Ostatnio oglądałem inny fizyk cząstek elementarnych opowiada o obliczeniach, które osiągnął nowy poziom precyzji. Jego narzędzie? Program komputerowy z lat 80. o nazwie FORM.
Fizycy cząstek elementarnych używają jednych z najdłuższych równań w całej nauce. Na przykład, aby szukać śladów nowych cząstek elementarnych w zderzeniach w Wielkim Zderzaczu Hadronów, rysują tysiące obrazów zwanych diagramami Feynmana, które przedstawiają możliwe wyniki zderzeń, z których każdy koduje skomplikowaną formułę, która może mieć miliony wyrazów. Podsumowanie takich formuł za pomocą pióra i papieru jest niemożliwe; nawet dodanie ich za pomocą komputerów jest wyzwaniem. Reguły algebry, których uczymy się w szkole, są wystarczająco szybkie do zadania domowego, ale w fizyce cząstek elementarnych są żałośnie nieefektywne.
Programy zwane systemami algebry komputerowej starają się sprostać tym zadaniom. A jeśli chcesz rozwiązywać największe równania na świecie, od 33 lat wyróżnia się jeden program: FORM.
Opracowany przez holenderskiego fizyka cząstek elementarnych, Josa Vermaserena, FORM jest kluczowym elementem infrastruktury fizyki cząstek elementarnych, niezbędnym do najtrudniejszych obliczeń. Jednak, podobnie jak w przypadku zaskakująco wielu istotnych elementów infrastruktury cyfrowej, utrzymanie FORM spoczywa w dużej mierze na jednej osobie: samym Vermaseren. A w wieku 73 lat zaczął wycofywać się z rozwoju FORM. Ze względu na motywacyjną strukturę środowiska akademickiego, która nagradza publikowane artykuły, a nie narzędzia programowe, nie pojawił się żaden następca. Jeśli sytuacja się nie zmieni, fizyka cząstek elementarnych może zostać zmuszona do radykalnego spowolnienia.
FORM powstał w połowie lat 80., kiedy rola komputerów szybko się zmieniała. Jego poprzednik, program o nazwie Schoonschip, stworzony przez Martinusa Veltmana, został wydany jako wyspecjalizowany układ scalony, który podłącza się z boku komputera Atari. Vermaseren chciał stworzyć bardziej dostępny program, który mógłby być pobierany przez uniwersytety na całym świecie. Zaczął go programować w języku komputerowym FORTRAN, co oznacza tłumaczenie formuł. Nazwa FORM była riffem. (Później przeszedł na język programowania o nazwie C.) Vermaseren wypuścił swoje oprogramowanie w 1989 roku. Na początku lat 90. pobrało je ponad 200 instytucji na całym świecie, a liczba ta stale rosła.
Od 2000 roku średnio co kilka dni publikowany jest artykuł o fizyce cząstek elementarnych, w którym cytuje się FORM. “Większość [high-precision] wyniki, które nasza grupa uzyskała w ciągu ostatnich 20 lat, w dużej mierze opierały się na kodzie FORM” — powiedział Thomas Gehrmann, profesor na Uniwersytecie w Zurychu.
Część popularności FORM wynikała z wyspecjalizowanych algorytmów, które były budowane przez lata, takich jak sztuczka szybkiego mnożenia niektórych fragmentów diagramu Feynmana oraz procedura przestawiania równań w celu uzyskania jak najmniejszej liczby mnożeń i dodawania. Ale najstarszą i najpotężniejszą zaletą FORM jest sposób, w jaki obsługuje pamięć.
Tak jak ludzie mają dwa rodzaje pamięci, krótkoterminową i długoterminową, tak komputery mają dwa rodzaje pamięci: główną i zewnętrzną. Pamięć główna — pamięć RAM komputera — jest łatwo dostępna w locie, ale jej rozmiar jest ograniczony. Zewnętrzne urządzenia pamięci, takie jak dyski twarde i dyski półprzewodnikowe, przechowują znacznie więcej informacji, ale są wolniejsze. Aby rozwiązać długie równanie, musisz zapisać je w pamięci głównej, aby móc z łatwością z nim pracować.
W latach 80. oba typy pamięci były ograniczone. „FORM został zbudowany w czasach, gdy prawie nie było pamięci, a także miejsca na dysku – w zasadzie nie było nic” – powiedział Ben Ruijl, były student Vermaserena i dewelopera FORM, który obecnie jest doktorem habilitowanym w Szwajcarskim Federalnym Instytucie ds. Technologia Zurych. Stanowiło to wyzwanie: równania były zbyt długie, aby obsłużyć pamięć główną. Aby to obliczyć, system operacyjny musiał traktować dysk twardy tak, jakby był także pamięcią główną. System operacyjny, nie wiedząc, jak duże ma być równanie, przechowywałby dane w zbiorze „stron” na dysku twardym, często przełączając się między nimi, gdy potrzebne były różne elementy — nieefektywny proces zwany zamianą.
FORM omija zamianę i używa własnej techniki. Podczas pracy z równaniem w FORM program przydziela każdemu składnikowi stałą ilość miejsca na dysku twardym. Ta technika pozwala oprogramowaniu łatwiej śledzić, gdzie znajdują się elementy równania. Ułatwia to również przenoszenie tych elementów z powrotem do pamięci głównej, gdy są potrzebne, bez uzyskiwania dostępu do reszty.
Pamięć wzrosła od początków FORM, od 128 kilobajtów pamięci RAM w Atari 130XE w 1985 roku do 128 gigabajtów pamięci RAM w moim udoskonalonym komputerze stacjonarnym — milionkrotna poprawa. Ale sztuczki opracowane przez Vermaserena pozostają kluczowe. W miarę jak fizycy cząstek elementarnych przeglądają petabajty danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów w poszukiwaniu dowodów na istnienie nowych cząstek, ich potrzeba precyzji, a tym samym długość ich równań, rośnie.
