/ Science

CERN Grid สุดยอดเทคโนโลยีเบื้องหลังเครื่องเร่งอนุภาคใหญ่ที่สุดในโลก

วันที่ 16 มิถุนายนที่ผ่านมา ผมได้มีโอกาสเข้าร่วมการอบรมผู้แทนประเทศไทยที่จะไปเข้าร่วมกิจกรรมด้านวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ที่ CERN ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ ซึ่งเป็นหนึ่งในโครงการความร่วมมือไทยเซิร์น การอบรมในครั้งนี้ได้เปิดโอกาสให้บุคคลทั่วไปเข้าร่วมฟังด้วย ผมจึงได้ลงทะเบียนเข้าร่วมในฐานะผู้สนใจ ไปกับ @Sucharnt จาก Sucharn Blog (ซึ่งฐานข้อมูลพัง ทำเว็บใหม่อยู่) เพื่อนของผมจากโรงเรียนเตรียมอุดมศึกษา โดยหวังว่าจะได้ข้อมูลสนุก ๆ มาเล่าให้ทุกคนฟัง ซึ่งเรื่องราวของ CERN นั้นผมได้ติดตามมาเป็น 10 ปีแล้ว ตั้งแต่เดินเครื่องครั้งแรกในปี 2008

A Large Hadron Collider

ลึกลงไปใต้พื้นของเทือกเขาแอลป์ พรมแดนระหว่างประเทศสวิสเซอร์แลนด์ กับ ฝรั่งเศส อุโมงยาว 27 กิโลเมตร ที่เดิมทีเรียกว่า LEP (Large Electron–Positron Collider) ได้ถูกอัพเกรดให้กลายเป็น LHC - Large Hadron Collider เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลก มีพลังงานมากที่สุดในโลก ความยาวที่สุดในโลก ใช้ไฟฟ้ามากที่สุดในโลก และราคาแพงที่สุดในโลก ที่ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อศึกษา Particle Physics หรือ ฟิสิกส์อนุภาค ศาสตร์ที่ตอบคำถามว่า เอกภพของเราถูกสร้างขึ้นมาอย่างไรและประกอบมาจากอะไรบ้าง

Lake Geneva, Airport and Alps

ใครจะรู้ว่าภายใต้เมืองอันสงบที่ห้อมล้อมไปด้วยเทือกเขาแอลป์นั้น จะมีสุดยอดสิ่งประดิษฐ์ที่เป็นหนึ่งในสิ่งที่แพงที่สุดที่มนุษย์เคยสร้างขึ้นมา อุโมงค์ใต้ดินยาว 27 กิโลเมตร ที่ถูกหล่อเย็นด้วยไนโตรเจนเหลว ทำให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า −271.25 °C ซึ่งเย็นกว่าในห้วงอวกาศอันไกลโพ้น เพื่อให้เกิดสถานะ Superconductor หรือ ตัวนำยวดยิ่ง นำพา ลำโปรตอน (Proton Beam) วิ่งผ่านท่อเหล่านี้ด้วยอัตราเร็วเกือบจะเท่าความเร็วแสง ณ พลังงาน 13 TeV (เทระอิเล็กตรอนโวลต์)

Accelerator Systems-Large Hadron Collider

ลำโปรตอนเดินทางด้วยความเร็ว 99% ของความเร็วแสงสวนกันในท่อก่อนที่พวกมันจะถูกปล่อยให้มาชนกัน ณ จุดที่เรียกว่า Detector ซึ่งจะตรวจจับอนุภาคที่แตกกระจายออกมาจากพลังงานการปะทะกันของลำโปรตอนเหล่านั้น

ทำไมต้องเร่งอนุภาค ?

