Une vue du tableau de bord Kitware développé pour affiner la conception des composants de l'accélérateur avec le logiciel ACE3P de SLAC. Un composant d'accélérateur simulé, au centre, est entouré de fonctionnalités et de spécifications que les chercheurs peuvent choisir lors de l'affinement de sa conception sur le supercalculateur NERSC du DOE à Berkeley. Plutôt que de saisir des instructions pour exécuter la simulation, les concepteurs peuvent utiliser des onglets déroulants (au milieu à gauche) et d'autres outils simples pour définir les spécifications de leurs simulations, consulter des fichiers hébergés à distance sur NERSC (en haut à droite), suivre les analyses qu'ils effectuent (au milieu à droite) et téléchargent leurs données sur leurs propres ordinateurs (en bas à droite). Crédit :John Tourtellott/Kitware
Un logiciel pionnier appelé ACE3P a été développé il y a près d'un quart de siècle pour affiner la conception des accélérateurs de particules et de leurs composants. Aujourd'hui, sa dernière incarnation est en cours d'adaptation pour le supercalcul scientifique et la conception de fabrication, grâce à des partenariats entre deux sociétés et le laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie.
Les collaborations font partie d'un programme du Département de l'énergie appelé Small Business Innovation Research, ou SBIR, qui est conçu pour être gagnant-gagnant pour le laboratoire et la communauté dans son ensemble, a déclaré Matt Garrett, directeur du transfert de technologie et des partenariats privés du SLAC. /P>
"Dans ces projets SBIR, la technologie développée par les laboratoires et affinée par nos partenaires industriels est diffusée dans la communauté pour une large utilisation, puis nous revient pour faire progresser les installations qui sont un élément crucial des opérations du SLAC", a déclaré Garrett.
En aidant les entreprises à faire progresser leurs technologies et à créer des marchés, a-t-il ajouté, le programme crée également de nouvelles chaînes d'approvisionnement nationales pour les produits dont le laboratoire et, dans certains cas, la communauté au sens large ont besoin.
ACE3P a été développé au SLAC il y a environ deux décennies pour fabriquer des prototypes virtuels de composants d'accélérateur de particules qui fonctionneront dans la vie réelle, et il est encore largement utilisé. ACE3P signifie Advanced Computational Electromagnetics 3D Parallel, reflétant le fait qu'il permet à des simulations 3D haute fidélité de s'exécuter simultanément sur des milliers d'unités de traitement informatique afin que les chercheurs puissent résoudre plus rapidement des problèmes complexes et volumineux.
Ces dernières années, ACE3P s'est diversifié pour aider les chercheurs des universités et de l'industrie à effectuer des simulations dans d'autres domaines, notamment les télécommunications et la modélisation électromagnétique du corps humain, a déclaré Cho-Kuen Ng, scientifique principal au SLAC qui a aidé à développer ACE3P. P>
Aujourd'hui, SLAC travaille avec deux sociétés new-yorkaises, Kitware et Simmetrix, pour élargir la portée d'ACE3P. L'objectif est de faciliter l'utilisation des supercalculateurs du DOE par les chercheurs et de déterminer la forme idéale des composants d'accélérateur avec des processus de conception qui peuvent être appliqués à "à peu près tout", déclare Mark Beall, PDG de Simmetrix, des ailes d'avion aux batteries de téléphones portables. et moules à injection pour jouets.
Pour trouver la meilleure forme possible pour un composant d'accélérateur (à gauche), les chercheurs doivent souvent modifier un certain nombre de facteurs en même temps, ce qui serait fastidieux et chronophage s'il était fait à la main. Des logiciels comme ACE3P de SLAC leur permettent d'automatiser bon nombre de ces tâches. Dans ce cas, ils voulaient minimiser les champs électromagnétiques qui éloignent les électrons des surfaces de la cavité (ligne bleue) tout en maintenant le faisceau d'électrons (ligne rouge) traversant la cavité à une fréquence particulière (ligne verte et point). L'exécution de cette tâche complexe nécessite généralement un certain nombre d'exécutions de simulation. Dans ce cas, l'équipe de recherche a pu atteindre ses deux cibles en retirant une petite quantité de matière (verte) de l'une des surfaces internes de la cavité. Crédit :Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs SLAC
Le supercalcul simplifié
Le travail de SLAC avec Kitware remonte à 2015. La société crée des plates-formes logicielles open source et les personnalise pour les besoins d'entreprises et d'agences gouvernementales spécifiques; cette dernière partie explique comment il gagne de l'argent sur ses produits disponibles gratuitement.
