Una vista della dashboard Kitware sviluppato per mettere a punto il design dei componenti dell'acceleratore con il software ACE3P di SLAC. Un componente dell'acceleratore simulato, al centro, è circondato da caratteristiche e specifiche che i ricercatori possono scegliere durante la raffinazione del suo progetto sul supercomputer NERSC del DOE a Berkeley. Invece di digitare le istruzioni per eseguire la simulazione, i progettisti possono utilizzare le schede a discesa (al centro a sinistra) e altri semplici strumenti per impostare le specifiche per le loro simulazioni, guardare i file che sono ospitati in remoto su NERSC (in alto a destra), tenere traccia di le analisi che stanno eseguendo (in mezzo a destra) e scaricano i loro dati sui propri computer (in basso a destra). Credito:John Tourtellott/Kitware
Il software pionieristico chiamato ACE3P è stato sviluppato quasi un quarto di secolo fa per mettere a punto il design degli acceleratori di particelle e dei loro componenti. Ora la sua ultima incarnazione è stata adattata per il supercalcolo scientifico e la progettazione manifatturiera, grazie alle partnership tra due società e il Laboratorio Nazionale Acceleratore SLAC del Dipartimento dell'Energia.
Le collaborazioni fanno parte di un programma del Dipartimento dell'Energia chiamato Small Business Innovation Research, o SBIR, progettato per essere vantaggioso sia per il laboratorio che per la comunità in generale, ha affermato Matt Garrett, direttore del trasferimento tecnologico e delle partnership private di SLAC.
"In questi progetti SBIR, la tecnologia sviluppata dai laboratori e perfezionata dai nostri partner industriali entra nella comunità per un ampio utilizzo e poi torna da noi per far avanzare le strutture che sono una parte cruciale delle operazioni SLAC", ha affermato Garrett.
Aiutando le aziende a far progredire le loro tecnologie e creare mercati, ha aggiunto, il programma crea anche nuove catene di approvvigionamento nazionali per le cose di cui il laboratorio e, in alcuni casi, la comunità in generale ha bisogno.
ACE3P è stato sviluppato presso SLAC circa due decenni fa per realizzare prototipi virtuali di componenti di acceleratori di particelle che funzioneranno nella vita reale, ed è ancora ampiamente utilizzato. ACE3P sta per Advanced Computational Electromagnetics 3D Parallel, a dimostrazione del fatto che consente l'esecuzione di simulazioni 3D ad alta fedeltà su migliaia di unità di elaborazione del computer contemporaneamente, in modo che i ricercatori possano risolvere problemi grandi e complessi più velocemente.
Negli ultimi anni, ACE3P si è ramificato per aiutare i ricercatori nelle università e nell'industria a eseguire simulazioni in altri campi, comprese le telecomunicazioni e la modellazione elettromagnetica del corpo umano, ha affermato Cho-Kuen Ng, uno scienziato capo dello SLAC che ha contribuito a sviluppare ACE3P.
Oggi SLAC sta lavorando con due società di New York, Kitware e Simmetrix, per ampliare la portata di ACE3P. L'obiettivo è rendere molto più semplice per i ricercatori l'uso dei supercomputer DOE e determinare la forma ideale per i componenti dell'acceleratore con processi di progettazione che possono essere applicati "praticamente a tutto", afferma Mark Beall, CEO di Simmetrix, dalle ali degli aeroplani alle batterie dei telefoni cellulari e stampi ad iniezione per giocattoli.
