Rischi di programmi software obsoleti nella fisica delle particelle critiche

Recentemente, ho guardato Un collega fisico delle particelle ha riferito di un calcolo che lo ha spinto a un nuovo livello di precisione. il suo strumento? Un programma per computer degli anni ’80 chiamato FORM.

I fisici delle particelle usano alcune delle equazioni più lunghe della scienza. Per cercare segni di nuove particelle elementari nelle collisioni al Large Hadron Collider, ad esempio, disegnano migliaia di immagini chiamate diagrammi di Feynman che descrivono i possibili esiti delle collisioni, ciascuna delle quali codifica una formula complessa che può essere espressa in milioni di termini. È impossibile compilare formule come questa con carta e penna; Anche aggiungerli con i computer è una sfida. Le regole dell’algebra che impariamo a scuola sono abbastanza veloci per i compiti, ma per la fisica delle particelle sono del tutto inefficaci.

I programmi chiamati sistemi di computer algebra cercano di gestire questi compiti. E se vuoi risolvere le equazioni più grandi del mondo, un programma si distingue da 33 anni: FORM.

Sviluppato da un fisico delle particelle olandese Joss Vermaseren, FORM è una parte essenziale dell’infrastruttura della fisica delle particelle ed è essenziale per i calcoli più difficili. Tuttavia, come per molte parti essenziali dell’infrastruttura digitale, la manutenzione di FORM dipende in gran parte da una sola persona: lo stesso Vermaseren. E all’età di 73 anni, iniziò a ritirarsi dallo sviluppo di FORM. A causa della struttura degli incentivi nel mondo accademico, che premia gli articoli pubblicati, non gli strumenti software, non è emerso alcun successore. Se la situazione non cambia, la fisica delle particelle potrebbe dover rallentare drasticamente.

FORM ha avuto inizio a metà degli anni ’80, quando il ruolo dei computer stava cambiando rapidamente. Il suo predecessore, un programma chiamato Schoonschip, creato da Martinus Veltman, è stato rilasciato come un chip specializzato che hai inserito nel lato di un computer Atari. Vermaseren voleva realizzare un programma accessibile che potesse essere scaricato dalle università di tutto il mondo. Ha iniziato a programmarlo nel linguaggio informatico FORTRAN, che sta per Formula Translate. Il nome FORM era un clamore al riguardo. (In seguito è passato a un linguaggio di programmazione chiamato C.) Vermaseren ha rilasciato il suo software nel 1989. All’inizio degli anni ’90, più di 200 organizzazioni in tutto il mondo lo avevano scaricato e il numero continuava a salire.

Dal 2000, un documento di fisica delle particelle che cita FORM è stato pubblicato in media ogni pochi giorni. “più di [high-precision] I risultati che il nostro gruppo ha ottenuto negli ultimi 20 anni sono stati molto dipendenti dal codice FORM”. Tommaso TedescoProfessore all’Università di Zurigo.

Parte della popolarità di FORM deriva da algoritmi specializzati creati nel corso degli anni, come un trucco per moltiplicare rapidamente alcune parti di un diagramma di Feynman e una procedura per riorganizzare le equazioni per avere il minor numero possibile di moltiplicazioni e addizioni. Ma la caratteristica più antica e potente di FORM è il modo in cui gestisce la memoria.

Proprio come gli esseri umani hanno due tipi di memoria, a breve ea lungo termine, i computer ne hanno due: memoria principale ed esterna. La memoria principale, la RAM del tuo computer, è di facile accesso mentre sei in movimento ma è di dimensioni limitate. I dispositivi di memoria esterni come i dischi rigidi e le unità a stato solido contengono molte più informazioni ma sono più lenti. Per risolvere una lunga equazione, devi memorizzarla nella memoria principale in modo da poterla gestire facilmente.

Negli anni ’80, entrambi i tipi di memoria avevano dei limiti. Ha detto che “FORM è stato creato in un momento in cui non c’era quasi memoria, e nemmeno spazio su disco – praticamente non c’era nulla” Ben Roegel, un ex studente dello sviluppatore di Vermaseren e sviluppatore FORM ed è ora ricercatore post-dottorato presso l’Istituto federale svizzero di tecnologia di Zurigo. Ciò rappresentava una sfida: le equazioni erano troppo lunghe per essere gestite dalla memoria principale. Per tenere conto di uno, il tuo sistema operativo deve trattare anche il tuo disco rigido come se fosse la memoria principale. Il sistema operativo, non sapendo quale equazione dimensionale aspettarsi, memorizzerebbe i dati in un insieme di “pagine” sul disco rigido, scambiandole con la frequenza necessaria per i diversi pezzi – un processo inefficiente chiamato swap.

FORM esegue l’override di swap e utilizza il proprio metodo. Quando si lavora con una formula in FORM, il programma alloca una quantità fissa di spazio sul disco fisso per ogni termine. Questa tecnologia consente al programma di tracciare più facilmente dove si trovano le parti dell’equazione. Inoltre, semplifica il reinserimento di questi blocchi nella memoria principale quando ne hai bisogno senza accedere al resto.

La memoria è cresciuta dai primi giorni di FORM, da 128 KB di RAM nell’Atari 130XE nel 1985 a 128 GB di RAM nell’ottimizzazione desktop: un miglioramento di un milione di volte. Ma i trucchi sviluppati da Vermaseren sono ancora cruciali. Mentre i fisici delle particelle setacciano petabyte di dati dal Large Hadron Collider per cercare prove di nuove particelle, il loro bisogno di precisione, e quindi la lunghezza delle loro equazioni, cresce.