Dans son projet actuel avec SLAC, la société intègre l'une de ses plates-formes open source, Computational Model Builder, dans le logiciel ACE3P déjà en place au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du DOE au Lawrence Berkeley National Laboratory.
Environ 8 000 scientifiques financés par le DOE utilisent le NERSC pour effectuer des recherches non classifiées sur un large éventail de sujets, notamment le changement climatique, la structure des protéines et l'évolution de l'univers. Mais à mesure que la taille et la complexité de ces simulations augmentent, elles deviennent de plus en plus difficiles à gérer.
Jusqu'à récemment, les utilisateurs devaient taper à la main des codes - des instructions pour effectuer les simulations - tout en coordonnant et en gardant une trace de nombreux fils entrelacés du projet qui produisent chacun un énorme volume de données, dont certaines doivent être analysé sur place. Organiser et gérer tout cela devient de plus en plus compliqué. Et les interfaces commerciales qui pourraient aider à démêler le gâchis ne sont pas disponibles pour les supercalculateurs, a déclaré John Tourtellott, chercheur principal de Kitware pour le projet SLAC.
Maintenant que Computational Model Builder a été intégré à ACE3P, les utilisateurs du NERSC peuvent définir les critères de leurs simulations en remplissant des formulaires, en déroulant des menus et en cliquant au lieu de taper des instructions. Ils peuvent ensuite regarder la simulation se dérouler et vérifier les résultats avant de télécharger les données sur leur propre ordinateur, a déclaré Tourtellott.
"Bien que nous ne puissions vraiment pas chiffrer cela, cela présente des avantages en termes de productivité", a-t-il déclaré. "Cela peut réduire considérablement la quantité d'informations qui doivent être saisies à la main et les erreurs qui en résultent. Cela laisse également plus de temps pour la science proprement dite."
En collaboration avec deux petites entreprises, le SLAC a adapté son ACE3P vintage pour mieux répondre aux besoins des chercheurs qui utilisent des superordinateurs pour concevoir des composants d'accélérateurs de particules. Cette image montre un de ces composants. Les ondes de couleur traversant la cavité modélisée de l'accélérateur représentent des champs électromagnétiques qui éloignent les électrons des surfaces de la cavité, une nuisance que les concepteurs souhaitent minimiser. Plutôt que de saisir des instructions pour exécuter la simulation, les concepteurs peuvent utiliser des onglets déroulants et d'autres outils simples pour définir les spécifications de leurs simulations. Crédit :John Tourtellott/Kitware
Kitware a également créé un tableau de bord similaire au laboratoire national de Los Alamos du DOE pour les chercheurs qui utilisent la plate-forme logicielle Truchas du laboratoire pour simuler la coulée de métal et l'impression 3D.
"La raison pour laquelle nous avons lancé ce projet n'était pas tant pour faire gagner du temps aux utilisateurs, mais parce que nous rencontrions de nouveaux utilisateurs potentiels qui regardaient la quantité de travail que leur simulation prendrait et disaient :"Cela ne vaut pas mon temps" et passez à autre chose." a déclaré Neil Carlson, un scientifique invité à Los Alamos qui a dirigé le projet Truchas pendant huit ans. "La création de la nouvelle interface est vraiment un moyen de réduire cette barrière à l'entrée."
Un autre avantage, a déclaré Carlson, est que le travail effectué par Kitware pour le projet Los Alamos a été intégré dans Computational Model Builder, de sorte qu'il est accessible à tous, "et ce genre de flotteur est le bateau de tout le monde".