Per trovare la forma migliore possibile per un componente dell'acceleratore (a sinistra), i ricercatori spesso devono modificare una serie di fattori contemporaneamente, il che sarebbe noioso e richiederebbe tempo se fatto a mano. Software come ACE3P di SLAC consente loro di automatizzare molte di queste attività. In questo caso, hanno voluto ridurre al minimo i campi elettromagnetici che allontanano gli elettroni dalle superfici della cavità (linea blu) mantenendo il fascio di elettroni (linea rossa) che viaggia attraverso la cavità a una frequenza particolare (linea verde e punto). L'esecuzione di questa complessa attività di solito richiede un numero di esecuzioni di simulazione. In questo caso, il team di ricerca è stato in grado di raggiungere entrambi gli obiettivi rimuovendo una piccola quantità di materiale (verde) da una delle superfici interne della cavità. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Il supercalcolo semplificato
Il lavoro di SLAC con Kitware risale al 2015. L'azienda crea piattaforme software open source e le personalizza per le esigenze di aziende e agenzie governative specifiche; quest'ultima parte è come guadagna con i suoi prodotti disponibili gratuitamente.
Nel suo attuale progetto con SLAC, l'azienda sta integrando una delle sue piattaforme open source, Computational Model Builder, nel software ACE3P già in uso presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del DOE presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.
Circa 8.000 scienziati finanziati dal DOE utilizzano NERSC per eseguire ricerche non classificate su un'ampia gamma di argomenti, tra cui il cambiamento climatico, la struttura delle proteine e l'evoluzione dell'universo. Ma con l'aumento delle dimensioni e della complessità di queste simulazioni, è diventato sempre più difficile gestirle.
Fino a poco tempo, gli utenti dovevano digitare i codici - istruzioni per eseguire le simulazioni - a mano, mentre allo stesso tempo coordinare e tenere traccia di molti fili intrecciati del progetto, ciascuno dei quali produce un enorme volume di dati, alcuni dei quali devono essere analizzati in loco. Organizzare e gestire tutto questo sta diventando sempre più una seccatura. E le interfacce commerciali che potrebbero aiutare a districare il pasticcio non sono disponibili per i supercomputer, ha affermato John Tourtellott, ricercatore principale di Kitware per il progetto SLAC.
Ora che Computational Model Builder è stato integrato in ACE3P, gli utenti NERSC possono impostare i criteri per le loro simulazioni compilando moduli, aprendo menu e facendo clic invece di digitare le istruzioni. Quindi possono guardare lo svolgersi della simulazione e controllare i risultati prima di scaricare i dati sul proprio computer, ha affermato Tourtellott.
"Anche se non possiamo davvero dare un numero, questo ha vantaggi in termini di produttività", ha affermato. "Può ridurre notevolmente la quantità di informazioni che devono essere inserite manualmente e gli errori che si verificano di conseguenza. Lascia anche più tempo per la scienza vera e propria".
Lavorando con due piccole imprese, SLAC ha adattato il suo ACE3P vintage per soddisfare meglio le esigenze dei ricercatori che utilizzano i supercomputer per progettare componenti di acceleratori di particelle. Questa immagine mostra uno di questi componenti. Le onde di colore che viaggiano attraverso la cavità dell'acceleratore modellato rappresentano campi elettromagnetici che allontanano gli elettroni dalle superfici della cavità, un fastidio che i progettisti vogliono ridurre al minimo. Invece di digitare le istruzioni per eseguire la simulazione, i progettisti possono utilizzare schede a discesa e altri semplici strumenti per impostare le specifiche per le loro simulazioni. Credito:John Tourtellott/Kitware
Kitware ha anche creato una dashboard simile presso il Los Alamos National Laboratory del DOE per i ricercatori che utilizzano la piattaforma software Truchas del laboratorio per simulare la fusione di metalli e la stampa 3D.
"Il motivo per cui abbiamo avviato quel progetto non era tanto per far risparmiare tempo agli utenti, ma perché stavamo incontrando potenziali nuovi utenti che guardavano quanto lavoro avrebbe richiesto la loro simulazione e dicevano:"Non vale il mio tempo" e andavano avanti". ha affermato Neil Carlson, scienziato ospite di Los Alamos che ha guidato il progetto Truchas per otto anni. "Creare la nuova interfaccia è davvero un modo per ridurre la barriera all'ingresso".
Un altro vantaggio, ha detto Carlson, è che il lavoro svolto da Kitware per il progetto di Los Alamos è stato inserito in Computational Model Builder in modo che sia disponibile per tutti "e quel tipo di galleggiante è la barca di tutti".
