Vintage SLAC acceleratorsoftware spreder sine vinger

Banebrydende software kaldet ACE3P blev udviklet for næsten et kvart århundrede siden for at finjustere designet af partikelacceleratorer og deres komponenter. Nu bliver dens seneste inkarnation tilpasset til videnskabelig supercomputing og produktionsdesign, takket være partnerskaber mellem to virksomheder og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory.

Samarbejdet er en del af et energiafdelingsprogram kaldet Small Business Innovation Research eller SBIR, der er designet til at være en win-win for både laboratoriet og samfundet som helhed, sagde Matt Garrett, SLAC's direktør for teknologioverførsel og private partnerskaber.

"I disse SBIR-projekter går teknologi, der er udviklet af laboratorierne og forfinet af vores industrielle partnere, ud i samfundet til bred brug og kommer derefter tilbage til os for at fremme de faciliteter, der er en afgørende del af SLAC-drift," sagde Garrett.

Ved at hjælpe virksomheder med at fremme deres teknologier og opbygge markeder, tilføjede han, skaber programmet også nye indenlandske forsyningskæder til ting, som laboratoriet – og i nogle tilfælde det bredere samfund – har brug for.

ACE3P blev udviklet hos SLAC for omkring to årtier siden til fremstilling af virtuelle prototyper af partikelacceleratorkomponenter, der vil fungere i det virkelige liv, og det er stadig meget brugt. ACE3P står for Advanced Computational Electromagnetics 3D Parallel, hvilket afspejler det faktum, at det tillader 3D-simuleringer med høj kvalitet at køre på tusindvis af computerbehandlingsenheder på én gang, så forskere kan løse store, komplekse problemer hurtigere.

I de senere år har ACE3P forgrenet sig for at hjælpe forskere på universiteter og i industrien med at udføre simuleringer på andre områder, herunder telekommunikation og elektromagnetisk modellering af den menneskelige krop, sagde Cho-Kuen Ng, en ledende videnskabsmand ved SLAC, som hjalp med at udvikle ACE3P.

I dag arbejder SLAC med to New York-virksomheder – Kitware og Simmetrix – for at udvide ACE3P's rækkevidde. Målet er at gøre det meget lettere for forskere at bruge DOE-supercomputere og at bestemme den ideelle form for acceleratorkomponenter med designprocesser, der kan anvendes på "næsten alt," siger Simmetrix CEO Mark Beall - fra flyvinger til mobiltelefonbatterier og sprøjtestøbeforme til legetøj.

Supercomputing gjort enklere

SLAC's arbejde med Kitware går tilbage til 2015. Virksomheden skaber open source softwareplatforme og tilpasser dem til behovene hos specifikke virksomheder og offentlige myndigheder; denne sidste del er, hvordan den tjener penge på sine frit tilgængelige produkter.

I sit nuværende projekt med SLAC integrerer virksomheden en af ​​sine open source-platforme, Computational Model Builder, i ACE3P-softwaren, der allerede er på plads på DOE's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ved Lawrence Berkeley National Laboratory.

Omkring 8.000 DOE-finansierede forskere bruger NERSC til at udføre uklassificeret forskning om en bred vifte af emner, herunder klimaændringer, proteinstruktur og universets udvikling. Men efterhånden som størrelsen og kompleksiteten af ​​disse simuleringer vokser, er de blevet sværere og sværere at administrere.

Indtil for nylig skulle brugerne indtaste koder – instruktioner til at udføre simuleringerne – i hånden, samtidig med at de koordinerede og holdt styr på mange sammenflettede tråde i projektet, der hver især producerer en enorm mængde data, hvoraf nogle skal analyseres på stedet. At organisere og administrere alt dette bliver mere og mere besværligt. Og kommercielle grænseflader, der kan hjælpe med at løse rodet, er ikke tilgængelige for supercomputere, sagde John Tourtellott, Kitwares hovedefterforsker for SLAC-projektet.

Nu hvor Computational Model Builder er blevet integreret i ACE3P, kan NERSC-brugere indstille kriterierne for deres simuleringer ved at udfylde formularer, trække menuer ned og klikke i stedet for at skrive instruktioner. Så kan de se simuleringen udfolde sig og tjekke resultaterne, før de downloader dataene til deres egen computer, sagde Tourtellott.

"Selvom vi virkelig ikke kan sætte et tal på det, har dette produktivitetsfordele," sagde han. "Det kan i høj grad reducere mængden af ​​information, der skal indtastes manuelt, og de fejl, der opstår som følge heraf. Det giver også mere tid til den egentlige videnskab."

