Новый проект ЦЕРН меняет представление о производительности и устойчивости

Проект Эффективный ускоритель частиц, EPA, — это новаторская инициатива, направленная на революцию в работе ускорителей частиц в ЦЕРНе.

В связи с предстоящим переходом Большого адронного коллайдера на стадию высокой светимости проект EPA направлен на повышение общей эффективности не только БАК, но и будущих ускорителей. Сосредоточившись на повышении производительности, гибкости, воспроизводимости и устойчивости, проект позиционирует себя как важнейший проект для следующего поколения исследований в области физики частиц.

По мере того как ЦЕРН преодолевает проблемы, связанные с потреблением энергии и сложными операционными требованиями, интеграция инновационных технологий, таких как автоматизация, искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (МЛ), приобретает первостепенное значение.

Чтобы узнать больше, «Инновационная платформа» побеседовала с Вереной Кайн, руководителем проекта EPA, и выяснила цели проекта, основания для его создания и инновационные стратегии, используемые для достижения амбициозных целей.

Основные цели и задачи проекта

Проект «Эффективный ускоритель частиц» (EPA) направлен на повышение эффективности ускорителей частиц, в частности, ускорителей в ЦЕРНе. Этот проект послужит образцом для будущих ускорителей, направленных на повышение производительности, гибкости, воспроизводимости и устойчивости, и все это в рамках повышения эффективности оборудования.

Как и почему возник этот проект

Основным катализатором стал другой проект — модернизация инжекторов БАК (LHC Injectors Upgrade, LIU). Завершение работы БАК запланировано на 2026 год, после чего он будет модернизирован и превратится в БАК высокой светимости (HL-LHC), что станет следующим и последним этапом развития ускорителя БАК.

Модернизация инжекторов БАК, в которой будут задействованы шесть ускорителей частиц, необходима для повышения яркости инжектируемых пучков. Проект LIU привел к проведению серии семинаров, на которых ученые впервые после установки БАК пересмотрели реальные показатели производительности других установок. Стало очевидно, что, несмотря на адекватное функционирование установок, существует значительный потенциал для их улучшения.

В 2022 году, в условиях энергетического кризиса, были проведены семинары по оценке энергопотребления установок. Выяснилось, что меры по снижению гистерезиса в магнитах с преобладанием железа оказывают значительное влияние на энергопотребление и даже не компенсируют его полностью. Гистерезис означает, что поля в магнитах, используемых для насыщения, зависят не только от тока, подаваемого источником питания, но и от истории циклов, то есть от того, какие поля магнит использовал до этого.

Одна из обычно используемых мер по снижению напряженности — жесткое ограничение циклов или программ, которые могут воспроизводиться один за другим. В результате значительно снижается гибкость. Другая энергозатратная мера — полное воспроизведение определенных циклов, даже если пучок не может быть введен, чтобы обеспечить воспроизводимость полей.

Автоматизация важна для повышения эффективности ускорителей частиц

Основное внимание уделяется максимальному сохранению оборудования, например, магнитов и ВЧ-резонаторов, и стремлению использовать программное обеспечение для автоматизации процессов.

Текущая работа оборудования рассчитана на принятие решений человеком, за исключением сценариев реального времени, требующих принятия решений в доли секунды. Системы обратной связи и электроника в реальном времени уже давно автоматизированы, но есть проблемы с автоматизацией более медленных систем управления или процессов, в которых участвует человек.

Хотя существующая система работает, она может оказаться непригодной для тех масштабов машин, с которыми ученые будут иметь дело в будущем. Обучение операторов может быть довольно длительным, поскольку они должны научиться обращаться с огромным количеством компонентов ускорителей. Несмотря на попытки упростить этот процесс с помощью слоев абстракции, задача остается сложной.

Кроме того, операторы различаются по набору навыков и опыту, что приводит к разным срокам и результатам ремонта. Возможность того, что машины будут автономно управлять некоторыми задачами одновременно, может значительно повысить эффективность, а внимание оператора будет направлено на принятие более абстрактных решений.

