¿Cuáles son los orígenes del universo? ¿Qué es materia y energía?
En una búsqueda para responder a las preguntas científicas más desafiantes del mundo, un consorcio de unos 20,000 científicos en CERN, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, está intentando reconstruir el origen del universo. Pero para hacer esto, los investigadores deben superar los límites de la tecnología. Durante una conferencia magistral en XDF Europa, El Dr. Thomas James, investigador principal del CERN, explicó cómo los 100 metros bajo tierra de la FPGA de Xilinx enterrados juegan un papel en la búsqueda de respuestas.
Construido debajo de Ginebra, Suiza, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es el acelerador de partículas más grande del mundo. Es un anillo de 27 kilómetros y está compuesto por imanes superconductores que aceleran las partículas a niveles de energía sin precedentes. Cada protón atraviesa el anillo 11,000 veces por segundo, casi la velocidad de la luz. En cuatro puntos diferentes del anillo, cada 25 nanosegundos, los protones chocan. Las condiciones de la colisión son capturadas por detectores de partículas, uno de estos detectores de partículas se llama detector CMS.
El detector CMS tiene un diámetro de 15 metros, tiene 21 metros de largo y pesa más que la Torre Eiffel. Contiene cientos de millones de sensores individuales que juntos detectan los miles de partículas que se crean a partir de cada colisión. Debido a que el LHC crea 2.4 millones de colisiones por segundo, aproximadamente 500 terabits por segundo de datos de medición, es imposible almacenar esta cantidad de datos. De modo que el equipo del CERN desarrolló un sistema de "activación" escalonado para seleccionar sólo las colisiones más interesantes para su análisis, y el resto se descarta.
Este sistema de activación se implementa en dos capas, siendo la activación de nivel uno la más exigente, que requiere una capacidad de inferencia de IA fija de latencia extremadamente baja de aproximadamente 3 microsegundos por evento, junto con un ancho de banda masivo. Las CPU y GPU no pueden cumplir con estos requisitos. Entonces, 100 metros bajo tierra pero protegida del área de radiación, hay una red de FPGA de Xilinx que ejecutan algoritmos diseñados para filtrar instantáneamente los datos generados e identificar nuevas subestructuras de partículas como evidencia de la existencia de materia oscura y otros fenómenos físicos. Estos FPGA ejecutan redes neuronales clásicas y convolucionales para recibir y alinear datos de sensores, realizar seguimiento y agrupamiento, ejecutar identificación de objetos de aprendizaje automático y activar funciones, todo antes de formatear y entregar los datos del evento. El resultado ha sido una inferencia de latencia extremadamente baja del orden de 100 nanosegundos.
El CERN ha desarrollado sus diseños de hardware a través de múltiples generaciones de tecnología Xilinx, comenzando hace décadas con la familia Virtex-E de 180 nanómetros a través de la arquitectura Virtex UltraScale + de 16 nm. Al usar dispositivos Xilinx, los científicos del CERN pueden lograr una gran profundidad y amplitud de algoritmos, incluso dentro de sus estrictas restricciones de latencia, que incluyen agrupamiento de energía, seguimiento e identificación de partículas utilizando algoritmos complejos como transformadas de Hough y filtros de Kalman.
Además de las poderosas capacidades de procesamiento de nuestras FPGA, el CERN se beneficia de la creciente facilidad con la que se pueden programar las FPGA Xilinx. James habló sobre cómo los últimos chips Xilinx y la plataforma de software unificada Vitis están haciendo que el poder de Xilinx sea más accesible para una gama más amplia de científicos del CERN, no solo ingenieros. James comentó: “Ahora, los algoritmos que durante mucho tiempo se pensó que eran imposibles de implementar en FPGA son una realidad. Esperamos que durante la próxima década, esta tendencia continúe, dando lugar a nuevos descubrimientos sorprendentes en física de partículas ".
Para obtener más información sobre nuestro trabajo con el CERN y cómo las FPGA de Xilinx ofrecen ventajas de rendimiento inalcanzables para las GPU y las CPU, consulte el estudio de caso del CERN. esta página.
