大約 140億 年前，大爆炸創(chuàng)造宇宙，創(chuàng)造時間，創(chuàng)造太陽系，并最終創(chuàng)造生命本身。

宇宙自此持續(xù)膨脹，人類對自身存在緣由以及大爆炸的來龍去脈也愈發(fā)好奇。這種渴望驅(qū)使著世界最為前沿的物理學家們孜孜不倦地探尋宇宙真理，不厭其煩地在一次次對撞實驗中粉碎亞原子粒子，尋找能夠構(gòu)成世間萬物的最小物質(zhì)。

美光科技亦將為科學發(fā)展貢獻一己之力，為積極尋求突破的物理學家們提供最為先進的深度學習和內(nèi)存解決方案，這項協(xié)作甚至可能永久改變科學進程。

這項合作的物理學層面由歐洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research，簡稱CERN）負責。該實驗室成立于 1954 年，世界上一半的粒子物理學家在此潛心鉆研，此外它還因擁有世界上最大的粒子加速器——大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱 LHC）而著稱。2012 年，科學家們在大型強子對撞機上進行多次實驗，并證實了希格斯玻色子的存在。研究人員早在 20 世紀 60 年代就曾提出過該粒子存在的假設(shè)，其證明使得他們在來年（2013年）榮獲諾貝爾物理學獎。作為科學界的里程碑，希格斯玻色子被主流媒體奉為“上帝粒子”，盡管這個稱呼常令 CERN 的專家們感到反感。

美光高級計算解決方案運營總監(jiān) Mark Hur 說道：“我們非常激動能有機會為 CERN 的研究貢獻一些力量。”CERN 的實驗產(chǎn)生了大量需要過濾、處理和存儲的數(shù)據(jù)，美光正為 CERN 實驗提供的硬件將有助于他們解決數(shù)據(jù)困境。

“CERN 在新興技術(shù)的運用與宇宙探索領(lǐng)域位居學界前沿，” Hur 說?！芭c CERN 的合作使我們能夠在無比嚴苛的環(huán)境中進行新技術(shù)的測試?！?/p>

肉眼無法察覺的碰撞

大型強子對撞機本身就是一個物理學上的奇跡，它通過一個巨大的磁管發(fā)射數(shù)百萬個氫原子核，并記錄它們相互碰撞的過程，碰撞中產(chǎn)生了類似于宇宙大爆炸之后的環(huán)境。CERN 粒子物理學家 Maurizio Pierini對此作出了形象的比喻：“這好比從太陽系的兩端以接近光速的速度各發(fā)射 1,000 億個網(wǎng)球，隨后觀察它們在中間碰撞時所發(fā)生的事情?！?/p>

LHC 的 3D 剖面圖

對撞機工作原理

將大型強子對撞機安置在一個地下 17 英里的環(huán)形軌道上，其位置橫跨法國和瑞士兩國邊境。當氫原子的電子被剝離，所形成的質(zhì)子被送入加速器。

電磁鐵經(jīng)液氦冷卻至零下 456℉（大約零下 271℃）以后，推動兩束高能粒子束將質(zhì)子群射向相反的方向。超低溫環(huán)境使磁體能夠在超導狀態(tài)下工作，從而在不損失能量的情況下導電。

磁鐵引導質(zhì)子在 17 英里的回路中運動，強大的無線電頻率使質(zhì)子加速到接近光速，并以每秒 11,000 次的速度將它們射入 LHC 的回路中。粒子束相交于加速器上的四個碰撞點，這也是大型強子對撞機四個主要粒子探測器的所在地。

無線電頻率還使得質(zhì)子以 12 英寸長、1 毫米寬的束狀傳播。由于質(zhì)子過于微小，大多數(shù)質(zhì)子都能毫發(fā)無損地通過碰撞點，但質(zhì)子數(shù)量眾多，每秒仍能產(chǎn)生多達 10 億次的碰撞（這些碰撞需要產(chǎn)生能被捕捉并處理的數(shù)據(jù)）。

由于處理這些數(shù)據(jù)需要巨大的計算能力，科學家們決定加大賭注，增加光束強度，以提升碰撞發(fā)生幾率。仍然以網(wǎng)球作比喻的話，這就仿佛將所發(fā)射的網(wǎng)球聚得更近，更密集的球簇會增加兩組球在中間相遇時正面碰撞的概率。

