転載元: Qubit
高エネルギー物理学における高度なコンピューティングに必要なプログラムの 1 つですが、ほとんど誰も維持していません。
唯一の長期保守者が 73 歳に達し、コンピューティング システムFORMの運命が不確実になり始めました。
過去 30 年にわたり、このプログラムはガンマ行列、並列計算、パターン マッチングなどを計算できる素粒子物理学研究の基本ツールの 1 つとみなされてきました。
ファインマン図を計算するためのソフトウェア パッケージ FormCalc も、これに基づいて実装されています。
ご存知のとおり、ファインマン線図は画像を使用して、大型粒子衝突型加速器での粒子衝突の起こり得る結果を記述することができ、「物理学者の世界の見方を変えるのに役立つ」と主張しています。
さらに、FORM は高次 QCD (量子色力学) ベータ関数や複数のゼータ値 (MZV) の数学的構造研究にも使用されます。
誕生から 10 年以上が経過した現在でも、多くの最先端の研究がこの手法に依存しています。
2000 年以来、FORM ベースの素粒子物理学の論文は平均して数日おきに発表されています。
しかし、このような重要な計算プログラムは現在、73 歳の退職者、その開発者であるオランダの素粒子物理学者、ヨス・フェルマセレン (Jos Vermaseren) によってのみ維持されています。
現在、この老人は高齢化しており、後継のディフェンダーは見つかっていない。
そして、これを完全に置き換えるプログラムはまだ登場していないようで、Mathematica も計算はできますが、速度では全く比べられません。
超長い数式を解くためにハードディスク容量に依存する
簡単に理解すると、FORM は記号操作を実行できるプログラムです。
より一般的な Mathematica よりも大規模な記号式の処理に重点を置いています。
しかし本質的には、FORM は依然として数学的代数システムであり、具体的な演算プロセスはおそらく江おばさんからのものです。
設定関数 f において、x より前にパラメータがある場合、それらは置き換えられます。
Symbol x;
Local E = f(1,2,x,3,4);
id f(?a,x,?b) = f(?b,?a);
Print;
.end
この場合、FORM 出力の結果は次のようになります: F=f(3,4,1,2)。
これには 2 つの主な特徴があります。
まず、計算が速いです。
FORM は、ファインマン図の特定の部分を迅速に乗算する機能や、方程式を再配置することで乗算と加算のステップを削減する機能など、いくつかの専門的なアルゴリズムを確立しました。
第二に、非常に大きな方程式を処理できます。
ハードディスクの空き容量が十分にあれば、いくらでもカウントできます。
ここがFORMの最も特別な場所です。
コンピュータのストレージ モードは 2 つのタイプに分類できます。1 つはメイン メモリで、RAM (ランダム アクセス メモリ) と呼ばれることがよくあります。コンピュータシステムで最も重要なメモリであり、CPU と直接データを交換し、いつでも読み書きでき、速度は非常に速いですが、記憶容量は非常に限られています。もう 1 つは外部ストレージ、つまりハードディスク、ソリッド ステート ドライブ、磁気ディスクなどです。容量は大きいが計算が遅いという利点があります。
たとえば、ノートブックのメモリは 16 GB しかありませんが、ストレージ容量は 2 TB に達することがあります。
超複雑な物理方程式を解きたい場合は、メイン メモリに依存する必要があります。
しかし問題は、このような小さな容量のスペースでは超長い式をまったく処理できないことです。しかもFORMが誕生したのは1980年代で、当時の主記憶容量はさらに小さかった。
FORM は、ハードディスクをメインメモリとして使用するという独創的な方法を選択しました。
メインメモリとハードディスクスペースを「ページング」し、数式を異なる「ページ」に配置し、各項目の保存場所を固定することにより、プログラムは各項目の場所をすばやく見つけて実際のメインメモリに戻すことができます。他のアイテムにアクセスする必要はありません。
この利点は、メイン メモリを拡張しながら、非効率なメモリ スワップ操作をバイパスし、複雑で巨大な方程式を高速に計算できることです。
この機能により、FORM は誕生以来、素粒子物理学の重要なツールの 1 つになりました。
今でもFORMは非常に重要です。結局のところ、コンピューティングとストレージの開発の速度は物理方程式の速度に追いつきません...
