O software pioneiro chamado ACE3P foi desenvolvido há quase um quarto de século para ajustar o projeto de aceleradores de partículas e seus componentes. Agora, sua última encarnação está sendo adaptada para supercomputação científica e design de fabricação, graças a parcerias entre duas empresas e o Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia.
As colaborações fazem parte de um programa do Departamento de Energia chamado Small Business Innovation Research, ou SBIR, projetado para ser vantajoso tanto para o laboratório quanto para a comunidade em geral, disse Matt Garrett, diretor de transferência de tecnologia e parcerias privadas do SLAC.

"Nesses projetos SBIR, a tecnologia desenvolvida pelos laboratórios e refinada por nossos parceiros industriais vai para a comunidade para uso amplo e depois volta para nós para aprimorar as instalações que são uma parte crucial das operações do SLAC", disse Garrett.

Ao ajudar as empresas a avançar em suas tecnologias e construir mercados, acrescentou ele, o programa também cria novas cadeias de suprimentos domésticas para coisas que o laboratório – e em alguns casos, a comunidade em geral – precisa.

O ACE3P foi desenvolvido no SLAC há cerca de duas décadas para fazer protótipos virtuais de componentes de aceleradores de partículas que funcionarão na vida real e ainda é amplamente utilizado. ACE3P significa Advanced Computational Electromagnetics 3D Parallel, refletindo o fato de que ele permite que simulações 3D de alta fidelidade sejam executadas em milhares de unidades de processamento de computador de uma só vez para que os pesquisadores possam resolver problemas grandes e complexos mais rapidamente.

Nos últimos anos, o ACE3P se expandiu para ajudar pesquisadores em universidades e na indústria a realizar simulações em outros campos, incluindo telecomunicações e modelagem eletromagnética do corpo humano, disse Cho-Kuen Ng, cientista líder do SLAC que ajudou a desenvolver o ACE3P.

Hoje o SLAC está trabalhando com duas empresas de Nova York—Kitware e Simmetrix—para ampliar o alcance do ACE3P. O objetivo é tornar muito mais fácil para os pesquisadores usarem supercomputadores DOE e determinar a forma ideal para os componentes do acelerador com processos de design que podem ser aplicados a "praticamente tudo", diz Mark Beall, CEO da Simmetrix - de asas de avião a baterias de telefones celulares. e moldes de injeção para brinquedos.

Supercomputação simplificada

O trabalho do SLAC com o Kitware remonta a 2015. A empresa cria plataformas de software de código aberto e as personaliza para as necessidades de empresas e agências governamentais específicas; esta última parte é como ele ganha dinheiro com seus produtos disponíveis gratuitamente.

Em seu projeto atual com o SLAC, a empresa está integrando uma de suas plataformas de código aberto, o Computational Model Builder, no software ACE3P já instalado no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do DOE no Lawrence Berkeley National Laboratory.

Cerca de 8.000 cientistas financiados pelo DOE usam o NERSC para realizar pesquisas não classificadas em uma ampla gama de tópicos, incluindo mudanças climáticas, estrutura de proteínas e evolução do universo. Mas à medida que o tamanho e a complexidade dessas simulações crescem, elas ficam cada vez mais difíceis de gerenciar.

Até recentemente, os usuários tinham que digitar códigos – instruções para realizar as simulações – manualmente, enquanto ao mesmo tempo coordenavam e controlavam muitos segmentos entrelaçados do projeto, cada um produzindo um enorme volume de dados, alguns dos quais tinham que ser analisado no local. Organizar e gerenciar tudo isso está se tornando cada vez mais um aborrecimento. E interfaces comerciais que poderiam ajudar a desembaraçar a bagunça não estão disponíveis para supercomputadores, disse John Tourtellott, investigador principal da Kitware para o projeto SLAC.

Agora que o Computational Model Builder foi integrado ao ACE3P, os usuários do NERSC podem definir os critérios para suas simulações preenchendo formulários, abrindo menus e clicando em vez de digitar instruções. Então eles podem assistir a simulação se desenrolar e verificar os resultados antes de baixar os dados para seu próprio computador, disse Tourtellott.

"Embora realmente não possamos colocar um número nisso, isso traz benefícios de produtividade", disse ele. "Isso pode reduzir bastante a quantidade de informações que precisam ser inseridas manualmente e os erros que acontecem como resultado. Também deixa mais tempo para a ciência real."

