Banbrytande mjukvara kallad ACE3P utvecklades för nästan ett kvartssekel sedan för att finjustera designen av partikelacceleratorer och deras komponenter. Nu anpassas dess senaste inkarnation för vetenskaplig superdator- och tillverkningsdesign, tack vare partnerskap mellan två företag och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory.

Samarbetena är en del av ett energidepartementsprogram som heter Small Business Innovation Research, eller SBIR, som är utformat för att vara en win-win för både labbet och samhället i stort, säger Matt Garrett, SLAC:s chef för tekniköverföring och privata partnerskap.

"I dessa SBIR-projekt går teknik som utvecklats av labben och förfinats av våra industriella partners ut i samhället för bred användning och kommer sedan tillbaka till oss för att utveckla de anläggningar som är en avgörande del av SLAC-verksamheten," sa Garrett.

Genom att hjälpa företag att utveckla sin teknik och bygga marknader, tillade han, skapar programmet också nya inhemska leveranskedjor för saker som labbet – och i vissa fall samhället i stort – behöver.

ACE3P utvecklades på SLAC för ungefär två decennier sedan för att göra virtuella prototyper av partikelacceleratorkomponenter som kommer att fungera i verkligheten, och det används fortfarande i stor utsträckning. ACE3P står för Advanced Computational Electromagnetics 3D Parallel, vilket återspeglar det faktum att det tillåter högfientliga 3D-simuleringar att köras på tusentals datorbehandlingsenheter samtidigt så att forskare kan lösa stora, komplexa problem snabbare.

Under de senaste åren har ACE3P grenats ut för att hjälpa forskare vid universitet och i industrin att utföra simuleringar inom andra områden, inklusive telekommunikation och elektromagnetisk modellering av människokroppen, säger Cho-Kuen Ng, en ledande forskare vid SLAC som hjälpte till att utveckla ACE3P.

Idag arbetar SLAC med två New York-företag – Kitware och Simmetrix – för att bredda ACE3P:s räckvidd. Målet är att göra det mycket lättare för forskare att använda DOE-superdatorer och att bestämma den idealiska formen för acceleratorkomponenter med designprocesser som kan tillämpas på "precis allt", säger Simmetrix vd Mark Beall – från flygplansvingar till mobiltelefonbatterier och formsprutningsformar för leksaker.

Superdatorer gjort enklare

SLAC:s arbete med Kitware går tillbaka till 2015. Företaget skapar mjukvaruplattformar med öppen källkod och anpassar dem för specifika företags och statliga myndigheters behov; den sista delen är hur den tjänar pengar på sina fritt tillgängliga produkter.

I sitt nuvarande projekt med SLAC, integrerar företaget en av sina plattformar med öppen källkod, Computational Model Builder, i ACE3P-mjukvaran som redan finns på DOE:s National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

Omkring 8 000 DOE-finansierade forskare använder NERSC för att utföra oklassificerad forskning om ett brett spektrum av ämnen, inklusive klimatförändringar, proteinstruktur och universums utveckling. Men allt eftersom storleken och komplexiteten på dessa simuleringar växer, har de blivit svårare och svårare att hantera.

Tills nyligen var användarna tvungna att skriva in koder – instruktioner för att utföra simuleringarna – för hand, samtidigt som de koordinerade och höll reda på många sammanflätade trådar i projektet som var och en producerar en enorm mängd data, av vilka en del måste analyseras på plats. Att organisera och hantera allt detta blir mer och mer besvärligt. Och kommersiella gränssnitt som kan hjälpa till att reda ut röran är inte tillgängliga för superdatorer, säger John Tourtellott, Kitwares huvudutredare för SLAC-projektet.

Nu när Computational Model Builder har integrerats i ACE3P kan NERSC-användare ställa in kriterierna för sina simuleringar genom att fylla i formulär, dra ner menyer och klicka istället för att skriva instruktioner. Sedan kan de se simuleringen utvecklas och kontrollera resultaten innan de laddar ner data till sin egen dator, sa Tourtellott.

"Även om vi verkligen inte kan sätta en siffra på det, har detta produktivitetsfördelar", sa han. "Det kan avsevärt minska mängden information som måste matas in för hand och de fel som uppstår som ett resultat. Det lämnar också mer tid för den faktiska vetenskapen."