อนุภาคที่อยู่เฉย ๆ ของมันล้วนแล้วแต่มีพลังงาน แต่ พลังงานของมันจะน้อยมากจนเราไม่สามารถสังเกตได้ ถ้าผมมีโปรตอนโง่ ๆ ตัวนึง มันก็คือโปรตอน แต่ถ้าผมจับมันมาใส่ในเครื่องเร่งอนุภาคแล้วใช้สนามไฟฟ้าของเครื่อง ดึง ผลัก ดึง ผลัก ดึง ผลัก มันไปเรื่อย ๆ โปรตอนก็จะวิ่งไปยังทิศทางที่ผมกำหนดให้ เพราะโปรตอนนั้นเป็นอนุภาคประจุบวก เมื่อเจอกับสนามไฟฟ้าลบมันก็จะดึงเข้าหากัน แล้วถ้าเจอสนามบวก มันก็จะผลักกัน หลักการนี้ทำให้โปรตอนสามารถวิ่งไปในท่อที่เรากำหนดได้ เราเรียกเครื่องเร่งอนุภาคแบบนี้ว่า Linac (linear accelerator) คือเร่งอนุภาคให้เป็นแนวตรง แต่!! ข้อเสียของมันคือมันมีจุดเริ่มต้นและมีจุดสิ้นสุด ทำให้มีข้อจำกัดด้านพลังงานและความเร็วของอนุภาค จึงได้มีการคิดเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงแหวน (Circular) ที่ใช้หลักการเร่งอนุภาคเหมือน linear เพิ่มเติมคือจะมีวงบังคับเลี้ยว โดยใช้หลักการการเหนี่ยวนำ (solenoid) ให้อนุภาคเคลื่อนที่โค้งไปจนเป็นวงแหวน ไม่มาชนกับฝาผนังของท่อ ข้อดีของมันคือเราสามารถเพิ่มพลังงานให้มันไปเรื่อย ๆ ตราบใดที่อนุภาคยังคงวิ่งวน ๆ ไปในท่อเครื่องเร่งอนุภาคของเรา

Large Hadron Collider magnets

ภาพด้านบนคือท่อที่ใช้ใน LHC ที่ตัดแนวขวางให้เราเห็นส่วนประกอบภายในท่อ ซึ่งถูกหุ้มด้วยไนโตรเจนเหลว ทำให้อุณหภูมิติดลบกว่า −271.25 °C ซึ่งทำให้เกิดสภาพ Superconducting จึงกลายเป็นตัวนำที่ดีที่สุดในเอกภพนี้

อ่อ ลืมบอกไป อนุภาคที่เราจะเร่ง มีข้อแม้ว่ามันต้องมีประจุเท่านั้นนะครับ เพื่อที่ว่ามันจะสามารถเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้าได้ เช่น โปรตอน, อิเล็กตรอน, แอนตี้อิเล็กตรอน แต่อย่าง นิวตรอนซึ่งเป็นอนุภาคไม่มีประจุเราจะไม่สามารถเร่งได้ แต่เราจะเพิ่มพลังงานให้มันได้ก็ต่อเมื่อเราจะนำอนุภาคอื่น ๆ ไปชนมัน เช่น เร่งโปรตอนให้ไปชนมัน

ตรวจหาอนุภาคใหม่ที่ได้จากการชนกัน

หากเราอยากรู้ว่าในแตงโมมีอะไร เราก็อาจจะเขวี้ยงแตงโมให้มันชนกันจนแตก ทำให้เนื้อแตงโมและเมล็ดของมันกระจายออกไปทุกทิศทาง แต่สำหรับอนุภาคพวกนี้แล้ว เราต้องแยกให้ออกว่าอนุภาคที่พุ่งออกมาจากแกนกลางของ ท่อ LHC นั้นคืออะไร เราจึงต้องมี Detector ล้อมรอบท่อเอาไว้ และมี Electromagnetic Calorimeter ไว้ตรวจวัดพลังงานของอนุภาค ทำมาจาก Lead tungstate crystals มีความ sensitive สูงมาก

CERN - CMS

Detector แต่ละตัว จะใช้เทคนิคการตรวจจับที่แตกต่างกัน โดย LHC มี Detector ทั้งหมด 4 ตัว เรียกว่า 4 Expirement แต่ละตัวก็จะมีหน้าที่ของมัน