CERN 升級后的高亮度大型強子對撞機將于 2026 年左右投入使用，屆時其粒子束的強度將提高 5 倍。技術(shù)需求頗為驚人，每次碰撞都將產(chǎn)生 1 MB 的數(shù)據(jù)。如今，大型強子對撞機已在實驗中產(chǎn)生了每秒約 1 PB 的數(shù)據(jù)，相當于 2000 多年的音頻數(shù)據(jù)量之和。

“數(shù)據(jù)會更加龐大，更加擁擠，更加復雜，”Pierini 說?！皵?shù)據(jù)的實時處理將造成巨大的挑戰(zhàn)。”

數(shù)據(jù)管道

美光 SB-852 電路板有助于解決數(shù)據(jù)處理的燃眉之急。該電路板以 512GB 的頂級 DDR4 DRAM 和 2GB 的混合存儲立方體為驅(qū)動，目前正在大型強子對撞機四個主要實驗之一的CMS（Compact Muon Solenoid）中進行測試，以進一步提高機器學習能力；而結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的美光內(nèi)存解決方案將在實驗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進行測試。在 CERN 工作的科學家們正在尋找能夠支持他們的實驗計算和數(shù)據(jù)處理要求的前沿技術(shù)。內(nèi)存有利于研究人員進行大量實驗數(shù)據(jù)的處理并從中收獲真知灼見，因而在實驗研究中至關(guān)重要。

“這是一個奇怪的電路板，”Hur 用非專業(yè)術(shù)語來形容 SB-852 電路板。該電路板擁有處理數(shù)據(jù)的“咀嚼肌”，能識別并篩選出對科學家重要或有趣的數(shù)據(jù)。

“一旦發(fā)生碰撞，電路板就能攝入大量數(shù)據(jù)，隨后內(nèi)部運行的機器學習就會利用內(nèi)存下達指令：‘這是我們前所未聞的東西，我們應(yīng)當關(guān)注它們?！盚ur 說道。

深度學習

Pierini 說道：“對大型強子對撞機中的每一次碰撞都進行分析并不現(xiàn)實，因為碰撞十分頻繁且數(shù)量龐大，以至于會將數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)卡住?！?/p>

大多數(shù)碰撞中會產(chǎn)生我們已經(jīng)非常了解的更加細微的粒子。據(jù) Pierini 所言，CERN 的秘訣是通過算法讀取粒子軌跡，丟棄無用且無趣的數(shù)據(jù)。

CERN 可能已經(jīng)建立了世界上最精確的粒子碰撞預測模型，它利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)，過濾掉大部分無用的數(shù)據(jù)。到目前為止，CERN 一直依靠預測模型來預估他們期望中亞原子粒子的行為，并訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來探尋預期行為。

“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對此非常擅長，就如同區(qū)分圖片中的貓和狗一樣?！盤ierini 說道。

無心插柳柳成蔭，一些偉大的科學發(fā)現(xiàn)往往來源于意想不到的結(jié)果，正如 1964 年探測到的宇宙微波背景輻射恰好為大爆炸理論提供了關(guān)鍵證據(jù)，而 CERN 的研究人員都努力避免遺漏任何有趣的東西。

正因如此，CERN 的研究人員需要更先進的人工智能，能使得他們從數(shù)據(jù)中挑選出不可預見的事件。美光電路板正是因為能夠突出不同尋常的數(shù)據(jù)，從而幫助研究人員達成那些無法預測的結(jié)果。

“我們正在開發(fā)一種用于學習標準模型的算法，使我們能夠通過推理，在一百萬件事件中標記出我們本應(yīng)保留但卻往往無視的那件怪事，” Pierini 說。

尋找幽靈粒子

除上帝粒子之外，還有一種大有可為卻神秘莫測的粒子令粒子物理學研究者們魂牽夢繞。與電子相近但無電荷的中微子，幾乎沒有質(zhì)量，也很少與正常物質(zhì)反應(yīng)，這使得它尤其難以觀測。通過與CERN的合作，美光還參與了另一項檢測中微子的大型實驗。該實驗將在美國進行，由費米國立加速器實驗室（Fermilab）主導。

中微子被稱為“幽靈粒子”， 在已知粒子中，它數(shù)量較多，卻也最小、最難以捉摸。物理學家們知道中微子的存在，但對它們的行為卻知之甚少。中微子研究的突破可能會解決一些有關(guān)宇宙形成的科學難題，其中包括對大爆炸之后的物質(zhì)形成進行解釋。

