聊聊2013年诺贝尔物理学奖授，希格斯玻色子与赛灵思FPGA
发布者：jackzhang
时间：2013-10-13 12:21:40
北京时间10月8日，备受关注的2013年诺贝尔物理学奖授予彼得·W·希格斯(Peter W. Higgs) 和弗朗索瓦·恩格勒(Fran·ois Englert)，以表彰他们对希格斯玻色子(又称“上帝粒子”)所做的预测。希格斯粒子是一种亚原子粒子，也就是说，理论上认为它应当是构成宇宙的最基本组成部件之一。但是它仍然有待实验观测证实。科学家们提出的物理学标准模型预言了这种粒子的存在，其作用是解释为何其它粒子会拥有质量。这和赛灵思FPGA有什么关系？这里说说它们的联系。
希格斯玻色子 （Higgs boson），又称上帝粒子（God particle），是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。它是标准模型中最后一种未被发现的粒子。它可以帮助解析为何其它粒子会有质量。 2011年12月13日，欧洲核子研究中心科学家宣布，他们发现了希格斯玻色子存在的迹象。但经考虑实验其它误差后，宣布实验结果无效。2012年7月4日科学家宣布发现了一个新粒子，与希格斯玻色子特征有吻合之处。
科学家如何发现了希格斯玻色子？他们是靠巨大的欧洲核子中心大型强子对撞机（LHC）找寻希格斯玻色子的，而在这个LHC上，就大量使用了赛灵思的FPGA，最早使用的是赛灵思的virtex-4系列FPGA，用了120片，做算法处理，后来也逐渐升级到6系列，7系列FPGA。貌似使用的赛灵思virtex-7系列FPGA，属于高性能系列代号是XC7VX485T。
LHC上使用的virtex-7 FPGA
大型强子对撞机,这个地下圆环修建在日内瓦近郊的乡村。你可以把它看成科学史上尺寸最大、功能最强的显微镜。它将赋予我们前所未有的能力，探究发生在迄今为止距离最短（小到1纳纳米，即百亿亿分之一米）、能量最高状态下的物理过程。十多年来，粒子物理学家一直热切期盼着这样一个机会，去探索所谓“万亿能标”下的物理世界，因为其中的物理过程涉及的能量高达1万亿电子伏特。科学家预期，一些意义重大的全新物理现象，将在万亿能标中显现出来，比如难以捉摸的希格斯粒子（Higgs particle，科学家相信这种粒子给其他粒子赋予了质量）和暗物质粒子（这种粒子构成了暗物质，是宇宙中物质的主要组成成分）。
欧洲大型强子对撞机所在区域
大型强子对撞机内部构造 超级机器
只要它开始运行，就将产生出能量比以前高得多的质子束流。它的大约7,000 块磁铁被液氦冷却到2K以下，维持在超导状态运行，引导并聚焦着两个质子束流。质子束流的速度可达光速的99.9999991%。每个质子携带的能量将达到7万亿电子伏特，相当于质子静止质量所含能量的7,000倍（参照爱因斯坦质能公式E = mc2）。目前的最高能量记录保持者，是美国费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，位于伊利诺伊州巴达维亚市）的万亿电子伏特正负质子对撞机（Tevatron），而LHC产生的质子能量将是该记录的7倍。而且，根据设计参数，LHC产生的束流强度（也称亮度），将是万亿电子伏特正负质子对撞机束流的40倍。当LHC以最高能量状态满负荷运转时，在巨型圆环中绕行的所有粒子携带的总能量，大约相当于900辆时速100千米的小轿车所具有的总动能——如果用这些能量烧水的话，足可以冲出2,000升咖啡,轨道全功率的总能量可达350 MJ，该能量可供400 吨火车以150 km/h 时速行进，或可熔化500 公斤的纯铜。
这些质子会分布在大约3,000个束团之中，沿着周长27千米的对撞机圆环运转。每个束团由多达1,000亿个质子组成，但在对撞点上，束团的尺寸只有银针大小：长不过几厘米，粗细仅有16微米（大约相当于最细的头发丝）。在圆环的四个对撞点上，这些银针一根接一根通过，每秒钟发生6亿多次粒子对撞。物理学家把对撞称为事例（event），这些对撞其实并不是质子与质子相撞，而是构成质子的更小粒子——夸克（quark）和胶子（gluon）之间的碰撞。最激烈的对撞将释放出大约2万亿电子伏特的能量，相当于相撞质子所携带能量的1/7。（由于相同的原因，尽管万亿电子伏特正负质子对撞机中运行的质子和反质子的能量可以达到1万亿电子伏特，但它们的能量还要再提高5倍，才能跨进万亿能标的门槛。）