CMS

Compact Muon Solenoid

น่าจะเคยเห็นชินตากันเป็นอย่างดีกับเครื่องตรวจจับอนุภาคที่ทาสีแดง สวยงามเด่นชัน เทคนิคที่ CMS ใช้นั้นคือเทคนิคเดียวกับ Detector ของ LEP โดยมีการแบ่งชั้นแม่เหล็กออกเป็นชั้น ๆ ที่คอยสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าความเข้มข้นสูง ในสถานะ Superconducting Solenoid ที่เข้มข้นประมาณ 4 เทสล่า (ลองไปหาข้อมูลมาพบว่า เข้มกว่าสนามแม่เหล็กโลกถึงหนึ่งแสนเท่า!) แม่เหล็กเหล่านี้จะคอยบิดทิศทางของอนุภาคเมื่อมันกระจายออกมาจากแกนของ Detector ดังนั้นอนุภาคใดที่มีประจุมันจะเดินทางแนววิถีโค้ง ผ่าน Trap แต่ละตัวซึ่งจะนำภาพที่ได้มาสร้างเป็นแบบจำลอง 3 มิติการเคลื่อนที่ของอนุภาค ดังนั้นอนุภาคที่ไม่มีประจุ มันจะวิ่งแบบไม่สนใจใครตรง ๆ ทะลุแม่เหล็กไปแบบไม่แคร์สื่อ ซึ่งเมื่อดูจากภาพ 3D แล้ว เราก็จะพอเดาออกว่าอนุภาคที่กระจายออกมานั้น มีคุณสมบัติเป็นอย่างไร

CMS detector

ATLAS

A Toroidal LHC ApparatuS

เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ถูกออกแบบมา ทำให้มีการใช้งานที่หลากหลายมากตรวจจับอนุภาคได้แทบทุกชนิด มีความแม่นยำสูง สีของ ATLAS อาจจะไม่แดงสดสวยเท่า CMS แต่ผลงานของมันก็ไม่ธรรมดา เพราะเป็น Detector ที่ยืนยันการมีอยู่จริงของ Higgs Boson ในปี 2012 มาแล้ว เทคนิคที่ ATLAS ใช้คือจะมีระบบแม่เหล็กขนาดใหญ่สร้างสนามแม่เหล็ก มีระบบ Tracking ที่ละเอียดอย่าง Transition Radiation Tracker และ Muon Spectrometer ทำให้มันสามารถจับอนุภาคได้เกือบทุกรูปแบบ และใช้ในการพิสูจน์ SUSY - Supersymmetry (สมมาตรยวดยิ่ง) ได้ด้วย

atlas_cern

ALICE

A Large Ion Collider Experiment

ชื่อก็บอกอยู่แล้วว่าศึกษาการชนกันของอนุภาคที่เป็นไอออน ซึ่งเราจะใช้ Lead Ion หรือ ตะกั่วซึ่งเป็นอนุภาคที่หนักพอสมควร (นิวเคลียส) ของมัน ทำให้เราสามารถศึกษาสมบัติของพลาสมาของอนุภาคควาร์ก (ที่ประกอบกันเป็นโปรตอนและนิวตรอน) อนุภาคกลูออน (ที่เชื่อมควาร์กเข้าด้วยกัน) ซึ่งเหตุผลก็คือ เมื่อตอนที่เอกภพกำเหนิดนั้นควาร์กและกลูออนยังคงเป็นอิสระจากกัน ยังไม่เกิดเป็นฮาดรอน (โปรตอนและนิวตรอน) ซึ่งเป็นภาวะหลังเกิด Big Bang ใหม่ ๆ

