CERN在新兴技术的运用与宇宙探索领域位居学界前沿

大约 140亿 年前，大爆炸创造宇宙，创造时间，创造太阳系，并最终创造生命本身。

宇宙自此持续膨胀，人类对自身存在缘由以及大爆炸的来龙去脉也愈发好奇。这种渴望驱使着世界最为前沿的物理学家们孜孜不倦地探寻宇宙真理，不厌其烦地在一次次对撞实验中粉碎亚原子粒子，寻找能够构成世间万物的最小物质。

美光科技亦将为科学发展贡献一己之力，为积极寻求突破的物理学家们提供最为先进的深度学习和内存解决方案，这项协作甚至可能永久改变科学进程。

这项合作的物理学层面由欧洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research，简称CERN）负责。该实验室成立于 1954 年，世界上一半的粒子物理学家在此潜心钻研，此外它还因拥有世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称 LHC）而著称。2012 年，科学家们在大型强子对撞机上进行多次实验，并证实了希格斯玻色子的存在。研究人员早在 20 世纪 60 年代就曾提出过该粒子存在的假设，其证明使得他们在来年（2013年）荣获诺贝尔物理学奖。作为科学界的里程碑，希格斯玻色子被主流媒体奉为“上帝粒子”，尽管这个称呼常令 CERN 的专家们感到反感。

美光高级计算解决方案运营总监 Mark Hur 说道：“我们非常激动能有机会为 CERN 的研究贡献一些力量。”CERN 的实验产生了大量需要过滤、处理和存储的数据，美光正为 CERN 实验提供的硬件将有助于他们解决数据困境。

“CERN 在新兴技术的运用与宇宙探索领域位居学界前沿，” Hur 说。“与 CERN 的合作使我们能够在无比严苛的环境中进行新技术的测试。”

肉眼无法察觉的碰撞

大型强子对撞机本身就是一个物理学上的奇迹，它通过一个巨大的磁管发射数百万个氢原子核，并记录它们相互碰撞的过程，碰撞中产生了类似于宇宙大爆炸之后的环境。CERN 粒子物理学家 Maurizio Pierini对此作出了形象的比喻：“这好比从太阳系的两端以接近光速的速度各发射 1,000 亿个网球，随后观察它们在中间碰撞时所发生的事情。”

LHC 的 3D 剖面图

对撞机工作原理

将大型强子对撞机安置在一个地下 17 英里的环形轨道上，其位置横跨法国和瑞士两国边境。当氢原子的电子被剥离，所形成的质子被送入加速器。

电磁铁经液氦冷却至零下 456℉（大约零下 271℃）以后，推动两束高能粒子束将质子群射向相反的方向。超低温环境使磁体能够在超导状态下工作，从而在不损失能量的情况下导电。

磁铁引导质子在 17 英里的回路中运动，强大的无线电频率使质子加速到接近光速，并以每秒 11,000 次的速度将它们射入 LHC 的回路中。粒子束相交于加速器上的四个碰撞点，这也是大型强子对撞机四个主要粒子探测器的所在地。

无线电频率还使得质子以 12 英寸长、1 毫米宽的束状传播。由于质子过于微小，大多数质子都能毫发无损地通过碰撞点，但质子数量众多，每秒仍能产生多达 10 亿次的碰撞（这些碰撞需要产生能被捕捉并处理的数据）。

由于处理这些数据需要巨大的计算能力，科学家们决定加大赌注，增加光束强度，以提升碰撞发生几率。仍然以网球作比喻的话，这就仿佛将所发射的网球聚得更近，更密集的球簇会增加两组球在中间相遇时正面碰撞的概率。

CERN 升级后的高亮度大型强子对撞机将于 2026 年左右投入使用，届时其粒子束的强度将提高 5 倍。技术需求颇为惊人，每次碰撞都将产生 1 MB 的数据。如今，大型强子对撞机已在实验中产生了每秒约 1 PB 的数据，相当于 2000 多年的音频数据量之和。

“数据会更加庞大，更加拥挤，更加复杂，”Pierini 说。“数据的实时处理将造成巨大的挑战。”

数据管道

美光 SB-852 电路板有助于解决数据处理的燃眉之急。该电路板以 512GB 的顶级 DDR4 DRAM 和 2GB 的混合存储立方体为驱动，目前正在大型强子对撞机四个主要实验之一的CMS（Compact Muon Solenoid）中进行测试，以进一步提高机器学习能力；而结合了神经网络功能的美光内存解决方案将在实验的数据采集系统中进行测试。在 CERN 工作的科学家们正在寻找能够支持他们的实验计算和数据处理要求的前沿技术。内存有利于研究人员进行大量实验数据的处理并从中收获真知灼见，因而在实验研究中至关重要。

“这是一个奇怪的电路板，”Hur 用非专业术语来形容 SB-852 电路板。该电路板拥有处理数据的“咀嚼肌”，能识别并筛选出对科学家重要或有趣的数据。

“一旦发生碰撞，电路板就能摄入大量数据，随后内部运行的机器学习就会利用内存下达指令：‘这是我们前所未闻的东西，我们应当关注它们。”Hur 说道。

深度学习

Pierini 说道：“对大型强子对撞机中的每一次碰撞都进行分析并不现实，因为碰撞十分频繁且数量庞大，以至于会将数据记录系统卡住。”