FORM の GitHub ホームページにも次のように書かれています。
FORM は、高エネルギー物理学における多くの最先端の計算に不可欠なツールです。
FORM は CAS の拡張バージョンとは見なされず、プログラミング ロジックは同じではないことに注意してください。
FORMを始めるには少し敷居が高いかもしれませんが、そこを越えれば必ず新しい世界が広がります。FORM と CAS を組み合わせると、数学や物理学の多くの困難で複雑な問題を解決できます。
チューリッヒ大学のテムズ・ゲールマン教授は、過去 20 年間に彼の研究グループが達成した高精度の結果の多くは主に FORM に依存していると述べました。
高エネルギー物理学の助教授であるマット・フォン・ヒッペル氏も、同僚が FORM を使用して計算の精度を新たな高みに押し上げたとクアンタマガジンの記事で述べています。
十分な注意が払われていない
しかし、想像とは異なり、高エネルギー物理学の分野に大きな進歩をもたらしたこのようなツールは、ずっと開発されてきましたが、その背後にある運用と保守は「放置」されており、ソフトウェア全体が危険にさらされています。
FORMの出発点は1984年でした。当時、コンピュータの役割は急速に変化しており、この時期に PC が普及しました。
その前身は、オランダの物理学者マルティヌス・フェルトマンによって作成されたスクーンチップと呼ばれるプログラムでした。
私たちが今日一般的に使用している多くのコンピューター プログラムとは異なり、当時のプログラムのほとんどは外部 ROM チップに搭載されており、実行するにはコンピューターに接続する必要がありました (CD を思い浮かべてください)。Scoonschip も例外ではありませんでした。
ジョスは、世界中の大学がダウンロードできるような、よりアクセスしやすいプログラムを作りたいと考えていました。
FORM の開発の初めに、Joss は「数学を行う」のに非常に優れた FORTRAN 言語 (FORM の名前の重要なソースでもあります) を使用しました。
FORTRAN は、コンピューター用の最初の高級言語として、科学および工学アプリケーション向けに IBM によって開発されました。
1950 年代以来、FORTRAN は科学技術コンピューティングに最適な言語となり、1960 年代後半から 1970 年代前半にかけて、ほとんどの高性能コンピューターが FORTRAN をサポートし、多くの特殊なコンパイラーやツールを使用してアルゴリズムを作成できるようになりました。
コンピューター技術の発展と他のプログラミング言語の出現により、FORTRAN はオブジェクト指向プログラミングをサポートしておらず、構文が比較的複雑だったため、徐々に C、C++、Python、Matlab などに置き換えられました。
1989 年、FORM1.0 の正式リリース前に、Joss は FORM を C 言語で書き直しました。
ただし、FORM はその誕生以来徐々に普及し、試みられてきました。1984 年から 1986 年にかけて、FORM は 1980 年代のグラフィックス処理ワークステーションの最初のバッチである Apollo ワークステーションを初めてサポートしました。
1990 年代初頭までに、世界中の 200 以上の教育機関が FORM をダウンロードしており、その数はさらに増加していました。
同時に、FORM は 3 つの異なるバージョンも開発しました。
FORM: シーケンシャル バージョン。単一プロセッサ上で実行するように設計されています。
ParFORM: マルチプロセッサ バージョン。プロセッサは独自のメモリを持ち、クラスタとシステムを使用でき、同時に 2 つ以上のプロセッサを使用できます。
TFORM: プロセッサ共有メモリ システムのマルチスレッド バージョンで、主にプロセッサ数が限られたシステムで使用されます。
FORM と FormCalc は相互に補完しており、FORM は汎用の記号計算および数式管理ソフトウェアとして、FormCalc は高エネルギー物理学の研究に特化したツールとして機能します。
この観点から見ると、FORMは「繁栄」しているように見えます。しかし実際には、開発から現在に至るまでFORMを維持している人数はわずか10名強です。