ALICE.jpg

LHCb

Large Hadron Collider beauty

เดิมทีแล้ว เอกภพของเราประกอบไปด้วยสสารทั้ง 2 ชนิด คือสสารธรรมดาและปฏิสสาร แล้วปัจจุบัน ปฏิสสารมันหายไปไหน ?? LHCb จึงเป็นเครื่องมือที่จะช่วยเราหาคำตอบนี้ ตัว b นั้นมาจาก b-hadrons อนุภาคที่ประกอบไปด้วย bottom quark นั่นเอง โดยจะมีการใช้ spectrometer เข้ามาเป็นอุปกรณ์ในการตรวจจับการสลายตัวของอนุภาคด้วย

LHCb

มาร้องเพลงกันเถอะ

ไม่ได้พูดเล่นครับ ผมมีเพลงจะให้ทุกคนหัดร้องจริง ๆ เอาเป็นว่าเริ่มจากการฟังกันก่อนและกัน ถ้าใครว่างก็ลองหัดร้องดูถ้าร้องได้จนจบผมเชื่อว่าคุณจะเป็นผู้ที่มีความรู้และจำรายละเอียดการทดลองต่าง ๆ ของ CERN ได้อย่างชัดเจนแม่นยำมากที่สุดเลยทีเดียว คลิปนี้ทำขึ้นโดยนักฟิสิกส์จาก CERN ที่ดังมากคนนึง เพลงนี้จะมีเนื้อหาบอกเล่าเรื่องราวของ LHC และ CERN ทั้งหมด ถ้าใครที่ชอบ CERN ผมว่าถ้ายังไม่เคยดูคลิปนี้นี่เสียชาติเกิดเลยครับ

เนื้อหาจากเพลงท่อนที่สำคัญที่สุดเลยก็คือ

Twenty-seven kilometers of tunnel underground, designed with mind to send protons around a circle that crosses through Switzerland and France. Sixty nations contribute to scientific advance.

Two beams of protons swing 'round through the ring they ride
'til in the hearts of the detectors they're made to collide!

And all that energy packed in such a tiny bit of room
becomes mass particle created from the vacuum.
And then

LHCb : sees where the antimatter's gone
ALICE : looks at collisions of lead ions
CMS and ATLAS are two of a kind: They're looking for whatever new particles they can find.


เห็นไหม ถ้าร้องได้ทั้งเพลงนี่เราจะบอกได้อย่างละเอียดเลยว่า CERN ทำอะไรบ้าง ซึ่งผมก็ต้องบอกก่อนว่าอุปกรณ์หรือ Instrument พวกนี้ยังไม่ใช่ทั้งหมดที่ CERN มี จริง ๆ แล้วยังมี Instrument อื่น ๆ อีกเยอะแยะที่ไม่ได้กล่าวถึงซึ่งการทดลองก็จะแตกต่างกันออกไป แต่ในที่นี่ขอยกตัวอย่างมาแค่ 4 จตุรเทพหลักของ LHC ครับ

ความท้าทายของขีดจำกัดด้านคอมพิวเตอร์

เราคงจะได้เห็นกันไปแล้วว่า CERN นั้นคือโคตรแห่งการท้ายทายขีดจำกัด ไม่ว่าจะเป็นด้านงบประมาณ ด้านวิทยาศาสตร์ ด้านความรู้ความสามารถ และที่วันนี้ผมจะพูดถึงก็คือด้านคอมพิวเตอร์ การประมวลผล การจัดการกับข้อมูลมหาศาลที่ได้จากเครื่อง LHC

The Globe of Science and Innovation // CERN

แน่นอนว่าข้อมูลที่ได้จาก sensor และอุปกรณ์ตรวจวัดต่าง ๆ จะต้องมากมายมหาศาล ปกติเราจะเร่งอนุภาคกันประมาณ 20 นาทีเพื่อให้ได้พลังงานสูงสุดก่อน จากนั้นก็จะปล่อย beam ให้วิ่งใน LHC อีกหลายชั่วโมง ก่อนจะปล่อยให้ Proton Beam (แต่ละลำประกอบด้วยโปรตอนประมาณ 100,000 ล้านอนุภาค ) สองลำมาชนกันแต่ละครั้งทุก ๆ 25 นาโนวินาที ก็จะทำให้เกิดการชนกันในระดับอนุภาค (Proton ต่อ Proton) ประมาณ 600 ล้านครั้งต่อวินาที ณ จุดการชนกันที่เรียกว่า interaction point

