communautés de testeurs, si possible. (Un package graphique pour l'économiseur d'écran Linux a été développé par un utilisateur de LHC@home - Merci à Roberto Virga !).
L'économiseur d'écran Windows représente un jeu de particules, comme celles simulées dans le programme. Leur mouvement est actuellement définit par un algorythme qui est indépendant de SixTrack, bien qu'ils soient planifiés pour une version de l'économiseur d'écran qui affichera la coupe actuelle du rayon de particule que SixTrack simulera.
L'économiseur d'écran Windows représente un jeu de particules, comme celles simulées dans le programme. Leur mouvement est actuellement définit par un algorythme qui est indépendant de SixTrack, bien qu'ils soient planifiés pour une version de l'économiseur d'écran qui affichera la coupe actuelle du rayon de particule que SixTrack simulera.
L'économisuer d'écran de LHC@home
En Mars 2005, l'immense aimant dipole superconducteur commença d'être installé dans le tunnel de LHC. Toutes les fois où un nouveau aimant est installé, des mesures sont faites sur ses propriétés. S'il dérive de façon significative par rapport aux valeurs spécifiées, SixTrack sera employé pour étudier l'impact, que pourront avoir ces différences sur les opérations de la machine. Obtenir les résultats aussi rapidement que possible peut faire une grosse différence sur l'installation des milliers d'aimants (1232 aimants dipole ) par les ingénieurs. Beaucoup de Calculs de simulation devront être necéssaires sur les prochaines années pour faire ces analyses critiques. Aussi votre participation dans LHC@home est réellement utile pour la construction du LHC !
Parallèlement à l'aide à la construction du LHC, LHC@home apporte quelques éléments fondamentaux dans les challenges du calcul distribué. Avec LHC@home, et avec un précursue maison appelé CPSS, il a été découvert que les différent processeurs peuvent produire quelquefois des résultats différents. Cela est dû aux manières que certaines fonctions mathématiques comme l'exponentielle et la tangente arrondissent sur différents processeurs. Le manque de standard international accepté pour cela, combiné avec la nature chaotiquedes orbites de particules dans les simulations SixTrack, avec les tendances à amplifier les petites différences , peut produire des résultats considérablement différentsur des ordinateurs différents. Bien que initialement perçu comme un retard, ce problème peut être distribué en utilisant des nouvelles librairies de fonctions développées par un groupe de l'Ecole Nationale Supérieure de Lyon. Les résultats fournissent aussi un important potentiel d'aperçus pour le développement courrant des applications des grilles de calculs, dont le but ultime est qu'elles auront à couvrir un large éventail d'ordinateurs.
Parallèlement à l'aide à la construction du LHC, LHC@home apporte quelques éléments fondamentaux dans les challenges du calcul distribué. Avec LHC@home, et avec un précursue maison appelé CPSS, il a été découvert que les différent processeurs peuvent produire quelquefois des résultats différents. Cela est dû aux manières que certaines fonctions mathématiques comme l'exponentielle et la tangente arrondissent sur différents processeurs. Le manque de standard international accepté pour cela, combiné avec la nature chaotiquedes orbites de particules dans les simulations SixTrack, avec les tendances à amplifier les petites différences , peut produire des résultats considérablement différentsur des ordinateurs différents. Bien que initialement perçu comme un retard, ce problème peut être distribué en utilisant des nouvelles librairies de fonctions développées par un groupe de l'Ecole Nationale Supérieure de Lyon. Les résultats fournissent aussi un important potentiel d'aperçus pour le développement courrant des applications des grilles de calculs, dont le but ultime est qu'elles auront à couvrir un large éventail d'ordinateurs.
Historique de LHC@home
En 2003, Eric McIntosh et Andreas Wagner du Département IT du CERN ont commencé à tester un économiseur d'écran maison appelé Compact Physics Screen Saver (CPSS), avec le lancement de SixTrack sur les ordinateurs du CERN. CPSS a prouvé être un outil vital de débuggage pour cette application de calculs partagés. Aujourd'hui, CPSS tourne sur 200 PCs au CERN. Une importante découverte à été faite avec CPSS, et confirmée avec le LHC@home, que les différents processeurs des PC peuvent retourner des résultats différents. Eric McIntosh traque ce problème, du fait que certaines fonctions mathématiques comme l'exponentielle, ou tangente, crée des erreurs d'arrondis selon les processeurs
En juin 2004, Ben Segal et François Grey du département IT, ont été appelé, en vue de créer un évènement, pour le 50e anniversaire du CERN, qui autoriserait les gens, partout dans le monde, à avoir une impression de compétition informatique pour le LHC. Ben et François rencontrèrent Dave Anderson, le directeur de Seti@home, qui venait juste de commencer les tests de la nouvelle plate-fome BOINC que son équipe avait developpé.
