探索升级 Xilinx FPGA助力大型强子对撞机大规模升级

据国外媒体报道，一年前，欧洲核子研究组织的大型强子对撞机发现了有着“上帝粒子”之称的希格斯玻色子。这是科学研究史上最伟大的发现之一。现在，强子对撞机的电脑屏幕一片漆黑，控制台前没有任何人影，用于进行质子束对撞的巨型超冷却环形隧道也是空空如也。不过，这种安静只是一种假象。幕后，科学家正在紧张工作，对强子对撞机进行一次大规模升级。这次升级能够让对撞机帮助科学家进一步扩大知识的边界。

欧洲核子研究组织的大型强子对撞机，一名工作人员站在多功能探测器CMS(紧凑渺子线圈实验的英文缩写，以下简称CMS)下面。此时，工作人员正对对撞机进行整修。大型强子对撞机的环形隧道长27公里，座落于法国-瑞士边境地下100米，安装了很多适用于太空飞船的装置

科学家注视着大型强子对撞机的一段环形隧道。此时，对撞机已经关闭。大型强子对撞机是世界上最大的粒子对撞机，一年前发现了有着“上帝粒子”之称的希格斯玻色子。这是科学研究史上最伟大的发现之一

一名工作人员在CMS前方走过。CMS是大型强子对撞机的一部分。2013年2月，强子对撞机关机，随后进行为期18个月的检查。在2015年重启对撞实验时，欧洲核子研究组织的科学家将利用升级后的对撞机探测暗物质、暗能量和超对称

现在，强子对撞机的电脑屏幕一片漆黑，控制台前没有任何人影，用于进行质子束对撞的巨型超冷却环形隧道也是空空如也。不过，这种安静只是一种假象。幕后，科学家正在紧张工作，对强子对撞机进行一次大规模升级。这次升级能够让对撞机帮助科学家进一步扩大知识的边界。

满功率运转时，强子对撞机每秒可进行5.5亿次对撞。对撞机操作组负责人麦克-拉蒙特表示：“我们将尽可能增加对撞次数。对撞次数就像是我们的奶油和面包。对撞产生的绝大多数数据都不是让人非常感兴趣的东西，对海量数据进行筛选是一项巨大挑战。”

大型强子对撞机是世界上最大的粒子对撞机。科学家通过让质子束在对撞机的巨型环形隧道内进行对撞模拟大爆炸，用以搜寻神秘莫测的上帝粒子。一年前，强子对撞机通过质子束对撞实验确定了有着“上帝粒子”之称的希格斯玻色子的可能形态。长久以来，科学家便一直在寻找这种赋予宇宙万物质量的神秘粒子。

大型强子对撞机的环形隧道长27公里，座落于法国-瑞士边境地下100米。2013年2月，强子对撞机关机，随后进行为期18个月的检查。在2015年重启对撞实验时，欧洲核子研究组织的科学家将利用升级后的对撞机探测暗物质、暗能量和超对称。超对称理论与希格斯玻色子齐名，于半个世纪前提出。

在工程师将目光聚焦技术方面的任务之时，物理学家则在分析对撞机自2010年以来获取的海量数据，希望能够从中发现更多“金矿”。欧洲核子研究组织的蒂兹诺-卡姆珀勒斯表示：“比较容易做的事情我们都已经做完了。现在，我们要进行深入研究，寻找我们未知或者此前不可知的东西。我们经常说天文学家的工作更简单一些，因为他们能够看到自己正在寻找的东西。”

大型强子对撞机的粒子对撞将能量转化成质量，对撞实验的目标是在亚原子碎片中搜寻基本粒子，帮助科学家进一步了解宇宙。满功率运转时，强子对撞机每 秒可进行5.5亿次对撞。对撞机操作组负责人麦克-拉蒙特表示：“我们将尽可能增加对撞次数。对撞次数就像是我们的奶油和面包。对撞产生的绝大多数数据都 不是让人非常感兴趣的东西。对海量数据进行筛选是一项巨大挑战，但我们需要通过筛选剔除无用的数据，从中挑选中我们感兴趣的东西。”对撞机的环形隧道安装 了很多适用于太空飞船的装置。有趣的是，工作人员骑着“卑微”的自行车进行巡查。

借助于欧洲核子研究组织的超级计算机，物理学家对质子束对 撞产生的数据进行分析，通过这种分析进一步加深对宇宙的了解。欧洲核子研究组织的发言人詹姆斯-基勒斯表示：“我们希望了解粒子的行为，了解它们为何以及 如何聚集在一些，在微观尺度下构成我们称之为原子和核子的极其微小的东西，在较大尺度下构成我们称之为人、椅子和建筑的日常事物，以及在更大尺度下构成行 星、恒星系统和星系。”