การชนกันแต่ละครั้งก็จะสร้างอนุภาคจำนวนมากมายที่จะถูกตรวจจับโดย Detector ข้อมูลที่ได้จะถูกส่งผ่านสาย Fiber Optic ไปยัง CERN Data Center เพื่อทำการจัดเรียงข้อมูลให้เป็น collision event และทำการกรองข้อมูลเหล่านั้น ซึ่งก็มีขนาดมหาศาลคือ 62.5 Gigabytes ต่อวินาที สำหรับ Detector 1 ตัว โดยรวม ๆ แล้วข้อมูลใน 1 วันก็จะมีประมาณ 37 Terabytes และต่อปีก็จะมากถึง 15 Petabytes ซึ่งมากกว่าจำนวนรูปที่ถูกเก็บในบริการ Google Photos (13.7 petabytes ) เสียอีก (ในการค้นหา Higgs Boson ใช้ข้อมูลมากถึง 200 petabytes) ซึ่งข้อมูลจำนวนมากมายมหาศาลขนาดนี้ แน่นอนว่า CERN ไม่สามารถจัดเก็บไว้เองได้ ในปี 2002 จึงได้มีการเริ่มต้นโครงการ Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) เนื่องด้วยอินเตอร์เน็ตนั้นสามารถเชื่อมต่อทุกที่ในโลกเข้าหากันได้ การเก็บข้อมูลจึงไม่จำเป็นต้องทำในที่เดียวเสมอไป

WLCG

Worldwide LHC Computing Grid

หากเก็บข้อมูลไม่พอนั้นเราก็คงต้องแบ่งไปให้เพื่อนช่วยเก็บ แต่ข้อมูลมหาศาลขนาดนี้ (บางส่วนก็เป็นข้อมูลดิบ ๆ ยังไม่ถูกประมวลผล) หากโยนให้ทุกคนเก็บมั่ว ๆ แทนที่จะสร้างความสะดวกสบายก็อาจจะเป็นการสร้างความวุ่นวาย และเพิ่มการซ้ำซ้อนของข้อมูลให้ยุ่งยากขึ้นไปกว่าเดิมอีก WLCG จึงได้มีการจัดแบ่งการเก็บข้อมูลออกเป็น Tier

  • Tier 0 - หมายถึงตัว Data Center ของ CERN เองซึ่งตั้งอยู่ที่ Geneva ขนาด Data Center 1,450 ตารางเมตร ใช้ไฟเลี้ยง 3.5 เมกกะวัตต์ ทำงานในระบบ Cluster มี Computing Node 11,000 ตัว รวมแล้วมี CPUs มากกว่า 100,000 คอร์ มีอัตราข้อมูลไหลเข้าออกกว่า 10 gigabytes ต่อวินาที โดยจะทำการรับข้อมูลตรงเข้ามาจาก Experiment ส่วนมากเป็นข้อมูลดิบที่ยังไม่ผ่านการประมวลผล อาจมีการคัดกรองข้อมูลแต่ข้อมูลที่ได้ก็ยังไม่สามารถเอามาสรุปได้ว่าเราเจออนุภาคอะไรใหม่หรือเปล่า

    Data centre for the LHC

  • Tier 1 - เป็น Data Center ที่ทำสำรองข้อมูลให้กับ CERN ซึ่งจะเลือกเก็บข้อมูลตามที่หน่วยงานนั้น ๆ ให้ความร่วมมือ ปัจจุบันมีทั้งหมด 13 แห่งทั่วโลกที่ Canada, Germany, Spain, France, Italy, Nordic countries (กลุ่มประเทศสแกนิเดเวีย), Netherlands, Korea, Russian, Taiwan, United Kingdom, US (Fermilab-CMS และ BNL-ATLAS) ข้อมูลจาก Experiment จะถูกส่งโดยตรงมาจาก CERN โดย CERN ได้กำหนด requirement ให้กับ Tier 1 ว่า ต้องมี Fiber Optic เชื่อมต่อกับ CERN โดยตรง ไม่ผ่านอะไร (direct connection) ณ ความเร็ว 10 Gigabits per second

