18+
18+
РЕКЛАМА

#ВзрывМозга.
Командировка на коллайдер.
Как томичи помогают раскрывать тайны Вселенной

автор
Катерина Кайгородова

Осенью 2015 года трое молодых ученых из Томского политехнического университета отправились на стажировку в ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований.

Валерий Парубец, Татьяна Корчуганова и Максим Губин по специальности не физики, поэтому они не принимают участие в физических экспериментах и анализе полученных данных. Валерий занимается оптимизацией хранилища данных с Большого адронного коллайдера, Татьяна — мониторингом этих данных, а Максим, ведущий программист кафедры оптимизации систем управления ИК, — анализом производительности вычислительных задач сети Grid, куда стекаются все данные ЦЕРНа.

Он и рассказал нам, как устроена вычислительная сеть ЦЕРНа и как сделать ее еще лучше.

Большой адронный коллайдер (по-английски LHC — Large Hadron Collider) — это ускоритель элементарных частиц. БАК находится на территории Швейцарии и Франции, вблизи Женевы, в туннеле на глубине около 100 метров. Его периметр составляет примерно 27 км. Исследования координирует ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований, но реально на нем работают десятки тысяч человек из разных стран и организаций.

В туннеле-ускорителе встречные потоки элементарных частиц (в основном протонов) сталкиваются между собой, и в результате столкновения рождаются новые частицы. В том числе редкие для нашего мира, а также те, которые нельзя зарегистрировать другими способами (подробнее о протон-протонных столкновениях можно прочитать здесь). Вокруг точек столкновения частиц построено несколько детекторов, самые крупные из которых — ATLAS и CMS.

С помощью коллайдера ученые ищут подтверждение теоретическим моделям устройства нашего мира. Самое нашумевшее открытие, сделанное на БАК — обнаружение бозона Хиггса. О других интересных результатах работы коллайдера на сегодняшний день можно прочитать здесь.

Мощь ATLASa

Томичи работают в коллаборации, которая проводит эксперименты с помощью самого большого на коллайдере детектора — ATLAS. На нем стоят миллионы датчиков, которые собирают и передают разнообразную информацию о столкновениях частиц. Это огромное количество данных — петабайты в секунду (более миллиона гигабайт).

Макет детектора ATLAS

Большая часть данных никому не интересна, так как описывает стандартные взаимодействия элементарных частиц, и отбраковывается уже на уровне первичных триггеров. Это система специальных процессоров, которые пропускают только те события, которые теоретически (но совсем необязательно) выходят за рамки обычного — примерно одно из 400 событий. Дальнейшая отбраковка идет уже компьютерным способом. Второе и третье программные «сита» пропускают еще примерно одно из 450 оставшихся событий. Но даже это — чудовищные массивы данных, которых при нынешних вычислительных мощностях уже хватит на столетия обработки.

Сырые данные с датчиков ждут своего часа в хранилище. Когда одна из физических групп ЦЕРНа хочет исследовать какой-либо набор данных, она формирует запрос на его обработку. Затем задание делится на мелкие задачи — их может быть несколько десятков тысяч. Далее данные обрабатываются по специальному алгоритму, и результаты обработки поступают в распоряжение физиков для анализа.

Распределенная вычислительная сеть ЦЕРНа

— Уровень (Tier) 0. Сюда поступают «сырые» данные с коллайдера. Здесь происходит первичная реконструкция.

— Уровень 1. Вычислительные узлы, обеспечивающие гарантированное хранение данных — как «сырых», так и обработанных. Эти узлы находятся в научных центрах разных стран и даже разных континентов — чтобы данные сохранились даже в том случае, если один из узлов будет разрушен. В том числе и в российской ОЭЗ «Дубна».

— Уровень 2 и 3. Сеть компьютеров, где производятся вычисления и анализ данных.

Иллюстрация: Автоматизированная система уровня Tier1 обработки данных эксперимента СMS. Авторы: Н. С. Астахов, С. Д. Белов, И. Н. Горбунов, П. В. Дмитриенко, А. Г. Долбилов, В. Е. Жильцов, В. В. Кореньков, В. В. Мицын, Т. А. Стриж, Е. А. Тихоненко, В. В. Трофимов, С. В. Шматов

— Проблема в том, что вычислительная сеть ЦЕРНа создавалась в срочном порядке физиками с дополнительным хобби программирования, — делится впечатлениями Максим Губин. — Она работоспособна, но не совсем оптимальна. Есть довольно много областей, в которых ее можно улучшить. Мы не лезем в данные, которые снимаются с коллайдера, не лезем в алгоритмы обработки, потому что для этого нужно быть и не просто физиком, а одним из лучших физиков мира. Мы, программисты, занимаемся оптимизацией обработки данных с точки зрения инфраструктуры вычислительной сети.

Виртуальные машины в облаке

Вычислительная сеть ATLAS очень большая и разнородная — в нее входят как кластеры суперкомпьютеров, так и домашние компьютеры, на которых установлена программа ATLAS@Home. ЦЕРН умеет дробить данные по столкновению частиц на вычислительные задания практически любых размеров, которые могут быть выполнены на компьютерах разной мощности и в разные сроки.

