Una vista del tablero que Kitware desarrolló para ajustar el diseño de los componentes del acelerador con el software ACE3P de SLAC. Un componente de acelerador simulado, en el centro, está rodeado de características y especificaciones que los investigadores pueden elegir al refinar su diseño en la supercomputadora NERSC del DOE en Berkeley. En lugar de escribir instrucciones para ejecutar la simulación, los diseñadores pueden usar pestañas desplegables (en el centro a la izquierda) y otras herramientas simples para establecer las especificaciones de sus simulaciones, buscar archivos alojados de forma remota en NERSC (arriba a la derecha), realizar un seguimiento de los análisis que están ejecutando (centro a la derecha) y descargan sus datos a sus propias computadoras (abajo a la derecha). Crédito:John Tourtellott/Kitware
El software pionero llamado ACE3P se desarrolló hace casi un cuarto de siglo para afinar el diseño de los aceleradores de partículas y sus componentes. Ahora, su última encarnación se está adaptando para la supercomputación científica y el diseño de fabricación, gracias a las asociaciones entre dos empresas y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía.
Las colaboraciones son parte de un programa del Departamento de Energía llamado Small Business Innovation Research, o SBIR, que está diseñado para ser beneficioso tanto para el laboratorio como para la comunidad en general, dijo Matt Garrett, director de transferencia de tecnología y asociaciones privadas de SLAC.
"En estos proyectos SBIR, la tecnología desarrollada por los laboratorios y refinada por nuestros socios industriales sale a la comunidad para un uso amplio y luego vuelve a nosotros para hacer avanzar las instalaciones que son una parte crucial de las operaciones de SLAC", dijo Garrett.
Al ayudar a las empresas a avanzar en sus tecnologías y crear mercados, agregó, el programa también crea nuevas cadenas de suministro nacionales para cosas que el laboratorio, y en algunos casos, la comunidad en general, necesita.
ACE3P se desarrolló en SLAC hace unas dos décadas para hacer prototipos virtuales de componentes de aceleradores de partículas que funcionarán en la vida real, y todavía se usa ampliamente. ACE3P significa Advanced Computational Electromagnetics 3D Parallel, lo que refleja el hecho de que permite ejecutar simulaciones 3D de alta fidelidad en miles de unidades de procesamiento de computadora a la vez para que los investigadores puedan resolver problemas grandes y complejos más rápido.
En los últimos años, ACE3P se ha diversificado para ayudar a los investigadores en universidades y en la industria a realizar simulaciones en otros campos, incluidas las telecomunicaciones y el modelado electromagnético del cuerpo humano, dijo Cho-Kuen Ng, científico principal de SLAC que ayudó a desarrollar ACE3P.
Hoy, SLAC está trabajando con dos empresas de Nueva York, Kitware y Simmetrix, para ampliar el alcance de ACE3P. El objetivo es facilitar a los investigadores el uso de las supercomputadoras del DOE y determinar la forma ideal de los componentes del acelerador con procesos de diseño que se pueden aplicar a "prácticamente todo", dice Mark Beall, director ejecutivo de Simmetrix, desde las alas de los aviones hasta las baterías de los teléfonos celulares. y moldes de inyección para juguetes.
Para encontrar la mejor forma posible para un componente del acelerador (izquierda), los investigadores a menudo tienen que ajustar una serie de factores al mismo tiempo, lo que sería tedioso y llevaría mucho tiempo si se hiciera a mano. Software como ACE3P de SLAC les permite automatizar muchas de estas tareas. En este caso, querían minimizar los campos electromagnéticos que alejan los electrones de las superficies de la cavidad (línea azul) mientras mantienen el haz de electrones (línea roja) viajando a través de la cavidad a una frecuencia particular (línea verde y punto). La realización de esta tarea compleja suele requerir varias ejecuciones de simulación. En este caso, el equipo de investigación pudo alcanzar ambos objetivos eliminando una pequeña cantidad de material (verde) de una de las superficies internas de la cavidad. Crédito:Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC
Supercomputación simplificada
El trabajo de SLAC con Kitware se remonta a 2015. La empresa crea plataformas de software de código abierto y las personaliza para las necesidades de empresas y agencias gubernamentales específicas; esta última parte es cómo gana dinero con sus productos disponibles gratuitamente.
En su proyecto actual con SLAC, la compañía está integrando una de sus plataformas de código abierto, Computational Model Builder, en el software ACE3P que ya se encuentra en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
Alrededor de 8000 científicos financiados por el DOE utilizan NERSC para realizar investigaciones no clasificadas sobre una amplia gama de temas, incluidos el cambio climático, la estructura de las proteínas y la evolución del universo. Pero a medida que crecen el tamaño y la complejidad de esas simulaciones, se han vuelto cada vez más difíciles de administrar.
Hasta hace poco, los usuarios tenían que escribir códigos (instrucciones para llevar a cabo las simulaciones) a mano, al mismo tiempo que coordinaban y realizaban un seguimiento de muchos hilos entrelazados del proyecto, cada uno de los cuales producía un tremendo volumen de datos, algunos de los cuales tienen que ser analizado en el lugar. Organizar y gestionar todo esto es cada vez más complicado. Y las interfaces comerciales que podrían ayudar a desenredar el desorden no están disponibles para las supercomputadoras, dijo John Tourtellott, investigador principal de Kitware para el proyecto SLAC.
Ahora que Computational Model Builder se ha integrado en ACE3P, los usuarios de NERSC pueden establecer los criterios para sus simulaciones completando formularios, abriendo menús y haciendo clic en lugar de escribir instrucciones. Luego, pueden ver cómo se desarrolla la simulación y verificar los resultados antes de descargar los datos a su propia computadora, dijo Tourtellott.