La forme des choses à venir
Ce que Kitware fait pour l'expérience utilisateur du supercalculateur, Simmetrix le fait pour générer automatiquement des maillages qui représentent des formes géométriques dans les simulations.
Les ingénieurs mécaniciens utilisent une technique mathématique appelée analyse par éléments finis pour voir comment les choses qu'ils conçoivent - qu'il s'agisse d'un petit widget ou d'une énorme pièce d'accélérateur - résisteront à des températures de fonctionnement, des pressions, des vibrations réalistes, etc. Ils peuvent identifier les points faibles, modifier la forme des composants et répéter pour trouver la conception optimale dans un ordinateur avant de construire un prototype. ACE3P a joué un rôle important pendant des décennies dans l'utilisation de ces types de simulations pour concevoir des composants d'accélérateur.
L'analyse par éléments finis divise les formes complexes en un ensemble de formes beaucoup plus simples, représentées par des maillages. L'ordinateur additionne les effets de chacune de ces formes simples sur les performances de cette conception particulière. Des maillages plus fins permettent des simulations plus détaillées, mais nécessitent beaucoup plus de temps de calcul. Les maillages plus grossiers prennent moins de temps mais peuvent ne pas être aussi précis. Ce processus de génération de maillage doit être répété encore et encore pour arriver à une conception optimale.
"Si c'était quelque chose que vous deviez faire manuellement, ce serait incroyablement fastidieux et une perte de temps", déclare Beall, PDG de Simmetrix. La seule solution pratique, a-t-il dit, est de le faire automatiquement.
Les chercheurs du SLAC avaient mis au point un processus de haut niveau pour prédire comment modifier une forme afin de produire une conception qui réponde à leurs exigences. Mais ce processus n'avait aucun moyen de prédire automatiquement quelle forme devait être testée ensuite ou de mettre à jour automatiquement la géométrie et les maillages pour chaque nouvelle conception. Simmetrix a fourni ces pièces manquantes pour créer un processus entièrement automatique de mise à jour et d'optimisation des formes et de leurs maillages avec ACE3P et des plates-formes de simulation de conception similaires, a déclaré Beall. Cela permettra aux gens de concevoir de meilleurs produits plus rapidement et à moindre coût, et cela peut être appliqué à pratiquement n'importe quel produit, y compris le processus de fabrication lui-même.
L'automatisation de cette fonction dans ACE3P est une grande victoire pour SLAC et pour l'entreprise, qui peut s'appuyer sur tout ce qu'elle crée pour SLAC et le commercialiser auprès du public.
Bien que l'objectif initial du projet SLAC soit la conception d'accélérateurs pour des installations scientifiques dont le développement peut prendre des décennies, a déclaré Beall, le modèle pourrait également accélérer la conception d'une technologie d'accélérateur pour le traitement du cancer et la conception d'antennes et d'appareils sans fil.
"Les accélérateurs de particules et les dispositifs médicaux utilisent des champs électromagnétiques", a-t-il déclaré. « Leur efficacité et leur efficacité dépendent entièrement des champs qu'ils créent à l'intérieur, qui dépendent de la forme des composants. »
Ng du SLAC a déclaré que le projet SBIR, qui s'est terminé l'année dernière, a amélioré le processus du SLAC pour optimiser la forme des cavités d'accélérateur avec ACE3P, permettant aux concepteurs de mettre à jour les paramètres de conception automatiquement plutôt que par essais et erreurs. Cependant, il a déclaré qu'il restait encore du travail à faire pour rendre le processus plus largement applicable pour une utilisation générale en dehors du laboratoire.
Beall a ajouté que des éléments du travail effectué au SLAC ont été intégrés dans les produits Simmetrix, y compris les logiciels que la société vend depuis 25 ans. "Ce projet nous a permis de développer de nouvelles capacités qui seront très utiles pour nos clients", a-t-il déclaré. Des chercheurs modélisent l'histoire des aimants d'accélérateur à l'aide d'une approche d'apprentissage automatique