В ЦЕРНе гордятся тем, что им удалось привлечь к работе так называемые «оппортунистические ресурсы». Например, суперкомпьютеры США, которые предназначены для выполнения таких сложных заданий, как моделирование ядерных взрывов и тому подобное. Эти расчеты требуют недель работы большого суперкомпьютера, и нет особого смысла дробить их на мелкие задания. Если планируется техобслуживание суперкомпьютера, а предыдущий расчет он выполнил, например, за три дня до даты предполагаемой остановки, то оставшееся время, скорее всего, он будет простаивать. И тут появляется ЦЕРН, который способен создать ровно такое количество задач, чтобы суперкомпьютер успел просчитать их до момента выключения. В итоге физики получают огромное количество дополнительных вычислительных мощностей, а владельцы суперкомпьютеров — прибыль, которой иначе они бы лишились. И все довольны.

По дороге в ЦЕРН

Вычисления для ЦЕРНа делают и некоторые суперкомпьютеры из России. А в недалеком будущем, скорее всего, к этой работе подключится и суперкомпьютер ТПУ.

В ЦЕРНе очень активно применяются так называемые «виртуальные машины». Это образ, эмуляция компьютера, который можно запустить на другом компьютере, и он продолжит начатую работу. Разные машины специализируются на разных задачах: хранении данных, постановке задач, вычислениях, мониторинге. Все они работают в общем облаке и взаимодействуют между собой. Это позволило создать широкую и мобильную вычислительную сеть.

В коридорах ЦЕРНа

В поисках «неоптимальностей»

Однако эта сеть не всегда работает оптимально. Поиском «узких мест» вычислительной сети занимаются в IT-департаменте ЦЕРНа, где проходит стажировку наш Максим Губин.

— Вычисления будут закончены только тогда, когда будет посчитана последняя задача, — рассказывает Максим. — Если 99 задач из 100 завершились за 30 секунд, а последняя выполнялась трое суток, физики получат результат только через трое суток. Поэтому если есть хотя бы один процесс, который выполняется слишком медленно, его надо найти и устранить. В частности, мной было замечено, что результаты вычислений очень долго загружаются обратно в хранилище. Неизвестно, чем это вызвано — могут быть сотни причин. Но теперь, когда программисты знают об этой проблеме, они будут искать пути ее решения.

Осень в ЦЕРНе

Сейчас Максим учится выявлять неэффективности в работе вычислительной системы вручную. Конечно, не в буквальном смысле. Вычислительная система собирает огромное количество данных о своей работе — десятки гигабайт в сутки. Просматривать их глазами бессмысленно: один только журнал вычислительных заданий в сутки вырастает на десятки миллионов записей. То есть, он будет проматываться гораздо быстрее, чем человек способен читать. Зато человек может анализировать эти данные с разных сторон. Например, с точки зрения времени выполнения заданий. Программист берет, допустим, миллион заданий и выясняет: какой процент из них был выполнен менее чем за 10 секунд, какой — от 10 до 20 секунд, и так далее. Если все задания выполняются более-менее одинаковое время — это хорошо. Если имеется большой разброс — с этим надо что-то делать.

Обычно нельзя сказать однозначно, что является причиной некорректной работы системы. Программист может сделать предположение, попробовать что-то поменять в программном коде и посмотреть, стало ли лучше.

— Я, на самом деле, очень сочувствую программистам, которые работают с «живой» системой, — то ли в шутку, то ли всерьез говорит Максим. — Потому что если ошибку совершит аналитик, то ее могут вообще не заметить. А ошибку программиста, работающего с кодом, видно сразу и всем. Известен случай, когда попытка улучшить алгоритм вычислений привела к снижению производительности всего вычислительного центра ЦЕРН втрое на целые сутки.

В идеале, конечно, поиск «узких мест» должен производиться автоматически. Над этим и планирует работать Максим Губин после того, как уверенно разберется в структуре и функционировании вычислительного центра ЦЕРНа.

Деревянный глобус — символ ЦЕРНа

Еще одна задача, которой будет заниматься Максим и в Швейцарии, и после возвращения в Томск — участие в создании каталога данных и знаний. Так как с данными коллайдера работает большое количество коллективов ученых, случается, что они начинают одновременно делать одни и те же расчеты одного и того же набора данных. Чтобы они не тратили время зря, планируется создать каталог, в который автоматически бы вносились сведения о выполненных расчетах. С одной стороны, позволит избежать лишней работы, а с другой — станет платформой для дальнейшего анализа этих сведений и проведения метаисследований.

Часть каталога данных и знаний ЦЕРНа будет реализована в Томском политехническом университете, в лаборатории обработки больших объемов данных. Ее планируется открыть в Институте кибернетики ТПУ. Здесь и продолжит свою работу Максим Губин, когда летом этого года вернется из своей долгой командировки.

Фото: Владимир Дударев, из личного архива Максима Губина

Томские новости

Ученые ТПУ предложили простой способ получения «заготовок» для основы новых лекарств

21 сентября 2026
Томские новости

Томские ученые помогли найти метод получения дешевых материалов для очистки воды из отходов пластика

18 сентября 2026
Томские новости

В Томске после двухлетнего ремонта открылась историческая Мариинская школа №3

1 сентября 2026
Томские новости

«Только небывалое достойно воплощения»: первокурсники ТПУ построили башни из шпажек и выиграли поездку на Останкинскую

10 сентября 2026
Томские новости

Томским восьмиклассникам стал доступен первый видеокурс по химии, созданный с помощью ИИ

10 сентября 2026
Томские новости

Бесплатные экскурсии по историческим корпусам политеха ждут томичей в сентябре

15 сентября 2026
Томские новости

Как выглядит изнутри старейшая школа Томска — Мариинская СОШ №3: фото интерьеров

2 сентября 2026
Томские новости

Единый день знаний прошел в Томске

31 августа 2026
Томские новости

Томские ученые создали термостойкий датчик-«сэндвич» для анализа выхлопных газов

25 августа 2026