    270 003 003
    ในภาพคือหนึ่งใน Data Center ที่เป็น Tier 1 ให้กับ CERN ตั้งอยู่ที่ Fermilab ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นที่ตั้งของเครื่องเร่งอนุภาค Tevatron ปัจจุบันไม่มีการเร่งอนุภาคแล้ว แต่ยังมีการ analyze ข้อมูลที่ได้อยู่ ซึ่ง Cluster พวกนี้นอกจากจะใช้สำหรับ Tevatron แล้วยังแบ่งมาช่วยเป็น Tier 1 ให้กับ CERN CMS อีกด้วย

  • Tier 2 - ในขณะที่ Tier 1 ช่วยเก็บข้อมูลดิบมหาศาล Tier 2 ก็จะช่วยเอาข้อมูลเหล่านั้น (แล้วแต่ว่าร่วมมือกับ Experiment อะไร) มาวิเคราะห์ ทำการ analyze ให้เป็นข้อมูลที่สามารถให้นักฟิสิกส์นำไปวิเคราะห์ได้ โดยจุดเด่นของ Tier 2 คือจะต้องมีพลังการประมวลผลที่ค่อนข้างสูง แต่ requirement ด้าน connection จะอนุโลมให้เป็น 1 Gb/s และไม่จำเป็นต้องเป็น direct connection เหมือน Tier 1 ทำให้มีสมาชิกที่เป็น Tier 2 ทั้งหมดถึง 160 แห่ง ประกอบไปด้วย มหาวิทยาลัย, สถาบันวิจัย, ศูนย์คอมพิวเตอร์พลังสูง ที่จะช่วยเอา Mainframe, Supercomputer ของตัวเองมาประมวลผลข้อมูลที่ได้จาก LHC สำหรับประเทศไทยมีหน่วยงานที่ให้ความร่วมมือเป็น Tier 2 ถึง 3 แห่งด้วยกันคือ NECTEC ให้ความร่วมมือ CPU 60 Cores กับ Storage 30 TB ประมวลผลข้อมูลจาก ALICE , Suranaree University of Technology ให้ความร่วมมือ CPU 320 cores กับ Storage 100 TB ประมวลลข้อมูลจาก ALICE เช่นเดียวกัน และ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยร่วมกับ สวทช. ให้ความร่วมมือ CPU ประมาณ 300 core กับ Storage 300 TB ประมวลข้อมูลจาก CMS

  • Tier 3 - Tier 3 เป็นหน่วยที่เล็กที่สุดใน WLCG ซึ่งก็คือคอมพิวเตอร์ของหน่วยงาน หรือสถาบันวิจัยที่จะถึงข้อมูลจาก CERN ไปใช้ สามารถเป็นไปได้ตั้งแต่ clusters หรือจะเป็นคอมพิวเตอร์ธรรมดาก็ได้ โดย Tier 3 นี้ไม่จำเป็นต้องมีการเซ็นสัญญาความร่วมมืออย่างเป็นทางการ Tier 3 ที่มีพลังที่สุดในไทยก็คือ T3-TH-CHULA เป็น Cluster CPU 32 Cores และความจุ 5 TB

สรุปเรื่องระบบ Tier

หลังจากที่ได้รู้จักกับระบบ WLCG กันไปทั้ง 4 ระดับแล้วผมก็ขอสรุปอีกครั้งนึงง่าย ๆ ว่า ข้อมูลจากเครื่อง LHC จะถูกจัดเก็บที่ Tier 0 และทำสำเนาไปที่ Tier 1 จากนั้น Tier 1 ก็จะส่งให้ Tier 2 ไปประมวลผล เมื่อประมวลผลเสร็จข้อมูลจะถูกส่งกลับไปที่ CERN เพื่อทำการจัดเก็บและทำการ indexing นักฟิสิกส์ทั่วโลกจะใช้ Tier 3 มาเชื่อมต่อและทำการช่วยกันวิเคราะห์ผลที่ได้จาก Experiment

