CERN科学家利用Virtex-4 FPGA进行大爆炸研究

CERN ScientistsUseVirtex-4 FPGAs for Big Bang Research

　　在法国瑞士边境的地下隧道中，欧洲核子研究中心的科学家们正在准备进行一项称为“大型离子撞击实验 -ALICE（A Large Ion Collider Experiment）”的实验。 他们将利用世界上最强大的粒子加速器将两束重铅离子加速到接近光速的速度，并控制他们迎头相撞，试图重新创造出据说仅在宇宙大爆炸后短暂存在过的条件。 CERN科学家预计每次相撞将会释放出巨大能量并产生约1012°C的局部温度。这一温度是太阳内核温度的十万倍。 当重离子相撞时，CERN科学家预计将会产生大量亚原子粒子。 CERN科学家希望通过跟踪这些粒子的轨迹，可以发现物理学中众多深奥问题的答案。 从2008年开始，CERN科学家将开始观察ALICE实验中的粒子撞击。Xilinx FPGA为科学家的工作提供了帮助，协助他们映射并分离撞击产生的数以千万计的亚原子粒子。 FPGA提供的强大数据压缩算法可以去除冗余信息并只将重要数据发送到CERN数据中心。 2008年4月，赛灵思公司获得了ALICE行业协作奖，表彰其在粒子物理研究方面提供的支持。 海德堡大学的Volker Lindenstruth教授代表ALICE合作机构向赛灵思公司颁奖，表彰赛灵思FPGA在核心测量仪器系统中所发挥的关键作用（参见图1）。

图 1. 图中从左至右： Marc Defossez, Peter Alfke, Volker Lindenstruth, 和 Patrick Lysaght

大型强子对撞机和ALICE

　　大型强子对撞机（the Large Hadron Collider (LHC)）是全球最大最复杂的科学实验仪器，被认为是“地球上最雄心勃勃的科学计划”。 它位于地下 深100米长27公里的隧道中，位于接近日内瓦的法国-瑞士边境（图2）。 LHC是物理学家用来研究夸克-胶子等离子体的系列粒子加速器中最新最强大的一个。夸克-胶子等离子体是目前已知的构成所有物质的最基本构件。

　　大型强子对撞机将质子和重离子加速到接近光的速度并相互撞击，重新创造出宇宙大爆炸后很短时间内才存在的条件。 科学家们一般认为宇宙自大爆炸以来一直在变冷，我们所熟悉的一切都源于最初的大爆炸。 LHC中的粒子撞击能够模仿大爆炸时的能量密度，从而使我们能够了解宇宙演化极早期时的情形。 这些实验有可能发现有关物质的新知识，使我们对宇宙中原子深处微小粒子的理解产生革命性的变化。

图 2. CERN大型强子对撞机位于地下，位于接近日内瓦的法国-瑞士边境。

　　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2.7 Tbs/s的数据通过总共120片赛灵思FPGA进行处理…

　　两速称为“强子”（质子或铅离子）的粒子在圆形加速器内沿相反方向被加速。 然后，物理学家控制粒子相撞。 在LHC中将进行一系列实验，全球各地的科学家小组会利用专用探测器来分析撞击所产生的粒子。

Xilinx Virtex-4 FX FPGA的作用

　　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10-MHz 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120 Tbits。 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（如图3所示）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XC4VFX100 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，其中90片FPGA在TMU机架上（图4）。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。

图 3. 采用Xilinx XC4VFX100 Virtex-4 FPGA的轨迹匹配单元卡

图 4. 装载用于过滤和跟踪离子对撞轨迹数据的TMU卡的众多机架之一

希伯斯玻色子

　　ALICE实验是CERN到目前为止最雄心勃勃的计划，当然这绝不是CERN计划进行的最后一项实验。 事实上，CERN科学家希望与ALICE同时进行的ATLAS和CMS项目能够捕获到难以追踪的希伯斯玻色子。1964年，物理学家彼得 希伯斯及其同事预言了称为希伯斯玻色子的有质量标量基本粒子。 物理学家在粒子物理标准模型中增加了希伯斯玻色子，但到目前为止尚没有实验证实其存在。CERN科学家希望希伯斯玻色子粒子能够帮助解释基本粒子如何获得质量等属性。 这是构建大统一理论以及研究暗物理和暗能量本质的重要一步。

关于欧洲核子研究中心（CERN）以及六十亿美元实验

　　CERN是欧洲核子研究中心的法语简称，它更普遍的叫法是欧洲粒子物理实验室。CERN是世界上致力于有关亚原子粒子高能量研究的最大机构。CERN于1954年成立于瑞士日内瓦附近。它每年的预算约为10亿美元，这项预算来自于欧盟20多个成员国和包括美国在内的8个观察国。在CERN中，进行试验研究和结果分析的科学家和工程师多达8000位，几乎是全球致力于量子物理界研究人员的半数。CERN中的研究成果曾于1984年和1992年两次被授予诺贝尔物理学奖。最近，CERN中的大多数研究都集中于建造大型强子对撞机以及与之相关的试验。CERN在2008年9月已经开展相关实验。科学家们预计将对大型强子对撞机展开一系列的试验，目前计划中已经包括六项：CMS、ATLAS、LHCb、TOTEM、LHC-forward、和 ALICE。

　　除了亚原子物理方面的研究，CERN也为其在不同的科技领域的研究突破而闻名于世。其中最著名的就是Tim Berners-Lee于1989年发明的互联网，这个发明最初的目的是为了改进CERN的科学家之间的交流。