大多数碰撞中会产生我们已经非常了解的更加细微的粒子。据 Pierini 所言，CERN 的秘诀是通过算法读取粒子轨迹，丢弃无用且无趣的数据。

CERN 可能已经建立了世界上最精确的粒子碰撞预测模型，它利用神经网络处理数据，过滤掉大部分无用的数据。到目前为止，CERN 一直依靠预测模型来预估他们期望中亚原子粒子的行为，并训练神经网络来探寻预期行为。

“神经网络对此非常擅长，就如同区分图片中的猫和狗一样。”Pierini 说道。

无心插柳柳成荫，一些伟大的科学发现往往来源于意想不到的结果，正如 1964 年探测到的宇宙微波背景辐射恰好为大爆炸理论提供了关键证据，而 CERN 的研究人员都努力避免遗漏任何有趣的东西。

正因如此，CERN 的研究人员需要更先进的人工智能，能使得他们从数据中挑选出不可预见的事件。美光电路板正是因为能够突出不同寻常的数据，从而帮助研究人员达成那些无法预测的结果。

“我们正在开发一种用于学习标准模型的算法，使我们能够通过推理，在一百万件事件中标记出我们本应保留但却往往无视的那件怪事，” Pierini 说。

寻找幽灵粒子

除上帝粒子之外，还有一种大有可为却神秘莫测的粒子令粒子物理学研究者们魂牵梦绕。与电子相近但无电荷的中微子，几乎没有质量，也很少与正常物质反应，这使得它尤其难以观测。通过与CERN的合作，美光还参与了另一项检测中微子的大型实验。该实验将在美国进行，由费米国立加速器实验室（Fermilab）主导。

中微子被称为“幽灵粒子”， 在已知粒子中，它数量较多，却也最小、最难以捉摸。物理学家们知道中微子的存在，但对它们的行为却知之甚少。中微子研究的突破可能会解决一些有关宇宙形成的科学难题，其中包括对大爆炸之后的物质形成进行解释。

简而言之，解开中微子之谜可能有助于解释我们存在的原因。

中微子符合物理学家所说的标准模型，该模型描述了物质的基本构造要素。但是最近一项诺贝尔奖的发现证实了另一种说法：中微子并不含有质量。人们不禁产生好奇，对于幽灵粒子的深入理解还将解开哪些未知的谜团。

对于物理学家而言，这种猜想令人振奋。

“中微子是一种难以捉摸的奇特粒子，其间可能隐藏着许多秘密，”Pierini说道。“直觉告诉我们中微子质量肯定来自某种新的物理学，否则无人能对其作出解释。”

CERN 所属的国际联盟致力于创建人类史上最大的中微子探测项目，即“地下中微子深实验”（DUNE）。这项实验含有两个美国中微子探测器，其中一个在南达科塔州的 Lead 市。工作人员将从Lead一个废弃金矿的竖井里挖出 800,000 吨岩石， 从而为 40,000 吨液态氩腾出空间。

芝加哥城外 800 英里的费米实验室内，一束中微子将从一台粒子发生器中发射而出，穿过地表到达探测室，其路径将通过精确的技术绘制，实验产生的图像有助于了解中微子的行为。这次大规模的合作中囊括了来自世界各地 175 个研究机构的 1,000 多名研究人员，他们将与 DUNE 共同解开中微子之谜。

探寻中微子的轨迹

DUNE 实验中产生了与大型强子对撞机中全然不同的数据困境。鉴于大型强子对撞机中粒子碰撞产生的数据规模之大，研究人员需要对其进行过滤，而中微子又鲜少与物质发生相互作用，这意味着它们更难以在 DUNE 的坑洞中被探测到。

Pierini 说，DUNE 实验中的挑战转而变成了压缩和存储腔室的 3D 传感器阵列检测到的每个微中子产生的数据字节。作为提供必要的计算能力的一种途径，与先前实验中相同的美光 SB-852 电路板在 CERN 建造的这些腔室的原型中进行测试。它们的神经网络还将推断数据以找出其他线索，并帮助研究人员识别衰变的中微子。

“（目标是）开发一种快速的数据处理算法，这种算法能从局部到整体来观察事件，” Pierini说。

南达科他州的项目去年破土动工，计划于 2026 年开始 DUNE 实验。

也许在 140 亿年之后，中微子的窘境将不复存在。

理想型合作伙伴

CERN 一直以与美光的合作引以为豪。

CERN 通过其开放数据门户共享实验数据。研究人员现在可以依其需求，访问或使用包含在数据集、软件、环境和科学文档中的超过 1 PB 的信息。CERN 通过构建自己的系统来展示他们对开源数据和软件的贡献，以便其数据能够尽可能广泛地扩散。

秉持类似的道德规范，CERN 通过一个名为CERN openlab的公私合作平台，与其他顶尖的领域研究机构和技术公司进行合作。

除了美光之外，CERN openlab 的合作伙伴还包括 10 家世界前沿技术公司和9家前沿研究机构。

“CERN 公开与公私部门协作，并与美光这样的技术伙伴建立合作关系，这能够确保研究界的成员获取创新性工作所需的先进计算技术，”CERN openlab 首席技术官 Maria Girone表示。

Hur 表示，与 CERN 的合作反映了内存在科学领域和更大的技术社区方面日趋增加的重要性。

“当我回首往事，相较最为重要的服务器和处理器，内存总是显得毫不起眼，” Hur 说。“现在每个人都意识到服务器正在经历时钟频率的瓶颈，所有这些应用程序都将以内存为主导。”