CERN科學家利用Virtex-4 FPGA進行大爆炸研究

CERN ScientistsUseVirtex-4 FPGAs for Big Bang Research

　　在法國瑞士邊境的地下隧道中，歐洲核子研究中心的科學家們正在準備進行一項稱為“大型離子撞擊實驗 -ALICE（A Large Ion Collider Experiment）”的實驗。 他們將利用世界上最強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，試圖重新創造出據說僅在宇宙大爆炸后短暫存在過的條件。 CERN科學家預計每次相撞將會釋放出巨大能量并產生約1012°C的局部溫度。這一溫度是太陽內核溫度的十萬倍。 當重離子相撞時，CERN科學家預計將會產生大量亞原子粒子。 CERN科學家希望通過跟蹤這些粒子的軌跡，可以發現物理學中眾多深奧問題的答案。 從2008年開始，CERN科學家將開始觀察ALICE實驗中的粒子撞擊。Xilinx FPGA為科學家的工作提供了幫助，協助他們映射并分離撞擊產生的數以千萬計的亞原子粒子。 FPGA提供的強大數據壓縮算法可以去除冗余信息并只將重要數據發送到CERN數據中心。 2008年4月，賽靈思公司獲得了ALICE行業協作獎，表彰其在粒子物理研究方面提供的支持。 海德堡大學的Volker Lindenstruth教授代表ALICE合作機構向賽靈思公司頒獎，表彰賽靈思FPGA在核心測量儀器系統中所發揮的關鍵作用（參見圖1）。

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

大型強子對撞機和ALICE

　　大型強子對撞機（the Large Hadron Collider (LHC)）是全球最大最復雜的科學實驗儀器，被認為是“地球上最雄心勃勃的科學計劃”。 它位于地下 深100米長27公里的隧道中，位于接近日內瓦的法國-瑞士邊境（圖2）。 LHC是物理學家用來研究夸克-膠子等離子體的系列粒子加速器中最新最強大的一個。夸克-膠子等離子體是目前已知的構成所有物質的最基本構件。

　　大型強子對撞機將質子和重離子加速到接近光的速度并相互撞擊，重新創造出宇宙大爆炸后很短時間內才存在的條件。 科學家們一般認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的能量密度，從而使我們能夠了解宇宙演化極早期時的情形。 這些實驗有可能發現有關物質的新知識，使我們對宇宙中原子深處微小粒子的理解產生革命性的變化。

圖 2. CERN大型強子對撞機位于地下，位于接近日內瓦的法國-瑞士邊境。

　　所有XC4VFX100 器件同時獨立完成第一級數據壓縮，迅速處理并分類軌跡數據。 總數據速率高達2.7 Tbs/s的數據通過總共120片賽靈思FPGA進行處理…

　　兩速稱為“強子”（質子或鉛離子）的粒子在圓形加速器內沿相反方向被加速。 然后，物理學家控制粒子相撞。 在LHC中將進行一系列實驗，全球各地的科學家小組會利用專用探測器來分析撞擊所產生的粒子。

Xilinx Virtex-4 FX FPGA的作用

　　當反向強子束以極高速度相撞時將會產生大量亞原子粒子。 為監視撞擊生成的大量粒子，ALICE實驗中將利用特殊的光子探測器以亞毫米精度來測量每次撞擊產生的數以千萬計的粒子的軌跡位置。 轉換輻射探測器（TRD）擁有120萬個模擬探頭。 系統將每個模擬信號轉換為一個10-MHz 10位數據流。 540個單個探測器組合為18個超級模塊。 這些單個模擬信號利用67000個前端芯片進行預處理。 這樣，生成的原始數據流達每秒120 Tbits。 系統對數據進行預處理和壓縮后通過1080個光學鏈路發送出去。每條鏈路的數據速率達2.5 Gbps。 這些光纜連接到載有90個軌跡匹配單元（TMU）卡的機架。 每塊卡（如圖3所示）有12個光電轉換器，分別連接到一片賽靈思Virtex-4 FPGA的12個MGT收發器輸入。 所有XC4VFX100 器件同時獨立完成第一級數據壓縮，并迅速處理并分類軌跡數據。 總數據速率達2.7 Tbits/s的數據由120片賽靈思FPGA共同完成，其中90片FPGA在TMU機架上（圖4）。ALICE設計人員將剩余的30片FPGA以樹形結構連接到更高級模塊。在樹形結構頂端的FPGA完成最終的觸發決策（捕捉重要內容并過濾冗余信息）。 FPGA實現的強大算法幫助去除重復的冗余數據或不重要的數據，因此整個系統能夠在一毫秒內適配和選擇2000多個軌跡參數，同時避免了CERN數據處理和存儲系統的信息過載。 每片XC4VFX100 FPGA集成有兩個IBM PowerPC微處理器，其中一個運行Linux操作系統來完成系統驗證和內部管理。

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撞軌跡數據的TMU卡的眾多機架之一

希伯斯玻色子

　　ALICE實驗是CERN到目前為止最雄心勃勃的計劃，當然這絕不是CERN計劃進行的最后一項實驗。 事實上，CERN科學家希望與ALICE同時進行的ATLAS和CMS項目能夠捕獲到難以追蹤的希伯斯玻色子。1964年，物理學家彼得 希伯斯及其同事預言了稱為希伯斯玻色子的有質量標量基本粒子。 物理學家在粒子物理標準模型中增加了希伯斯玻色子，但到目前為止尚沒有實驗證實其存在。CERN科學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量等屬性。 這是構建大統一理論以及研究暗物理和暗能量本質的重要一步。

關于歐洲核子研究中心（CERN）以及六十億美元實驗

　　CERN是歐洲核子研究中心的法語簡稱，它更普遍的叫法是歐洲粒子物理實驗室。CERN是世界上致力于有關亞原子粒子高能量研究的最大機構。CERN于1954年成立于瑞士日內瓦附近。它每年的預算約為10億美元，這項預算來自于歐盟20多個成員國和包括美國在內的8個觀察國。在CERN中，進行試驗研究和結果分析的科學家和工程師多達8000位，幾乎是全球致力于量子物理界研究人員的半數。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獎。最近，CERN中的大多數研究都集中于建造大型強子對撞機以及與之相關的試驗。CERN在2008年9月已經開展相關實驗。科學家們預計將對大型強子對撞機展開一系列的試驗，目前計劃中已經包括六項：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年發明的互聯網，這個發明最初的目的是為了改進CERN的科學家之間的交流。