Large Hadron Collider i računarski gridovi

Nedavno je završena izgradnja velikog postrojenja, veoma značajnog za fizičare širom sveta, ali posredno značajnog i za razvoj kompjuterskih tehnologija

Evropski institut za nuklearna istraživanja (CERN, www.cern.ch) završio je famozni LHC – Large Hadron Collider, veliki sudarač hadrona. (Inače, hadron je zajednički naziv za teške atomske čestice kao što su protoni i neutroni.) Postrojenje je smešteno 100 metara pod zemljom, na granici Francuske i Švajcarske, i u glavnom delu predstavlja kružni tunel dužine oko 27 kilometara. U ovom tunelu naučnici će u suprotnim smerovima ubrzavati dva snopa čestica do brzine bliske brzini svetlosti, pokušavajući da iz sudara čestica, uz oslobađanje velike energije, zaključe neka važna pitanja na koja savremena fizika još nema odgovore. Tokom eksperimenata koji će trajati čitavih 20 godina, očekuje se da će evropski fizičari otkriti nove vrste čestica, objasniti pojmove materije i antimaterije, objasniti pojam mase, bolje razumeti kako je nastao svemir (Veliki prasak) i kako se dalje razvio. Za širu javnost najintrigantnije je pominjanje crnih rupa (tela koja usisavaju sve oko sebe), jer se očekuje da će se tokom eksperimenata dodatno razjasniti njihova priroda. Naučnici zaista očekuju da se tokom eksperimenata stvore crne rupe, ali daleko od toga da će to predstavljati neku opasnost po sudbinu čovečanstva, jer će se raditi o „crnim rupicama” veličine femtometra (10^–15 metara), koje će postojati samo delić sekunde.

No, iako je LHC veoma kompleksno i zanimljivo postrojenje, u ovom tekstu ćemo se ipak uglavnom baviti njegovim uticajem na kompjutersku tehnologiju. Pre desetak godina, kada je počelo projektovanje LHC-a, odmah je bilo jasno da treba rešiti jedan značajan problem – veliku količinu podataka. Izračunato je da će svi senzori LHC-a generisati 15 petabajta (miliona gigabajta) podataka godišnje, a to je količina koju ne može ni da prihvati, a kamoli da obradi, nijedan računski centar u svetu. Računski centar u CERN-u trenutno ima 5000 računara sa ukupno 20.000 procesorskih jezgara, osam petabajta prostora na hard diskovima i 18 petabajta na magnetnim trakama. Do kraja godine memorijski prostor biće dupliran, ali sve to ni izbliza nije dovoljno da se izbori sa podacima koji će se prikupiti tokom eksperimenata.

Pošto je problem bio poznat od samog početka, krajem devedesetih godina krenulo se sa idejom da se udruže računarski kapaciteti kojima raspolažu naučnici širom sveta. Osnovna ideja odavno je poznata, a najčuveniji projekat je SETI@home (SK 5/2001) gde se obimne analize podataka (dobijenih sa radio teleskopa, u potrazi za vanzemaljskom inteligencijom) „rasparčavaju” na stotine hiljada računara pojedinačnih korisnika. Tako ovaj projekat efektivno raspolaže jednim superračunarom za obradu velike količine podataka.

Rešetka računara

U međuvremenu je razvijen softver koji omogućava da se „udruženi” računari koriste potpuno univerzalno, nezavisno od vrste zadatka, raznorodnosti i raznolikosti računara i bez potrebe za specijalnim softverom samo za određeni zadatak. Takozvani middleware je softverski „sloj”, koji se na računarima smešta između aplikacije i lokalnog operativnog sistema, a zadužen je raspoređivanje zadataka koje aplikacija postavlja i vrši razmenu podataka sa drugim „udruženim” računarima. Sa stanovišta aplikacije, pa time i korisnika, tako stvorena rešetka (engl. – grid) udruženih računara ponaša se kao „jedna stvar”, koristeći maksimalne potencijale koje mogu ukupno da pruže računari u tom gridu. Za razliku od računarskih „grozdova” (engl. cluster, SK 10/2004), gde su pojedinačni računari u klasteru potpuno posvećeni tome da „rade kao jedan”, računari u gridu mogu uporedo da rade i sve druge poslove, van poslova iz grida kojem pripadaju.

Za potrebe LHC-a, još 2002. godine formiran je WHCG (Worldwide LHC Computer Grid) koji je od tada narastao na skup od 140 računarskih centara u 33 zemlje, i sasvim je sposoban da se izbori sa količinom podataka i njihovom obradom. Pomenuti računski centar u CERN-u, iako, logično, isporučuje sve podatke iz LHC eksperimenata, u obradi učestvuje samo sa 20 odsto, dok se ostalim delom bave računski centri širom sveta.

Početak lavine

Naravno, složeni obračuni postoje i u drugim institucijama i drugim oblastima nauke, pa su nezavisno nastajali i drugi gridovi računara. Međutim, kao što je imao pionirski doprinos kod nastanka fenomena World Wide Web, tako je CERN i ovde pokrenuo neke dalekosežne stvari. Već 2004. godine, samo dve godine posle formiranja WHCG, ovaj grid je postao okosnica mnogo značajnijeg i šireg projekta EGEE (Enabling Grids for E-sciencE, www.eu-egee.org), koji potpomaže i Evropska unija. EGEE grid trenutno objedinjuje računare u 140 institucija na 300 lokacija u 50 zemalja, sa ukupno oko 80.000 procesorskih jezgara. Ovaj grid je dostupan široj zajednici za istraživanja u različitim naučnim oblastima. Sličan grid opštenaučne namene formiran je i u SAD, pod nazivom OSG (Open Science Grid, www.opensciencegrid.org).

Prolazeći kroz nekoliko faza razvoja, EGEE će do kraja 2010. godine tehnički i organizaciono dostići projektovani nivo, a zatim bi trebalo da preraste u EGI (European Grid Initiative). Nova organizacija evropskog grida biće manje centralizovana, odnosno povezaće se NGI (National Grid Initiative) gridovi svih evropskih zemalja, a EGI tim će vršiti samo koordinaciju između nacionalnih organizacija. Prelazak sa EGEE na novu EGI organizaciju i ustrojstvo gridova trebalo bi da bude postepen i potpuno neprimetan za korisnike.

• • •

Kao što rekosmo, bez formiranja superračunara u vidu grida od svetskih računskih centara ne bi bilo moguće pratiti rezultate eksperimenata u CERN-ovom sudaraču čestica. Međutim, značajni računarski resursi potrebni su za istraživanja i u mnogim drugim oblastima. Gridovi računara već pomažu u traženju leka protiv raka i side. Dobar je i primer od pre dve godine, kada je bila aktuelna borba protiv epidemije tzv. ptičjeg gripa. Tada je tim stručnjaka iz Azije nameravao da uradi simulaciju i ustanovi kako bi 300.000 jedinjenja reagovalo na osam poznatih varijacija virusa ptičjeg gripa. Zahvaljujući formiranju grida od oko 2000 računara na Tajvanu, u Italiji, Francuskoj, Velikoj Britaniji i drugim delovima sveta, složeni proračuni su za samo četiri nedelje doveli do 123 potencijalna jedinjenja, od kojih je sedam pokazalo efekte i u praksi. Poređenja radi, da su ti isti stručnjaci proračune radili samo na jednom računaru, rezultate bi imali posle 137 godina!

Treba li nešto više reći o koristi udruživanja računara u gridove?

Tihomir STANČEVIĆ