ИИ и ОД приобретают все большее значение в различных областях, в том числе и в ЦЕРНе. Например, БАК, самая большая и сложная машина в ЦЕРН, требует минимального вмешательства человека благодаря своей продвинутой автоматизации. Однако она все еще нуждается в человеческом контроле, поскольку не является полностью автономной.

Традиционная автоматизация требует знания системы и умения выразить ее символически. ML и AI устраняют это ограничение, поскольку эти технологии могут анализировать большие объемы данных и выявлять закономерности в различных структурах данных без дополнительного ввода параметрических отношений данных.

Например, описать символически то, что видно на изображении, может быть довольно сложно. ИИ способен решить эту задачу, компьютерное зрение, без необходимости определять правила. Эта возможность дает значительное преимущество при изучении паттернов или отображений, которые ранее было сложно точно представить в письменной или устной форме.

Инновационные подходы по повышению эффективности

ИИ используется для решения задач, для которых нет традиционных решений. Чтобы поддержать это, ученые разрабатывают требования к инфраструктуре и план интеллектуального оборудования для научных лабораторий в целом, чтобы облегчить усилия в области ИИ. Цель состоит в том, чтобы разработать ускорители, готовые к использованию ИИ, путем предоставления иерархических строительных блоков в рамках целостной системы. Например, ученые в основном используют Python для программирования, но не хотят разбираться во всех тонкостях базовой инфраструктуры управления.

Для решения этой проблемы будут разработаны системы, скрывающие сложность инфраструктуры управления и позволяющие интегрировать передовые алгоритмы искусственного интеллекта и другие алгоритмы. Кроме того, будет реализована система совместного использования графических процессоров для обеспечения легкого доступа к вычислительным ресурсам без необходимости их индивидуальной покупки. Следующее поколение оборудования будет (более) автономным. Идея состоит в том, чтобы конечный ускоритель стал ансамблем иерархических автономных систем. Распределение информации также будет пересмотрено.

Ключевые проблемы на пути повышения эффективности

Многие из задач, решаемых здесь, в ЦЕРНе, никогда ранее не пытались решить. Хотя существуют технические препятствия, они не являются непреодолимыми.

В течение некоторого времени самой большой проблемой было убедить людей в необходимости повышения эффективности. Ускорители работают уже довольно давно, и люди скептически относились и, возможно, до сих пор относятся к возможностям улучшения и выгоде инвестирования в такой проект.

Однако после того, как представили проект и продемонстрировали минимальные первоначальные инвестиции, необходимые для первого шага, эти аргументы перестали быть весомыми. Более того, люди уже предвкушают результаты. Согласно графику, значительные результаты по нескольким пакетам работ должны быть очевидны к концу следующего года.

Кроме того, весь проект ограничен по времени — на его завершение отводится всего пять лет. Это придает проекту дополнительную сложность и интерес, поэтому следует сохранять концентрацию и не сбиваться с пути.

Насколько важно сотрудничество для проекта

Девять рабочих пакетов могут показаться отдельными, но все они очень сильно взаимосвязаны. Для успеха любого из них необходимо, чтобы все они процветали. Сотрудничество необходимо с самого начала для определения требований, и каждый должен внести свой вклад в определение необходимой инфраструктуры и ожидаемых результатов. Хотя такой уровень сотрудничества может быть нетипичным, он имеет решающее значение. В проекте есть инфраструктурные проекты и рабочие пакеты, которые реализуют решения в ускорителях для решения конкретных задач, но при этом функционируют как одна команда.

Влияние на область физики частиц и дальнейшие шаги

Идея этого проекта возникла на основе анализа существующих ускорителей и подготовки к их будущему. Цель состоит в том, чтобы разработать модель эксплуатации будущих ускорителей. Команда тесно сотрудничает с группой, работающей над исследованием будущего кругового коллайдера (FCC) в ЦЕРНе, который, как предполагается, будет иметь почти 100-километровую окружность.

Нынешняя обычная модель не будет приемлемой для FCC. Поэтому без инноваций не обойтись. Проект направлен на создание новой модели эксплуатации и обслуживания для будущих ускорителей, чтобы установить новый стандарт эффективности и устойчивости, а также набор руководящих принципов для самоподдерживающихся систем.

Ранее ученые предложили улучшенную модель калибровки светимости Большого адронного коллайдера.

22.01.2025