A Kitware também criou um painel semelhante no Laboratório Nacional de Los Alamos do DOE para pesquisadores que usam a plataforma de software Truchas do laboratório para simular fundição de metal e impressão 3D.

"A razão pela qual começamos esse projeto não foi tanto para economizar tempo dos usuários, mas porque estávamos encontrando novos usuários em potencial que olhariam quanto trabalho sua simulação levaria e diriam:"Não vale a pena meu tempo" e seguir em frente " disse Neil Carlson, um cientista convidado em Los Alamos que liderou o projeto Truchas por oito anos:"Criar a nova interface é realmente uma maneira de reduzir essa barreira de entrada".

Outra vantagem, disse Carlson, é que o trabalho que Kitware fez para o projeto de Los Alamos foi dobrado no Computational Model Builder para que esteja disponível para todos, "e esse tipo de barco flutua no barco de todos".

A forma do que está por vir

O que o Kitware faz pela experiência do usuário do supercomputador, o Simmetrix faz para gerar automaticamente malhas que representam formas geométricas em simulações.

Engenheiros mecânicos usam uma técnica matemática chamada análise de elementos finitos para ver como as coisas que eles projetam – seja um pequeno widget ou uma enorme peça de acelerador – se comportam sob temperaturas operacionais realistas, pressões, vibrações e assim por diante. Eles podem identificar pontos fracos, alterar as formas dos componentes e repetir para chegar ao design ideal em um computador antes de construir um protótipo. O ACE3P tem desempenhado um papel importante há décadas no uso desses tipos de simulações para projetar componentes do acelerador.

A análise de elementos finitos quebra formas complexas em um monte de formas muito mais simples, representadas por malhas. O computador soma os efeitos de cada uma dessas formas simples no desempenho daquele projeto em particular. Malhas mais finas permitem simulações mais detalhadas, mas exigem muito mais tempo de computação. Malhas mais grossas levam menos tempo, mas podem não ser tão precisas. Esse processo de geração de malha deve ser repetido várias vezes para chegar a um design ideal.

"Se isso fosse algo que você tivesse que fazer manualmente, seria incrivelmente tedioso e uma perda de tempo", diz o CEO da Simmetrix, Beall. A única solução prática, disse ele, é fazê-lo automaticamente.

Os pesquisadores do SLAC desenvolveram um processo de alto nível para prever como alterar uma forma para produzir um design que atenda aos seus requisitos. Mas esse processo não tinha como prever automaticamente qual forma deveria ser testada em seguida ou atualizar automaticamente a geometria e as malhas para cada novo projeto. A Simmetrix forneceu essas peças faltantes para criar um processo totalmente automático para atualizar e otimizar formas e suas malhas com ACE3P e plataformas de simulação de design semelhantes, disse Beall. Isso permitirá que as pessoas criem produtos melhores de forma mais rápida e barata, e pode ser aplicado a praticamente qualquer produto, incluindo o próprio processo de fabricação.

Automatizar essa função no ACE3P é uma grande vitória para o SLAC e para a empresa, que pode aproveitar tudo o que cria para o SLAC e comercializá-lo para o público.

Embora o foco inicial do projeto SLAC seja o design de aceleradores para instalações científicas que podem levar décadas para serem desenvolvidas, disse Beall, o modelo também pode acelerar o design da tecnologia de aceleradores para o tratamento do câncer e projetar antenas e dispositivos sem fio.

"Tanto os aceleradores de partículas quanto os dispositivos médicos usam campos eletromagnéticos", disse ele. "O quão eficientes eles são e quão bem eles servem ao seu propósito depende completamente dos campos que eles fazem dentro deles, o que depende da forma dos componentes."

Ng do SLAC disse que o projeto SBIR, que terminou no ano passado, melhorou o processo do SLAC para otimizar a forma das cavidades do acelerador com ACE3P, permitindo que os projetistas atualizem os parâmetros do projeto automaticamente, em vez de tentativa e erro. No entanto, ele disse que ainda há algum trabalho a ser feito para tornar o processo mais amplamente aplicável para uso geral fora do laboratório.

Beall acrescentou que pedaços do trabalho que foi feito no SLAC foram integrados aos produtos Simmetrix, incluindo software que a empresa vende há 25 anos. "Este projeto nos permitiu desenvolver novas capacidades que serão muito úteis para nossos clientes", disse ele. + Explorar mais

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