对于外行人来说，欧洲核子研究组织进行的研究过于复杂，很难理解。对此，研究人员正在寻找简化的方式。底夸克探测器 项目发言人皮耶路易吉-坎帕纳开玩笑地说：“所有人都知道电子是什么，尤其是在将手指插入电源插座的时候。”坎帕纳的团队证实了标准模型，准确度和可信度 创历史之最。标准模型于上世纪70年代提出，是粒子物理学的基本理论框架。坎帕纳的团队对Bs粒子的变化进行了有史以来最精确的测量。测量结果显示，在每10亿个Bs中，只有极少数衰变成更小的粒子μ介子并且是成对出现。在专家们眼里，这一发现足以与发现有着“上帝粒子”之称的希格斯玻色子相提并论。

希格斯玻色子由英国物理学家彼得-希格斯1964年提出，用于解释一种怪异的现象，即为何一些粒子拥有质量，而其他粒子——例如光线——没有质量。据信，希 格斯玻色子就像是泡在糖浆中的叉子。当把这个叉子举起来，暴露于充满灰尘的空气中时，一些灰尘穿过叉子，绝大多数灰尘粘在叉子上。换句话说，获得质量。质 量产生引力，引力将粒子聚集在一起。

标准模型是一项可信赖的理论，但仍无法解释引力，也无法解释暗物质和暗能量。暗物质和暗能量在宇宙的构 成中占绝大多数比重，科学家根据普通物质受到的影响推断出它们的存在。一些物理学家支持超对称理论。这一理论认为每一种已知粒子都有与之相对称的镜像粒 子。吉勒斯表示：“我们拥出了相应的理论，可以描述我们周围所有的正常可见物质。不过，可见物质在宇宙中的比重只有大约5%左右。”

大型强 子对撞机取代1989年至2000年服役的大型电子-正电子对撞机。这台对撞机2008年服役，后来因出现故障不得不进行为期1年的整修。强子对撞机对撞 时的能量达到8 TeV，相比之下，大型电子-正电子对撞机只有0.2 TeV。在投入5000万瑞士法郎(约合5100万美元)进行升级之后，强子对撞机进行对撞实验时产生的能量可达到14 TeV。物理学家乔尔-古尔德斯特恩表示：“每次分析完大量数据，总有人找个理由，开香槟庆祝。随着数据分析工作的继续，这样的理由越来越少。”

这个大型强子对撞机将质子和重离子加速到接近光的速度并相互撞击，重新创造出宇宙大爆炸后很短时间内才存在的条件。科学家们一般认为宇宙自大爆炸以来一直在变冷，我们所熟悉的一切都源于最初的大爆炸。LHC中的粒子撞击能够模仿大爆炸时的能量密度，从而使我们能够了解宇宙演化极早期时的情形。这些实验有可能发现有关物质的新知识，使我们对宇宙中原子深处微小粒子的理解产生革命性的变化。在这个装置中大量采用了赛灵思的FPGA。最早采用的是virtex-4 FPGA ，所有XC4VFX100器件同时独立完成第一级数据压缩，迅速处理并分类轨迹数据。总数据速率高达2.7Tbs/s的数据通过总共120片赛灵思FPGA进行处理 。

两束称为“强子”(质子或铅离子)的粒子在圆形加速器内沿相反方向被加速。然后，物理学家控制粒子相撞。在LHC中将进行一系列实验，全球各地的科学家小组会利用专用探测器来分析撞击所产生的粒子。

Xilinx FPGA的作用

当反向强子束以极高速度相撞时将会产生大量亚原子粒子。为监视撞击生成的大量粒子，ALICE实验中将利用特殊的光子探测器以亚毫米精度来测量每次撞击产生的数以千万计的粒子的轨迹位置。转换辐射探测器(TRD)拥有120万个模拟探头。系统将每个模拟信号转换为一个10MHz 10位数据流。540个单个探测器组合为18个超级模块。这些单个模拟信号利用67000个前端芯片进行预处理。这样，生成的原始数据流达每秒120Tbits。系统对数据进行预处理和压缩后通过1080个光学链路发送出去。每条链路的数据速率达2.5 Gbps。这些光缆连接到载有90个轨迹匹配单元(TMU)卡的机架。每块卡有12个光电转换器，分别连接到一片赛灵思Virtex-4 FPGA的12个MGT收发器输入。所有XC4VFXl00器件同时独立完成第一级数据压缩，并迅速处理并分类轨迹数据。总数据速率达2.7 Tbits/s的数据由120片赛灵思FPGA共同完成，其电90片FPGA在TMU机架上。ALICE设计人员将剩余的30片FPGA以树形结构连接到更高级模块。在树形结构顶端的FPGA完成最终的触发决策(捕捉重要内容并过滤冗余信息)。FPGA实现的强大算法帮助去除重复的冗余数据或不重要的数据，因此整个系统能够在一毫秒内适配和选择2000多个轨迹参数，同时避免了CERN数据处理和存储系统的信息过载。每片XC4VFX100 FPGA集成有两个IBM PowerPC微处理器，其中一个运行Linux操作系统来完成系统验证和内部管理。

随着赛灵思不断推出更高阶的产品，对撞机应用的FPGA也逐渐升级，从最早的virtex-4升级到virtex-5 、virtex-7。这个对撞机中还采用了10万片ADI的数模转换器。