Tape library, CERN, Geneva 2

สำหรับข้อมูลที่ CERN จัดเก็บนั้น จะจัดเก็บในรูปแบบของ Tape คือเป็น Tape Data Center เนื่องจากมีต้นทุนถูกกว่าการใช้ Harddisk หรือ SSD และไม่จำเป็นต้องใช้ความเร็วสูงมากนักภาพด้านบนคือ Tape Data Center ของ CERN ที่จัดเก็บข้อมูลทั้งหมดที่ได้หลังจากการช่วยกันประมวลผลของ WLCG

Grid Middleware

สำหรับการทำ Cluster นั้นเราสามารถดูแลจัดการได้อย่างทั่วถึง เพราะทั้งเครื่องที่เป็น front-end และ computing node เราสามารถเข้าถึงได้ทั้งหมด แต่สำหรับ WLCG นั้นเป็นระบบ Grid ขนาดใหญ่มาก เปรียบเสมือน Cluster อยู่ในสถานที่คนละแห่งที่ห่างไกลกัน มีการประมวลผลแบบขนาน (Parallel Processing หรือ Parallel Computing) เพื่อให้ทำงานพร้อมกัน หากส่วนใดโดนระเบิดลง บึ้มไป ระบบก็ยังทำงานต่อไปได้ เพราะมีซอฟต์แวร์กลางพิเศษช่วยจัดการดูแลตรวจสอบสถานะของระบบ Grid ตลอดเวลา ซึ่งเรียกว่า Middleware

สำหรับตัว Middleware จะรันอยู่ที่ CERN เอง โดยได้เลือกใช้ EMI หรือ European Middleware Initiative เป็นตัวจัดการบริหารงานให้ WLCG ของเราทำงานได้ โดยทำงานบนระบบปฏิบัติการ SL หรือ Scientific Linux x64 เป็นระบบปฏิบัติการที่พัฒนาโดย Fermilab และ CERN ซึ่งเป็น Open Source ด้วย (อลังจริง ๆ) ซึ่งในตอนแรก CERN เลือกใช้ CentOS แต่หากเราเคยใช้ CentOS เราจะปวดหัวกับการหา package มาลงด้วยคำสั่ง yum ที่หลายคนเกลียด ซึ่งผมเองก็ปวดหัวกับมันมาก ๆ (และสาบานว่าจะไม่กลับไปใช้ yum อีก) เพราะผมเคยใช้ CentOS รัน Server แข่งประกวดทำเว็บให้โรงเรียน แล้วแม่งล่มกลางงาน สร้างความเครียด อับอาย และโดนด่าเป็นอย่างมาก แม้มันจะเกิดจากความปัญญาอ่อนของผมเองก็ตาม แต่ผมก็ยังงอน CentOS อยู่ (ฮา) นอกเรื่องไปไกล กลับมาที่เรื่อง Scientific Linux กันต่อ ซึ่ง Scientific Linux ถูกดัดแปลงให้สามารถลง package หรือ repository ที่เราสร้างขึ้นมาเองได้ (ใช้ yum ก็ได้ rpm ก็ได้ หรือ package installer อื่น ๆ) ทำให้ CERN สามารถจัดการกับ Environment ได้อย่างสะดวกขึ้นด้วย Scientific Linux

DCH_3945.jpg

การทำ job scheduler ก็จะสั่งโดย CERN เองไปยัง Tier 1 และ Tier 2 ด้วย EMI ที่ CERN พัฒนาขึ้น ไปยังซอฟแวร์อื่น ๆ ซึ่งก็จะแตกต่างกันไปตาม Cluster แต่ละตัวที่เป็น Tier 1 , Tier 2 ไม่ว่าจะเป็น ARC, gLite, UNICORE, Globus Toolkit, OMII (Open Middleware Infrastructure Institute) ต่าง ๆ มากมาย

