Throughput computing yang tinggi membantu LIGO mengkonfirmasi teori terakhir Einstein yang belum terbukti

Internet Technologies - Computer Science for Business Leaders 2016 (Juni 2019).

Anonim

Beberapa tahun yang lalu, sebuah tim ilmuwan global menghabiskan beberapa dekade penelitian tentang penemuan boson Higgs, partikel subatom yang dianggap sebagai blok bangunan alam semesta. Program perangkat lunak sederhana yang disebut HTCondor bergejolak di latar belakang, membantu menganalisis data yang dikumpulkan dari miliaran tabrakan partikel.

Dipotong hingga tahun 2016, dan HTCondor mengalami tumbukan baru: membantu para ilmuwan mendeteksi gelombang gravitasi yang menyebabkan 1, 3 miliar tahun lalu oleh tabrakan antara dua lubang hitam 30 kali lebih besar dari matahari kita.

Dari mengungkap boson Higgs, di antara partikel terkecil yang diketahui sains, untuk mendeteksi astrofisika lubang hitam yang luar biasa besar, perangkat lunak HTCondor High Throughput Computing (HTC) telah terbukti sangat diperlukan untuk memproses data yang luas dan kompleks yang dihasilkan oleh sains internasional yang besar. Para ilmuwan komputer di University of Wisconsin-Madison memelopori teknologi throughput komputasi terdistribusi tinggi ini selama tiga dekade terakhir.

Pengumuman pada bulan Februari bahwa para ilmuwan dari Laser Interferometer Observatorium Gelombang-Gravitasi (LIGO) membuka pintu terakhir Teori Relativitas Albert Einstein — bukti bahwa gelombang gravitasi menghasilkan riak melalui ruang dan waktu — memiliki latar belakang kaya yang melibatkan HTCondor. Sejak 2004, HTCondor telah menjadi bagian inti dari upaya analisis data dari proyek yang mencakup lebih dari 1.000 ilmuwan dari 80 lembaga di 15 negara.

Dengan angka-angka, lebih dari 700 ilmuwan LIGO telah menggunakan HTCondor selama 12 tahun terakhir untuk menjalankan alur kerja analisis data kompleks pada sumber daya komputasi yang tersebar di seluruh AS dan Eropa. Sekitar 50 juta jam inti yang dikelola oleh HTCondor dalam enam bulan terakhir saja mendukung analisis data yang menyebabkan pendeteksian dilaporkan dalam makalah-makas Februari 2016.

Jalur HTCondor ke LIGO diaspal oleh kolaborasi yang dimulai lebih dari satu dekade lalu antara dua tim University of Wisconsin — tim LIGO yang beranggotakan 29 orang di UW-Milwaukee dan tim HTCondor di UW – Madison. Kolaborasi interdisipliner ini membantu mengubah model komputasi LIGO dan memajukan keadaan seni HTC.

Tim HTCondor dipimpin oleh Miron Livny, profesor ilmu komputer dan chief officer teknologi UW-Madison untuk Morgridge Institute for Research dan Wisconsin Institute for Discovery. Perangkat lunak HTCondor mengimplementasikan teknologi komputasi throughput inovatif yang memanfaatkan kekuatan puluhan ribu komputer berjaringan untuk menjalankan sejumlah besar tugas komputasi.

"Apa yang kami miliki adalah keahlian dari dua sekolah Sistem UW yang bersatu untuk menangani masalah analisis data yang rumit, " kata Thomas Downes, ilmuwan ilmu fisika dan penyelidik LIGO UW-Milwaukee. "Masalahnya adalah, bagaimana Anda mengelola ribuan pekerjaan analisis data yang saling terkait dengan cara yang dapat digunakan secara efektif oleh para ilmuwan? Dan itu jauh lebih mudah diselesaikan karena Milwaukee dan Madison berada di ujung jalan satu sama lain."

Tim UW-Milwaukee mulai menggunakan HTCondor pada awal tahun 2000 sebagai bagian dari proyek Riset Teknologi Informasi (ITR) NSF. Ilmuwan yang kemudian memimpin, Bruce Allen, mendapatkan pekerjaan sebagai direktur Institut Albert Einstein untuk Fisika Gravitasi di Hannover, Jerman, salah satu pusat utama dalam proyek LIGO. Duncan Brown, maka Ph.D fisika UW-Milwaukee. kandidat, menjadi profesor fisika di Syracuse University, memimpin upaya LIGO universitas itu.

Allen, Brown dan lain-lain bekerja keras di Milwaukee untuk menunjukkan nilai pendekatan HTCondor terhadap misi LIGO, yang akhirnya mengarah pada pengadopsiannya di situs LIGO lainnya. HTCondor segera menjadi teknologi go-to untuk kelompok data inti LIGO di UW-Milwaukee, Universitas Syracuse, Albert Einstein Institute, Institut Teknologi California (Caltech), dan Universitas Cardiff di Inggris.