Kitware har också skapat en liknande instrumentpanel vid DOE:s Los Alamos National Laboratory för forskare som använder labbets Truchas mjukvaruplattform för att simulera metallgjutning och 3D-utskrift.

"Anledningen till att vi startade det projektet var inte så mycket för att spara tid för användarna, utan för att vi mötte potentiella nya användare som skulle titta på hur mycket arbete deras simulering skulle ta och säga, "Det är inte värt min tid" och gå vidare." sa Neil Carlson, en gästforskare vid Los Alamos som ledde Truchas-projektet i åtta år. "Att skapa det nya gränssnittet är verkligen ett sätt att minska inträdesbarriären."

Ett annat plus, sa Carlson, är att arbetet Kitware gjorde för Los Alamos-projektet veks in i Computational Model Builder så att det är tillgängligt för alla, "och den typen av flyter allas båt."

Formen på saker som kommer

Vad Kitware gör för superdatoranvändarupplevelsen gör Simmetrix för att automatiskt generera maskor som representerar geometriska former i simuleringar.

Maskiningenjörer använder en matematisk teknik som kallas finita elementanalys för att se hur de saker de designar – oavsett om det är en liten widget eller en enorm acceleratordel – kommer att hålla sig under realistiska driftstemperaturer, tryck, vibrationer och så vidare. De kan identifiera svaga punkter, ändra formen på komponenter och upprepa för att komma fram till den optimala designen i en dator innan de bygger en prototyp. ACE3P har spelat en stor roll i decennier när det gäller att använda dessa typer av simuleringar för att designa acceleratorkomponenter.

Finita elementanalys bryter komplexa former i ett gäng mycket enklare, representerade av maskor. Datorn lägger ihop effekterna av var och en av dessa enkla former på prestandan för just den designen. Finare maskor tillåter mer detaljerade simuleringar, men kräver mycket mer beräkningstid. Grovare maskor tar kortare tid men är kanske inte lika exakta. Denna mesh-genereringsprocess måste upprepas om och om igen för att komma fram till en optimal design.

"Om det här var något du var tvungen att göra manuellt skulle det vara otroligt tråkigt och slöseri med tid", säger Simmetrix vd Beall. Den enda praktiska lösningen, sa han, är att göra det automatiskt.

SLAC-forskare hade utvecklat en process på hög nivå för att förutsäga hur man ändrar en form för att producera en design som uppfyller deras krav. Men den här processen hade inte ett sätt att automatiskt förutsäga vilken form som skulle testas härnäst eller att automatiskt uppdatera geometrin och maskorna för varje ny design. Simmetrix gav de saknade delarna för att skapa en helautomatisk process för att uppdatera och optimera former och deras maskor med ACE3P och liknande designsimuleringsplattformar, sa Beall. Detta gör det möjligt för människor att designa bättre produkter snabbare och billigare, och det kan appliceras på praktiskt taget alla produkter, inklusive själva tillverkningsprocessen.

Att automatisera denna funktion i ACE3P är en stor vinst för SLAC och för företaget, som kan bygga vidare på vad det än skapar för SLAC och marknadsföra det till allmänheten.

Även om det initiala fokuset för SLAC-projektet är acceleratordesign för vetenskapliga anläggningar som kan ta decennier att utveckla, sa Beall, att modellen också kan påskynda designen av acceleratorteknologi för behandling av cancer och design av antenner och trådlösa enheter.

"Både partikelacceleratorer och medicinsk utrustning använder elektromagnetiska fält", sa han. "Hur effektiva de är och hur väl de tjänar sitt syfte beror helt på fälten de gör inuti dem, vilket beror på formen på komponenterna."

SLAC:s Ng sa att SBIR-projektet, som avslutades förra året, har förbättrat SLAC:s process för att optimera formen på acceleratorkaviteter med ACE3P, vilket gör det möjligt för designers att uppdatera designparametrarna automatiskt snarare än genom försök och fel. Han sa dock att det fortfarande återstår en del arbete för att göra processen mer allmänt användbar för allmänt bruk utanför labbet.

Beall tillade att bitar och delar från arbetet som gjordes på SLAC har integrerats i Simmetrix-produkter, inklusive programvara som företaget har sålt i 25 år. "Det här projektet gjorde det möjligt för oss att utveckla nya funktioner som kommer att vara mycket användbara för våra kunder," sa han. + Utforska vidare

Forskare modellerar acceleratormagneters historia med hjälp av maskininlärningsmetod