Infrastructure Monitoring

ทีนี้อาจจะอึ้งว่า อลังแบบนี้เขา Monitoring CPU Task กันยังไง ซึ่งกลุ่ม HEP (high energy physics) จาก Caltech ได้พัฒนา MonALISA (Monitoring Agents using a Large Integrated Services Architecture) อ่านว่าโมนาลิซ่า ภายหลังถูกนำมาเป็นเป็นซอฟแวร์ที่ใช้ในการ monitoring งานจาก Experiment ALICE ซึ่งใช้ monitor ได้ทั้งสถานะของ computing nodes, storage systems, data-transfer applications และ software ที่รันอยู่บน local cluster รวมแล้วก็มี parameter กว่า 1.1 ล้านตัวเลยทีเดียว

ด้านบนคือตัวอย่างของ MonALISA ในส่วนของ WebUI โดยมีฟีเจอร์ดังนี้

  • Data collection and Storage ดูพวก Data Base จัดการฐานข้อมูล
  • General site status ดู Graph monitor ของ Tier 1, 2 แต่ละแห่ง
  • Job resource usage ดูพวก CPU time, I/O, Memory, Disk use
  • Network Traffic ดู bandwidth , connection speed
  • Individual Job ดู PID ของ task แต่ละตัว
  • AliEn & LCG ดูรายละเอียดย่อยอื่น ๆ เช่น SOAP Call , error log
  • Storage Status ขนาดความจุ ความว่าง และการใช้งาน disk ของแต่ละ SE
  • FTS/FTD ดู Transfer rate และ graph error ต่าง ๆ

สำหรับตัว MonALISA นั้นเป็น Software ที่ใช้ monitor data และการ analyze ของ ALICE Experiment ในส่วนของ Detector ตัวอื่น อาจจะมีการจัดการที่แตกต่างกันออกไปแล้วแต่การออกแบบของวิศวกร

สุดยอดความก้าวหน้าในด้านวิทยาศาสตร์ทุกสาขา

CERN อาจจะเป็นสถาบันวิจัยในทางฟิสิกส์อนุภาค แต่ก็เห็นได้ชัดว่าผลที่เกิดขึ้นไม่ได้เกิดผลดีแต่กับในสาขาฟิสิกส์เพียงอย่างเดียว แต่ต้องอาศัยการพัฒนาในทุก ๆ สาขาทั้งในด้าน คอมพิวเตอร์ที่ต้องก้าวข้ามข้อจำกัดของการจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลมหาศาลนี้ และในทางเคมีที่จะต้องออกแบบส่วนประกอบต่าง ๆ ของเครื่องในสภาพแวดล้อมสุด Extreme เช่น ณ จุด Interaction Point ที่จะมีอุณหภูมิสูงพอ ๆ กับดวงอาทิตย์ก็ต้องอาศัยสารตัวนำความร้อนที่จะป้องกันไม่ให้ core ของ detector นั้นละลาย ซึ่งนั่นก็นำไปสู่การออกแบบสารเชื่อมความร้อนแบบใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อน

Up Past Bedtime

ครั้งหนึ่ง Enrico Fermi ซึ่งภายหลังถูกนำชื่อมาตั้งเป็น Fermilab ได้เคยถูกถามว่า "การลงทุนด้านวิทยาศาสตร์ของคุณจะเอามาช่วยปกป้องประเทศได้อย่างไร" เขายิ้มแล้วตอบไปว่า "ท่านเข้าใจผิดแล้ว งานพวกนี้ไม่ได้ช่วยปกป้องประเทศ แต่มันทำให้ประเทศควรค่าแก่การปกป้อง"

ขอบคุณข้อมูลจากอาจารย์ศุภกิจ พฤกษอรุณ (วิทยากร)
และ NECTEC , SLRI, NSTDA ที่จัดกิจกรรมในครั้งนี้

อ้างอิง - CERN