Dans le même temps, une équipe d'étudiants Dannois prirent contact avec François, enchantés de trouver un projet excitant pour leur thèse de Doctorat. Ce fût le début de LHC@Home. Christian Søttrup et Jacob Pedersen travaillerent énormement tout le printemps et l'été pour obtenir que SixTrack et BOINC fonctionne ensemble. Vous pouvez lire leurs thèses, qui décrivent les opportunités de combiner les ressources de calcul public, avec des grilles de calcul tel que celle du LHC.
En juin 2004, Ben Segal et François Grey du département IT, ont été appelé, en vue de créer un évènement, pour le 50e anniversaire du CERN, qui autoriserait les gens, partout dans le monde, à avoir une impression de compétition informatique pour le LHC. Ben et François rencontrèrent Dave Anderson, le directeur de Seti@home, qui venait juste de commencer les tests de la nouvelle plate-fome BOINC que son équipe avait developpé.
Dans le même temps, une équipe d'étudiants Dannois prirent contact avec François, enchantés de trouver un projet excitant pour leur thèse de Doctorat. Ce fût le début de LHC@Home. Christian Søttrup et Jacob Pedersen travaillerent énormement tout le printemps et l'été pour obtenir que SixTrack et BOINC fonctionne ensemble. Vous pouvez lire leurs thèses, qui décrivent les opportunités de combiner les ressources de calcul public, avec des grilles de calcul tel que celle du LHC.
Quelques-unes des personnes derriere le programme de calcul du CERN.
De gauche a droite, Frank Schmidt (AB), Jukka Klem (Institut de physique d'Helsinki),
Andreas Wagner (IT), Eric McIntosh (IT) and Ben Segal (IT).
Aprés l'été 2004, un étudiant de Berkeley, Karl Chen, qui avait travaillé avec Dave Anderson, est venu pour aider Christian et Jacob avec l'interface de BOINC. Jasenko Zivanov, APROX un stagiaire pour l'été de l'université de Basel, a developpé les graphiques de l'économiseur d'écran. Kalle Happonen et Markku Degerholm, deux étudiants Finlandais du programme technologique de l'institut de physique d'Helsinki, aiderent à leur tour a faire fonctionner et régler le serveur BOINC, ainsi qu'une équipe de LHC@Home venu de la phase alpha, avec 25 ordinateurs personnels, pour la phase beta, avec quelques utilisateurs expérimentés de BOINC, qui vit le jour (le serveur ou BOINC ?) en septembre, juste a temps pour le 50e anniversaire du CERN le 29 Septembre, et la journée portes-ouvertes du CERN qui suivie le 16 Octobre, ou 30 000 personnes ont visité le CERN. Durant ces mois, le nombre d'utilisateur est monté 6 000, ce qui fût jugé comme étant le maximun, APROX au vue des limitations des serveurs et le fait d'analyser les données en suffisament de temps pour qu'elle reviennent (à temps..) En Février 2005, aprés une pause de quelques mois, LHC@Home fût redémarré en tant que APROX service courant du département IT du CERN, et comme evenement à part de l'Année de la Physique. Ignacio Reguero est le directeur du projet, et ensemble avec Phil Defert (NDT: ptdr) et Ben Segal ils commencérent à regarder vers de possible nouvelles applications avec d'autres partenaires dans la communauté de la Physique de Haute Energie. Eric McIntosh et Frank Schmidt continuent à travailler durement pour donner des unitées aux utilisateur de LHC@Home, et analysent les résultats. Jukka Klem du programme de l'institut d'Helsinki au CERN aide au fonctionnement quotidien du serveur, et gère le forum.
Article réalisé et/ou mis à jour par les membres des fora de BoincFrance et de l'équipe EST