Kitware har også skabt et lignende dashboard på DOE's Los Alamos National Laboratory for forskere, der bruger laboratoriets Truchas-softwareplatform til at simulere metalstøbning og 3D-print.

"Grunden til, at vi startede det projekt, var ikke så meget for at spare brugernes tid, men fordi vi stødte på potentielle nye brugere, der ville se på, hvor meget arbejde deres simulering ville tage og sige, "Det er ikke min tid værd" og gå videre." sagde Neil Carlson, en gæsteforsker ved Los Alamos, der ledede Truchas-projektet i otte år. "At skabe den nye grænseflade er virkelig en måde at reducere den adgangsbarriere på."

Et andet plus, sagde Carlson, er, at det arbejde, Kitware udførte for Los Alamos-projektet, blev foldet ind i Computational Model Builder, så det er tilgængeligt for alle, "og den slags flyder alles båd."

Formen på de kommende ting

Hvad Kitware gør for supercomputerbrugeroplevelsen, gør Simmetrix til automatisk at generere masker, der repræsenterer geometriske former i simuleringer.

Mekaniske ingeniører bruger en matematisk teknik kaldet finite element-analyse for at se, hvordan de ting, de designer – hvad enten det er en lille widget eller en enorm acceleratordel – holder sig under realistiske driftstemperaturer, tryk, vibrationer og så videre. De kan identificere svage punkter, ændre komponenternes former og gentage for at komme med det optimale design i en computer, før de bygger en prototype. ACE3P har spillet en stor rolle i årtier i at bruge disse typer simuleringer til at designe acceleratorkomponenter.

Finite element-analyse opdeler komplekse former i en masse meget enklere, repræsenteret af masker. Computeren sammenlægger virkningerne af hver af disse enkle former på ydeevnen af ​​det pågældende design. Finere masker tillader mere detaljerede simuleringer, men kræver meget mere regnetid. Grovere masker tager kortere tid, men er muligvis ikke så nøjagtige. Denne mesh-genereringsproces skal gentages igen og igen for at komme frem til et optimalt design.

"Hvis dette var noget, du skulle gøre manuelt, ville det være utroligt kedeligt og spild af tid," siger Simmetrix CEO Beall. Den eneste praktiske løsning, sagde han, er at gøre det automatisk.

SLAC-forskere havde udviklet en proces på højt niveau til at forudsige, hvordan man ændrer en form for at producere et design, der opfylder deres krav. Men denne proces havde ikke mulighed for automatisk at forudsige, hvilken form der skulle testes næste gang, eller til automatisk at opdatere geometrien og maskerne for hvert nyt design. Simmetrix leverede de manglende dele for at skabe en fuldautomatisk proces til opdatering og optimering af former og deres masker med ACE3P og lignende designsimuleringsplatforme, sagde Beall. Dette vil give folk mulighed for at designe bedre produkter hurtigere og billigere, og det kan anvendes på stort set alle produkter, inklusive selve fremstillingsprocessen.

Automatisering af denne funktion i ACE3P er en stor gevinst for SLAC og for virksomheden, som kan bygge videre på, hvad den skaber for SLAC og markedsføre det til offentligheden.

Mens det indledende fokus for SLAC-projektet er acceleratordesign til videnskabelige faciliteter, der kan tage årtier at udvikle, sagde Beall, at modellen også kunne fremskynde designet af acceleratorteknologi til behandling af kræft og design af antenner og trådløse enheder.

"Både partikelacceleratorer og medicinsk udstyr bruger elektromagnetiske felter," sagde han. "Hvor effektive de er, og hvor godt de tjener deres formål afhænger fuldstændig af de felter, de laver inde i dem, hvilket afhænger af komponenternes form."

SLAC's Ng sagde, at SBIR-projektet, som sluttede sidste år, har forbedret SLAC's proces til at optimere formen på acceleratorkaviteter med ACE3P, hvilket giver designere mulighed for at opdatere designparametrene automatisk i stedet for ved at prøve og fejle. Han sagde dog, at der stadig er noget arbejde, der skal gøres for at gøre processen mere bredt anvendelig til generel brug uden for laboratoriet.

Beall tilføjede, at dele fra det arbejde, der blev udført hos SLAC, er blevet integreret i Simmetrix-produkter, inklusive software, som virksomheden har solgt i 25 år. "Dette projekt gav os mulighed for at udvikle nye muligheder, som vil være meget nyttige for vores kunder," sagde han. + Udforsk yderligere

Forskere modellerer acceleratormagneters historie ved hjælp af maskinlæringstilgang