四个巨型探测器建造在圆环的四个对撞点周围，最大的一个，能填满半个巴黎圣母院；最重的一个所用的铁，比埃菲尔铁塔还多。这些探测器将记录并测量每次对撞产生出的上千个粒子。尽管这些探测器尺寸巨大，安装精度却要求极高，一些部件必须定位在50微米的精度以内。
在两个最大的探测器中，每一个都拥有近1亿条数据流，每秒钟产生的数据能够写满10万张光盘——只需要6个月的时间，这些光盘就可以从地球堆到月球。因此，这些实验不会去记录所有的数据，而是设计了所谓的触发系统（trigger）和数据获取系统（data-acquisition）。这些系统就像垃圾邮件过滤器一样，每秒只筛选出100个看起来最有价值的事例，将它们的数据传送到CERN的LHC中央计算系统，以备存档和事后分析之用。
欧洲原子能研究中心是LHC的所在地。在那里，上千台计算机组成的计算集群，把过滤后的原始数据转化为更加紧凑的格式，供物理学家筛选研究。物理学家将通过一种所谓的“网格网络”（grid network）分析这些数据。这种网络由世界各地研究机构的数万台PC机组成，它们先连接到亚洲、欧洲和北美洲的12个大型网络集线中心，再通过专用光缆连接到CERN。
处理海量数据
当LHC在设计亮度下运行时，两个银针一样的质子束团相遇，将产生大约20次对撞事例。两次束团相遇的时间间隔仅为25纳秒，前一次束团相遇时向外喷射的粒子还来不及离开探测器外层，后一次束团相遇事件就已经发生了。位于探测器不同层中的元件，能够对穿过该元件的一些特定粒子作出特有的响应。每个事例都将产生大约1兆字节（MB）的数据，两秒钟就是1皮字节（PB，相当于10亿MB），这些数据流将通过上百万条通讯信道传送出来。
拥有多个级别的触发系统会把洪水般的数据减少到可以控制的程度。初级触发将收集和分析探测器中部分子系统的数据，根据一些独立要素挑选出其中最有价值的事例。比如，如果一个高能μ子的飞行径迹与束流轴的夹角偏大，这个事例就会被选中。这个所谓的“初级触发”由嵌合在硬件中的数百个专用计算机逻辑模块控制，每秒钟筛选出10万个束团的数据，供下一阶段的高级触发系统作进一步分析。
与初级触发不同的是，高级触发系统将收集探测器上数百万个信道传出的所有数据。该系统的软件运行在计算机集群上，对于初级触发筛选通过的每个束团，高级触发系统平均拥有10微秒的处理时间，足够去“重建”每一个事例。所谓“重建”，就是找出事例中所有粒子径迹的共同起点，并完整描述每个粒子的性质，包括它的能量、动量和轨迹等。
高级触发系统每秒钟将筛选出100个事例，上传给LHC的全球计算资源网络——LHC计算网格（LHC Computing Grid）的集线中心。网格系统能够综合利用网络上所有计算中心的处理能力。用户只须从当地研究所登录网格，即可利用网格的处理能力进行数据分析。
LHC计算网格可分为好几层。第零层就设在CERN，主要由上千台市面上可以买到的计算机处理器构成，既有PC台式机，也有最新推出的比萨饼盒大小的黑色“刀片”服务器，它们都被堆放在一排排架子上。CERN还在订购更多的计算机，不断添加到这个网格系统之中。为了最有效地利用资金，CERN负责人与许多家庭计算机用户一样，不会购买最新、最强的计算机，而是追寻最佳性价比。
LHC上四个探测器的数据获取系统会把数据传送到第零层上，这些数据将被保存在磁带上。在这个DVD刻录机和闪存早已普及的年代，仍然用磁带保存数据似乎有些过时和落后，但CERN计算中心的弗朗索瓦·格雷（Francois Grey）说，这是性价比最高、安全性最高的方式。
一旦开始运行，LHC将不断产生海量数据。CREN的数千台服务器被链接在一起，提供了管理这些数据所需的强大计算能力。
赛灵思 FPGA的作用
从上述介绍可以知道，LHC需要对海量的数据进行实时分析，这个用软件难以实现，只有通过FPGA的硬件来实现才有可能，LHC中最早采用的是virtex-4 FPGA ，所有XC4VFX100器件同时独立完成第一级数据压缩，迅速处理并分类轨迹数据。总数据速率高达2.7Tbs/s的数据通过总共120片赛灵思FPGA进行处理 。