簡而言之，解開中微子之謎可能有助于解釋我們存在的原因。

中微子符合物理學家所說的標準模型，該模型描述了物質(zhì)的基本構(gòu)造要素。但是最近一項諾貝爾獎的發(fā)現(xiàn)證實了另一種說法：中微子并不含有質(zhì)量。人們不禁產(chǎn)生好奇，對于幽靈粒子的深入理解還將解開哪些未知的謎團。

對于物理學家而言，這種猜想令人振奮。

“中微子是一種難以捉摸的奇特粒子，其間可能隱藏著許多秘密，”Pierini說道?！爸庇X告訴我們中微子質(zhì)量肯定來自某種新的物理學，否則無人能對其作出解釋?！?/p>

CERN 所屬的國際聯(lián)盟致力于創(chuàng)建人類史上最大的中微子探測項目，即“地下中微子深實驗”（DUNE）。這項實驗含有兩個美國中微子探測器，其中一個在南達科塔州的 Lead 市。工作人員將從Lead一個廢棄金礦的豎井里挖出 800,000 噸巖石， 從而為 40,000 噸液態(tài)氬騰出空間。

芝加哥城外 800 英里的費米實驗室內(nèi)，一束中微子將從一臺粒子發(fā)生器中發(fā)射而出，穿過地表到達探測室，其路徑將通過精確的技術(shù)繪制，實驗產(chǎn)生的圖像有助于了解中微子的行為。這次大規(guī)模的合作中囊括了來自世界各地 175 個研究機構(gòu)的 1,000 多名研究人員，他們將與 DUNE 共同解開中微子之謎。

探尋中微子的軌跡

DUNE 實驗中產(chǎn)生了與大型強子對撞機中全然不同的數(shù)據(jù)困境。鑒于大型強子對撞機中粒子碰撞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模之大，研究人員需要對其進行過濾，而中微子又鮮少與物質(zhì)發(fā)生相互作用，這意味著它們更難以在 DUNE 的坑洞中被探測到。

Pierini 說，DUNE 實驗中的挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)而變成了壓縮和存儲腔室的 3D 傳感器陣列檢測到的每個微中子產(chǎn)生的數(shù)據(jù)字節(jié)。作為提供必要的計算能力的一種途徑，與先前實驗中相同的美光 SB-852 電路板在 CERN 建造的這些腔室的原型中進行測試。它們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還將推斷數(shù)據(jù)以找出其他線索，并幫助研究人員識別衰變的中微子。

“（目標是）開發(fā)一種快速的數(shù)據(jù)處理算法，這種算法能從局部到整體來觀察事件，” Pierini說。

南達科他州的項目去年破土動工，計劃于 2026 年開始 DUNE 實驗。

也許在 140 億年之后，中微子的窘境將不復存在。

理想型合作伙伴

CERN 一直以與美光的合作引以為豪。

CERN 通過其開放數(shù)據(jù)門戶共享實驗數(shù)據(jù)。研究人員現(xiàn)在可以依其需求，訪問或使用包含在數(shù)據(jù)集、軟件、環(huán)境和科學文檔中的超過 1 PB 的信息。CERN 通過構(gòu)建自己的系統(tǒng)來展示他們對開源數(shù)據(jù)和軟件的貢獻，以便其數(shù)據(jù)能夠盡可能廣泛地擴散。

秉持類似的道德規(guī)范，CERN 通過一個名為CERN openlab的公私合作平臺，與其他頂尖的領(lǐng)域研究機構(gòu)和技術(shù)公司進行合作。

除了美光之外，CERN openlab 的合作伙伴還包括 10 家世界前沿技術(shù)公司和9家前沿研究機構(gòu)。

“CERN 公開與公私部門協(xié)作，并與美光這樣的技術(shù)伙伴建立合作關(guān)系，這能夠確保研究界的成員獲取創(chuàng)新性工作所需的先進計算技術(shù)，”CERN openlab 首席技術(shù)官 Maria Girone表示。

Hur 表示，與 CERN 的合作反映了內(nèi)存在科學領(lǐng)域和更大的技術(shù)社區(qū)方面日趨增加的重要性。

“當我回首往事，相較最為重要的服務(wù)器和處理器，內(nèi)存總是顯得毫不起眼，” Hur 說?！艾F(xiàn)在每個人都意識到服務(wù)器正在經(jīng)歷時鐘頻率的瓶頸，所有這些應(yīng)用程序都將以內(nèi)存為主導。”