今のところ、73歳のジョスだけが孤軍奮闘している。
なぜこうなった？
大きな理由の 1 つは、物理学界ではプログラム開発の取り組みが過小評価されがちであるということです。
ジョス氏は力なくこう言った。
私は長年にわたり、計算ツールの開発に多くの時間を費やしている物理学者が終身在職権を取得できないのを見てきました。
対照的に、ジョスとフォームは非常に幸運です。なぜなら、彼はオランダ国立亜原子物理学研究所 (ニケフ) で理論グループの研究者を長く務めてきた、終身在職権を持っているからです。
そして、FORM は欧州研究評議会 (ERC) からも注目されています。
2012年だけでも、ERCはFORM関連プロジェクトに170万ユーロ（約1235万元）を資金提供した。当時、Joss 氏は、ゲーム分野でモンテカルロ法を使用して、高エネルギーの物理方程式を解くことを提案しました (このような方程式は、多くの場合、高精度と膨大な計算量を必要とします)。
そしてこれは、 ERC からジョスと他のニケフ研究者に対する3 回目の大規模な助成金です。
しかし、素粒子物理学の分野でも、イタリアの物理学者ステファノ・ラポルタはそれほど幸運ではありませんでした。彼はまた、有用な単純化アルゴリズムを開発しましたが、彼のキャリアを通じてほとんど資金...
現在では、これまで順調に発展してきたFORMであっても、後続のメンテナを見つけることが困難になっています。
なぜなら、これはエネルギーを消費し、多くの場合大きな利益が得られないだけでなく、開発者には優れた学際的な能力が必要だからです。(そのうちの1つは素粒子物理学です...)
一部のネチズンは次のように指摘した。
実際、最も難しいのはコードを書くことではなく、コードがデータを正しく処理できることを確認することです。
たとえば、素粒子物理学国際委員会が作成した参考書である「PDG Review of Particle Physics」は効果的でなければなりません。
フォローアップメンテナンスが行われない場合、FORM はすぐにコンピューターの更新ペースに追いつかなくなり、ますます使いにくくなります。
学者の Ben Ruijl は最近、FORM のバグを減らすために、Rust を使用して FORM の新しいバージョン DreFORM を開発しようとしました。
しかし、Ben Ruijl が主な研究テーマのためにそれを棚上げしなければならなかったために、今のところ新しいバージョンは完成していません。
コペンハーゲン大学（ニールス・ボーアの母校）の素粒子物理学の助教授、マット・フォン・ヒッペル氏は次のように懸念を表明した。
(FORM が本当に失敗した場合) 物理学者は FORM よりも数桁遅い Mathematica を選択する必要があるかもしれません。
その結果、素粒子物理学は停滞したままになる可能性が高く、最も困難な計算タスクを実行できるものはほんのわずかしかありません。
現在、ジョス氏は解決策を積極的に検討中です。今年の4月にはFORMユーザーサミットを開催し、事後メンテナンスについての議論を呼びかける予定だという。
GitHub では、このプログラムのバグやコメントを探しているユーザーもたくさんいます。
最近プロジェクトを更新している人がいることがわかりましたが、コードにいくつかの問題があるようです。
FORM ホームページ:
https://www.nikhef.nl/~form/
GitHub ホームページ:
https://github.com/vermaseren/form
参考リンク:
[1]https://www.quantamagazine.org/crucial-computer-粒子物理学のためのプログラム-廃止のリスク-20221201/
[2] https://www.nikhef.nl/www/news/nikhef-researcher-jos-vermaseren-receives-prestigious-erc-advanced -grant/
[3] https://news.ycombinator.com/item?id=33818082
[4] https://arxiv.org/abs/math-ph/0010025
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