Baanbrekende software genaamd ACE3P werd bijna een kwart eeuw geleden ontwikkeld om het ontwerp van deeltjesversnellers en hun componenten te verfijnen. Nu wordt de nieuwste incarnatie aangepast voor wetenschappelijk supercomputing- en productieontwerp, dankzij partnerschappen tussen twee bedrijven en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy.

De samenwerkingen maken deel uit van een Energy Department-programma genaamd Small Business Innovation Research, of SBIR, dat is ontworpen om een ​​win-winsituatie te zijn voor zowel het laboratorium als de gemeenschap in het algemeen, zei Matt Garrett, SLAC's directeur van technologieoverdracht en particuliere partnerschappen.

"In deze SBIR-projecten gaat technologie die is ontwikkeld door de laboratoria en verfijnd door onze industriële partners de gemeenschap in voor breed gebruik en komt vervolgens bij ons terug om de faciliteiten te verbeteren die een cruciaal onderdeel zijn van SLAC-operaties," zei Garrett.

Door bedrijven te helpen hun technologieën vooruit te helpen en markten op te bouwen, voegde hij eraan toe, creëert het programma ook nieuwe binnenlandse toeleveringsketens voor dingen die het laboratorium - en in sommige gevallen de bredere gemeenschap - nodig heeft.

ACE3P is ongeveer twee decennia geleden bij SLAC ontwikkeld voor het maken van virtuele prototypen van deeltjesversnellercomponenten die in het echte leven zullen werken, en het wordt nog steeds veel gebruikt. ACE3P staat voor Advanced Computational Electromagnetics 3D Parallel en weerspiegelt het feit dat het high-fidelity 3D-simulaties mogelijk maakt op duizenden computerverwerkingseenheden tegelijk, zodat onderzoekers grote, complexe problemen sneller kunnen oplossen.

In de afgelopen jaren heeft ACE3P zich ontwikkeld om onderzoekers aan universiteiten en in de industrie te helpen bij het uitvoeren van simulaties op andere gebieden, waaronder telecommunicatie en elektromagnetische modellering van het menselijk lichaam, zei Cho-Kuen Ng, een hoofdwetenschapper bij SLAC die hielp bij het ontwikkelen van ACE3P.

Vandaag werkt SLAC samen met twee New Yorkse bedrijven - Kitware en Simmetrix - om het bereik van ACE3P te vergroten. Het doel is om het voor onderzoekers veel gemakkelijker te maken om DOE-supercomputers te gebruiken en om de ideale vorm te bepalen voor acceleratorcomponenten met ontwerpprocessen die kunnen worden toegepast op "zowat alles", zegt Simmetrix CEO Mark Beall - van vliegtuigvleugels tot batterijen voor mobiele telefoons en spuitgietmatrijzen voor speelgoed.

Supercomputing eenvoudiger gemaakt

SLAC's werk met Kitware gaat terug tot 2015. Het bedrijf creëert open-source softwareplatforms en past deze aan voor de behoeften van specifieke bedrijven en overheidsinstanties; dit laatste deel is hoe het geld verdient met zijn vrij verkrijgbare producten.

In het huidige project met SLAC integreert het bedrijf een van zijn open-sourceplatforms, Computational Model Builder, in de ACE3P-software die al aanwezig is bij DOE's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) in het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Ongeveer 8.000 door DOE gefinancierde wetenschappers gebruiken NERSC om niet-geclassificeerd onderzoek uit te voeren over een breed scala aan onderwerpen, waaronder klimaatverandering, eiwitstructuur en de evolutie van het universum. Maar naarmate de omvang en complexiteit van die simulaties toenemen, worden ze steeds moeilijker te beheren.

Tot voor kort moesten gebruikers codes - instructies voor het uitvoeren van de simulaties - met de hand typen, terwijl ze tegelijkertijd de vele verweven draden van het project moesten coördineren en bijhouden die elk een enorme hoeveelheid gegevens produceren, waarvan sommige ter plaatse worden geanalyseerd. Het wordt steeds lastiger om dit allemaal te organiseren en te beheren. En commerciële interfaces die kunnen helpen de rommel te ontwarren, zijn niet beschikbaar voor supercomputers, zegt John Tourtellott, hoofdonderzoeker van Kitware voor het SLAC-project.

Nu Computational Model Builder is geïntegreerd in ACE3P, kunnen NERSC-gebruikers de criteria voor hun simulaties instellen door formulieren in te vullen, menu's naar beneden te trekken en te klikken in plaats van instructies te typen. Daarna kunnen ze de simulatie zien ontvouwen en de resultaten controleren voordat ze de gegevens naar hun eigen computer downloaden, zei Tourtellott.

"Hoewel we er echt geen cijfer op kunnen plakken, heeft dit productiviteitsvoordelen", zei hij. "Het kan de hoeveelheid informatie die handmatig moet worden ingevoerd en de fouten die daardoor optreden aanzienlijk verminderen. Het laat ook meer tijd over voor de eigenlijke wetenschap."