"Aunque realmente no podemos ponerle un número, esto tiene beneficios de productividad", dijo. "Puede reducir en gran medida la cantidad de información que debe ingresarse a mano y los errores que se producen como resultado. También deja más tiempo para la ciencia real".
Trabajando con dos pequeñas empresas, SLAC ha adaptado su antiguo ACE3P para satisfacer mejor las necesidades de los investigadores que usan supercomputadoras para diseñar componentes de aceleradores de partículas. Esta imagen muestra uno de esos componentes. Las ondas de color que viajan a través de la cavidad del acelerador modelada representan campos electromagnéticos que extraen electrones de las superficies de la cavidad, una molestia que los diseñadores quieren minimizar. En lugar de escribir instrucciones para ejecutar la simulación, los diseñadores pueden usar pestañas desplegables y otras herramientas simples para establecer las especificaciones de sus simulaciones. Crédito:John Tourtellott/Kitware
Kitware también ha creado un tablero similar en el Laboratorio Nacional de Los Álamos del DOE para los investigadores que utilizan la plataforma de software Truchas del laboratorio para simular la fundición de metales y la impresión 3D.
"La razón por la que comenzamos ese proyecto no fue tanto para ahorrar tiempo a los usuarios, sino porque nos encontrábamos con nuevos usuarios potenciales que verían cuánto trabajo tomaría su simulación y dirían:'No vale la pena mi tiempo' y seguir adelante". dijo Neil Carlson, científico invitado en Los Álamos que dirigió el proyecto Truchas durante ocho años. "Crear la nueva interfaz es realmente una forma de reducir esa barrera de entrada".
Otra ventaja, dijo Carlson, es que el trabajo que hizo Kitware para el proyecto de Los Álamos se incorporó a Computational Model Builder para que esté disponible para todos, "y eso hace que todos se sientan cómodos".
La forma de lo que vendrá
Lo que Kitware hace por la experiencia del usuario de la supercomputadora, Simmetrix lo hace por la generación automática de mallas que representan formas geométricas en simulaciones.
Los ingenieros mecánicos utilizan una técnica matemática llamada análisis de elementos finitos para ver cómo las cosas que diseñan, ya sea un pequeño dispositivo o una enorme pieza de acelerador, se mantendrán bajo temperaturas, presiones, vibraciones, etc. de funcionamiento realistas. Pueden identificar puntos débiles, cambiar las formas de los componentes y repetir para llegar al diseño óptimo en una computadora antes de construir un prototipo. ACE3P ha desempeñado un papel importante durante décadas en el uso de este tipo de simulaciones para diseñar componentes de aceleradores.
El análisis de elementos finitos divide formas complejas en un montón de otras mucho más simples, representadas por mallas. La computadora suma los efectos de cada una de estas formas simples en el desempeño de ese diseño en particular. Las mallas más finas permiten simulaciones más detalladas, pero requieren mucho más tiempo de computación. Las mallas más gruesas toman menos tiempo pero pueden no ser tan precisas. Este proceso de generación de mallas debe repetirse una y otra vez para llegar a un diseño óptimo.
"Si esto fuera algo que tuviera que hacer manualmente, sería increíblemente tedioso y una pérdida de tiempo", dice Beall, CEO de Simmetrix. La única solución práctica, dijo, es hacerlo automáticamente.
Los investigadores de SLAC habían desarrollado un proceso de alto nivel para predecir cómo cambiar una forma para producir un diseño que cumpla con sus requisitos. Pero este proceso no tenía una forma de predecir automáticamente qué forma se probaría a continuación o de actualizar automáticamente la geometría y las mallas para cada nuevo diseño. Simmetrix proporcionó esas partes faltantes para crear un proceso completamente automático para actualizar y optimizar formas y sus mallas con ACE3P y plataformas de simulación de diseño similares, dijo Beall. Esto permitirá a las personas diseñar mejores productos de forma más rápida y económica, y se puede aplicar a prácticamente cualquier producto, incluido el proceso de fabricación en sí.
Automatizar esta función en ACE3P es una gran victoria para SLAC y para la empresa, que puede aprovechar todo lo que crea para SLAC y comercializarlo al público.
Si bien el enfoque inicial del proyecto SLAC es el diseño de aceleradores para instalaciones científicas que pueden tardar décadas en desarrollarse, dijo Beall, el modelo también podría acelerar el diseño de tecnología de aceleradores para tratar el cáncer y diseñar antenas y dispositivos inalámbricos.
"Tanto los aceleradores de partículas como los dispositivos médicos utilizan campos electromagnéticos", dijo. "Qué tan eficientes son y qué tan bien cumplen su propósito depende completamente de los campos que crean dentro de ellos, lo que depende de la forma de los componentes".
Ng de SLAC dijo que el proyecto SBIR, que finalizó el año pasado, ha mejorado el proceso de SLAC para optimizar la forma de las cavidades del acelerador con ACE3P, lo que permite a los diseñadores actualizar los parámetros de diseño automáticamente en lugar de prueba y error. Sin embargo, dijo que aún queda trabajo por hacer para que el proceso sea aplicable más ampliamente para uso general fuera del laboratorio.
Beall agregó que fragmentos del trabajo realizado en SLAC se han integrado en los productos Simmetrix, incluido el software que la empresa ha estado vendiendo durante 25 años. “Este proyecto nos permitió desarrollar nuevas capacidades que serán de gran utilidad para nuestros clientes”, dijo. Investigadores modelan la historia de los imanes aceleradores utilizando un enfoque de aprendizaje automático