La forma delle cose a venire
Ciò che Kitware fa per l'esperienza utente del supercomputer, Simmetrix fa per la generazione automatica di mesh che rappresentano forme geometriche nelle simulazioni.
Gli ingegneri meccanici utilizzano una tecnica matematica chiamata analisi degli elementi finiti per vedere come le cose che progettano, che si tratti di un piccolo widget o di un'enorme parte di acceleratore, reggeranno a temperature operative, pressioni, vibrazioni realistiche e così via. Possono identificare i punti deboli, modificare le forme dei componenti e ripetere per trovare il design ottimale in un computer prima di costruire un prototipo. ACE3P ha svolto un ruolo importante per decenni nell'utilizzo di questi tipi di simulazioni per progettare componenti di acceleratori.
L'analisi degli elementi finiti suddivide le forme complesse in un gruppo di forme molto più semplici, rappresentate da mesh. Il computer somma gli effetti di ciascuna di queste semplici forme sulle prestazioni di quel particolare disegno. Mesh più fini consentono simulazioni più dettagliate, ma richiedono molto più tempo di elaborazione. Le mesh più grossolane richiedono meno tempo ma potrebbero non essere così precise. Questo processo di generazione della mesh deve essere ripetuto più e più volte per ottenere un design ottimale.
"Se fosse qualcosa che dovessi fare manualmente, sarebbe incredibilmente noioso e una perdita di tempo", afferma Beall, CEO di Simmetrix. L'unica soluzione pratica, ha detto, è farlo automaticamente.
I ricercatori SLAC hanno sviluppato un processo di alto livello per prevedere come modificare una forma per produrre un design che soddisfi i loro requisiti. Ma questo processo non aveva un modo per prevedere automaticamente quale forma dovrebbe essere testata successivamente o per aggiornare automaticamente la geometria e le mesh per ogni nuovo progetto. Simmetrix ha fornito quelle parti mancanti per creare un processo completamente automatico per l'aggiornamento e l'ottimizzazione delle forme e delle loro mesh con ACE3P e piattaforme di simulazione del design simili, ha affermato Beall. Ciò consentirà alle persone di progettare prodotti migliori in modo più rapido ed economico e può essere applicato praticamente a qualsiasi prodotto, incluso il processo di produzione stesso.
L'automazione di questa funzione in ACE3P è una grande vittoria per SLAC e per l'azienda, che può basarsi su tutto ciò che crea per SLAC e commercializzarlo al pubblico.
Sebbene l'obiettivo iniziale del progetto SLAC sia la progettazione di acceleratori per strutture scientifiche che potrebbero richiedere decenni per essere sviluppati, ha affermato Beall, il modello potrebbe anche accelerare la progettazione di una tecnologia di accelerazione per il trattamento del cancro e la progettazione di antenne e dispositivi wireless.
"Sia gli acceleratori di particelle che i dispositivi medici utilizzano campi elettromagnetici", ha affermato. "Quanto sono efficienti e quanto bene servano al loro scopo dipende completamente dai campi che creano al loro interno, che dipende dalla forma dei componenti."
Ng di SLAC ha affermato che il progetto SBIR, terminato lo scorso anno, ha migliorato il processo di SLAC per l'ottimizzazione della forma delle cavità dell'acceleratore con ACE3P, consentendo ai progettisti di aggiornare i parametri di progettazione automaticamente anziché per tentativi ed errori. Tuttavia, ha affermato che c'è ancora del lavoro da fare per rendere il processo più ampiamente applicabile per un uso generale al di fuori del laboratorio.
Beall ha aggiunto che frammenti del lavoro svolto presso SLAC sono stati integrati nei prodotti Simmetrix, incluso il software che l'azienda vende da 25 anni. "Questo progetto ci ha permesso di sviluppare nuove capacità che saranno molto utili per i nostri clienti", ha affermato. + Esplora ulteriormente