当反向强子束以极高速度相撞时将会产生大量亚原子粒子。为监视撞击生成的大量粒子，ALICE实验中将利用特殊的光子探测器以亚毫米精度来测量每次撞击产生的数以千万计的粒子的轨迹位置。转换辐射探测器(TRD)拥有120万个模拟探头。系统将每个模拟信号转换为一个10MHz 10位数据流。540个单个探测器组合为18个超级模块。这些单个模拟信号利用67000个前端芯片进行预处理。这样，生成的原始数据流达每秒120Tbits。系统对数据进行预处理和压缩后通过1080个光学链路发送出去。每条链路的数据速率达2.5 Gbps。这些光缆连接到载有90个轨迹匹配单元(TMU)卡的机架。每块卡有12个光电转换器，分别连接到一片赛灵思Virtex-4 FPGA的12个MGT收发器输入。所有XC4VFXl00器件同时独立完成第一级数据压缩，并迅速处理并分类轨迹数据。总数据速率达2.7 Tbits/s的数据由120片赛灵思FPGA共同完成，其电90片FPGA在TMU机架上。ALICE设计人员将剩余的30片FPGA以树形结构连接到更高级模块。在树形结构顶端的FPGA完成最终的触发决策(捕捉重要内容并过滤冗余信息)。FPGA实现的强大算法帮助去除重复的冗余数据或不重要的数据，因此整个系统能够在一毫秒内适配和选择2000多个轨迹参数，同时避免了CERN数据处理和存储系统的信息过载。每片XC4VFX100 FPGA集成有两个IBM PowerPC微处理器，其中一个运行Linux操作系统来完成系统验证和内部管理。
随着赛灵思不断推出更高阶的产品，对撞机应用的FPGA也逐渐升级，从最早的virtex-4升级到virtex-5 、virtex-7。关于FPGA的具体应用，有兴趣的同学可以看看附件中的PDF文档，有详细解释。对LHC有兴趣的同学还可以看看《LHC设计揭秘》，因为文件太大，传不上来，有兴趣的可以留下邮箱我发给你。
另外，需要指出，这个对撞机中还采用了10万片ADI的数模转换器。具体型号为 ADI 公司的 AD9042 高速、低功耗12位ADC。此外，LHC也采用了NI公司的 LabVIEW、 LabVIEW实时 模块、 LabVIEW FPGA模块、 NI SoftMotion 软件及PXI总线的 NI R系列可重新 配置I/O硬件等。
为何这一粒子如此重要？
希格斯场赋予整个宇宙中其它粒子以质量的方式可以用游泳者在水池中受到的水的阻力来做比喻。如果粒子没有质量，它们便可以在宇宙中以光速前进，因为质量的本质便是对物体改变其速度的制约性。
这种粒子最早是什么时候被提出来的？
有关这一粒子的理论最早是在1964年由6位物理学家共同提出来的，其中就包括英国爱丁堡的皮特•希格斯(Peter Higgs)教授。他们当时提出这一粒子的目的就是为了解释质量的起源。理论上，这一粒子的存在将正好补全描述整个宇宙如何运行的物理学标准模型的缺陷，因此它便显得尤其重要。
寻找希格斯的工作早在上世纪90年代的LEP对撞机上就开始了。LEP似乎看到了希格斯的小尾巴， 可惜LEP对撞机由于要让位于LHC的修建而过早关闭了，从此便与希格斯擦肩而过(现在看来，LEP的能量再提升一点就有能力看到希格斯了)。接下来前赴后继的是美国费米实验室的Tevatron对撞机，这一领世界风骚近20年的对撞机也对希格斯进行了大力追捕，也模模糊糊看到了希格斯的娇容，可惜这一对撞机正值壮年就被关闭了(被关闭的原因是在能量和亮度两方面都竞争不过欧洲人的LHC对撞机)。
其实在LHC建造之前，美国人已经开始建造超级超导对撞机SSC，按照设计它将是真正的巨无霸对撞机，其能量比LHC还要高3倍，目标也是寻找 希格斯。可惜，SSC由于花费惊人(被称为“吞噬金钱的无底洞”)而被美国国会终止了，已经挖好的地洞也被填平(很多第三世界国家的人为此叹息，这些花巨 资挖的地道可以作防空洞或地道战用啊)。
但是，欧洲人并没有因此而停顿建造LHC的步伐，欧共体成员国共同出钱如期完成了LHC工程(世界上其他大国包括中国在内，也不同程度地出了钱)。LHC对撞机是人类历史上投资最大的科学研究机器，造价高达100亿美元，这一人类历史上最高能量对撞机的主要目标就是寻找上帝粒子——希格斯。由于LHC涉及到几十个国家和几百个大学，它的发言人在7月4日的发布会做最后总结时说，LHC是全球的力量、全球的成功。