Kitware heeft ook een soortgelijk dashboard gemaakt in het Los Alamos National Laboratory van DOE voor onderzoekers die het Truchas-softwareplatform van het lab gebruiken om metaalgieten en 3D-printen te simuleren.

"De reden dat we met dat project begonnen was niet zozeer om gebruikers tijd te besparen, maar omdat we potentiële nieuwe gebruikers tegenkwamen die zouden kijken hoeveel werk hun simulatie zou kosten en zouden zeggen:"Het is mijn tijd niet waard" en verder gaan," zei Neil Carlson, een gastwetenschapper bij Los Alamos die acht jaar lang het Truchas-project leidde. "Het creëren van de nieuwe interface is echt een manier om die toegangsdrempel te verminderen."

Een ander pluspunt, zei Carlson, is dat het werk dat Kitware deed voor het Los Alamos-project, is samengevouwen in Computational Model Builder, zodat het voor iedereen beschikbaar is, "en dat soort drijft ieders boot."

De vorm van wat komen gaat

Wat Kitware doet voor de gebruikerservaring van een supercomputer, doet Simmetrix voor het automatisch genereren van meshes die geometrische vormen in simulaties vertegenwoordigen.

Werktuigbouwkundigen gebruiken een wiskundige techniek die eindige-elementenanalyse wordt genoemd om te zien hoe de dingen die ze ontwerpen - of het nu een kleine widget of een enorm versnellingsonderdeel is - standhouden onder realistische bedrijfstemperaturen, drukken, trillingen enzovoort. Ze kunnen zwakke plekken identificeren, de vorm van componenten veranderen en herhalen om het optimale ontwerp in een computer te bedenken voordat ze een prototype bouwen. ACE3P speelt al tientallen jaren een grote rol bij het gebruik van dit soort simulaties om acceleratorcomponenten te ontwerpen.

Eindige-elementenanalyse breekt complexe vormen op in een aantal veel eenvoudigere vormen, weergegeven door mazen. De computer telt de effecten van elk van deze eenvoudige vormen op de prestaties van dat specifieke ontwerp op. Fijnere meshes maken meer gedetailleerde simulaties mogelijk, maar vergen veel meer rekentijd. Grovere mazen nemen minder tijd in beslag, maar zijn mogelijk niet zo nauwkeurig. Dit proces van mesh-generatie moet keer op keer worden herhaald om tot een optimaal ontwerp te komen.

"Als je dit handmatig zou moeten doen, zou het ongelooflijk vervelend en tijdverspilling zijn", zegt Simetrix CEO Beall. De enige praktische oplossing, zei hij, is om het automatisch te doen.

SLAC-onderzoekers hadden een proces op hoog niveau ontwikkeld om te voorspellen hoe een vorm kan worden gewijzigd om een ​​ontwerp te produceren dat aan hun eisen voldoet. Maar dit proces had geen manier om automatisch te voorspellen welke vorm vervolgens moest worden getest of om de geometrie en mazen voor elk nieuw ontwerp automatisch bij te werken. Simmetrix leverde die ontbrekende onderdelen om een ​​volledig automatisch proces te creëren voor het bijwerken en optimaliseren van vormen en hun mazen met ACE3P en vergelijkbare ontwerpsimulatieplatforms, zei Beall. Hierdoor kunnen mensen sneller en goedkoper betere producten ontwerpen, en het kan op vrijwel elk product worden toegepast, inclusief het fabricageproces zelf.

Het automatiseren van deze functie in ACE3P is een grote overwinning voor SLAC en voor het bedrijf, dat kan voortbouwen op alles wat het voor SLAC creëert en het aan het publiek kan verkopen.

Hoewel de initiële focus van het SLAC-project ligt op het ontwerp van een versneller voor wetenschappelijke faciliteiten die tientallen jaren nodig hebben om zich te ontwikkelen, zei Beall, zou het model ook het ontwerp van versnellertechnologie voor de behandeling van kanker en het ontwerpen van antennes en draadloze apparaten kunnen versnellen.

"Zowel deeltjesversnellers als medische apparaten gebruiken elektromagnetische velden", zei hij. "Hoe efficiënt ze zijn en hoe goed ze hun doel dienen, hangt volledig af van de velden die ze erin maken, wat afhangt van de vorm van de componenten."

Ng van SLAC zei dat het SBIR-project, dat vorig jaar eindigde, het proces van SLAC voor het optimaliseren van de vorm van versnellerholtes met ACE3P heeft verbeterd, waardoor ontwerpers de ontwerpparameters automatisch kunnen bijwerken in plaats van met vallen en opstaan. Hij zei echter dat er nog wat werk aan de winkel is om het proces breder toepasbaar te maken voor algemeen gebruik buiten het laboratorium.

Beall voegde eraan toe dat stukjes en beetjes van het werk dat bij SLAC is gedaan, zijn geïntegreerd in Simmetrix-producten, inclusief software die het bedrijf al 25 jaar verkoopt. "Dit project stelde ons in staat om nieuwe mogelijkheden te ontwikkelen die zeer nuttig zullen zijn voor onze klanten", zei hij. + Verder verkennen

Onderzoekers modelleren de geschiedenis van versnellermagneten met behulp van machine learning-benadering