Peter Couvares memiliki pandangan 360 derajat hubungan HTCondor dengan LIGO. Dia bekerja di tim HTCondor selama 10 tahun di UW-Madison, dan mengatur hubungan antara LIGO dan HTCondor selama sekitar lima tahun setelah bergabung dengan tim LIGO yang dipimpin oleh Brown di Syracuse. Hari ini ia adalah ilmuwan senior di Caltech yang mengelola tim komputasi analisis data LIGO.

Mengapa perangkat lunak HTCondor seperti anugerah untuk upaya ilmu besar seperti LIGO?

"Kami tahu ini akan berhasil — itulah fitur pembunuh HTCondor, " kata Couvares.

Ia bekerja, tambahnya, karena HTCondor menganggap serius tantangan inti dari komputasi terdistribusi: Tidak mungkin untuk mengasumsikan bahwa jaringan ribuan komputer individu tidak akan mengalami kegagalan lokal. HTCondor memanggang asumsi itu ke dalam perangkat lunak intinya.

"Tim HTCondor selalu meminta orang untuk berpikir ke depan untuk masalah yang akan muncul di lingkungan produksi nyata, dan mereka baik tentang tidak membiarkan pengguna HTCondor mengambil jalan pintas atau membuat asumsi buruk, " tambah Couvares.

Dalam proyek seperti LIGO, pendekatan itu sangat penting. Aliran data yang stabil dari detektor LIGO adalah campuran dari informasi gravitasi dan kebisingan seperti aktivitas seismik, angin, suhu dan cahaya - yang semuanya membantu menentukan dan membedakan data baik dan buruk.

"Dengan tidak adanya suara, ini akan menjadi pencarian yang sangat mudah, " kata Couvares. "Tapi triknya adalah dalam mengambil jarum dari tumpukan jerami kebisingan. Trik terbesar dari semua analisis data di LIGO adalah menghasilkan rasio signal-to-noise yang lebih baik."

Stuart Anderson, ilmuwan staf senior LIGO di Caltech, telah mendukung penggunaan HTCondor dalam LIGO selama lebih dari satu dekade. Alasan mengapa HTCondor berhasil kurang tentang teknologi daripada tentang elemen manusia, katanya.

"Tim HTCondor memberikan tingkat kolaborasi jangka panjang dan dukungan dalam infrastruktur cyber yang belum pernah saya lihat di tempat lain, " katanya. "Tim telah memberikan keahlian teknis, keterampilan komunikasi, dan pemecahan masalah kolaboratif dengan kualitas tertinggi yang saya miliki atau bekerja sama dengan hak istimewa."

Menambahkan Todd Tannenbaum, pimpinan teknis HTCondor saat ini yang bekerja sama dengan Anderson dan Couvares: "Hubungan kami dengan LIGO saling menguntungkan. Perbaikan yang dilakukan atas nama hubungan kami dengan LIGO sangat bermanfaat bagi HTCondor dan komunitas komputasi throughput yang lebih luas."

Ewa Deelman, profesor riset dan direktur penelitian di Institut Ilmu Informasi Universitas Southern California (ISI), terlibat dengan HTCondor pada tahun 2001 saat ia meluncurkan Pegasus, sebuah sistem yang mengotomatiskan alur kerja bagi para ilmuwan yang menggunakan sistem seperti HTCondor. Bersama-sama, Pegasus dan HTCondor membantu menurunkan hambatan teknologi bagi para ilmuwan.

"Saya pikir otomatisasi dan keandalan yang disediakan oleh Pegasus dan HTCondor adalah kunci untuk memungkinkan para ilmuwan untuk fokus pada ilmu mereka, daripada rincian infrastruktur cyber yang mendasari dan kegagalan yang tak terelakkan, " katanya.

Masa depan LIGO sangat menggairahkan, dan teknologi konvergensi high-throughput yang tinggi dari HTCondor akan berubah dengan sains dan teknologi komputasi. Sebagian besar setuju bahwa dengan pengamatan awal gelombang gravitasi, potensi tsunami data menunggu dari alam semesta.

"Bidang astronomi gelombang gravitasi baru saja dimulai, " kata Couvares. "Ini adalah eksperimen fisika dan teknik. Sekarang astronomi, di mana kita melihat berbagai hal. Selama 20 tahun, LIGO berusaha menemukan jarum di tumpukan jerami. Sekarang kita akan membangun pabrik pendeteksi jarum."

Menambahkan Livny: "Apa yang dimulai 15 tahun lalu sebagai kolaborasi Madison-Milwaukee lokal berubah menjadi kerangka komputasi untuk bidang baru astronomi. Kami siap dan bersemangat untuk menjawab kebutuhan HTC yang terus berkembang dari bidang baru ini. Dengan berkolaborasi dengan para ilmuwan dari lainnya. upaya internasional yang menggunakan teknologi mulai dari detektor neutrino di Kutub Selatan (IceCube) hingga teleskop yang mengambang di angkasa (Hubble) untuk mengumpulkan data tentang alam semesta kita, HTC akan terus mendukung penemuan ilmiah. "

menu
menu