《網格解析》大強子撞出啥米? 靠「網格」算計

【聯合報╱記者李承宇】中華民國九十七年十月二十九日

當歐洲「大強子對撞機」正式啟用,多數的關注點是究竟會撞出粒子物理界的新發現,還是撞出世界末日時,卻忽略了在這個周長27公里粒子加速器背後的幕後英雄—「全球網格」(WLCG,Worldwide Large Hadron Collider Computing Grid,全球大強子對撞機電腦網格)。

「大強子對撞機」是讓兩道粒子束對撞,當粒子束交錯,兩千億個粒子中大約只有20次的碰撞,但是粒子束每秒會交錯三千萬次,所以大強子對撞機在正式運作後,每秒會產生六億次的碰撞事件。

全球個人電腦合體

但實驗不是讓粒子撞完就算了,後續還有繁複的資料分析、計算。研究人員預期,在未來十到十五年間,大強子對撞機每年會產生15PB的資料,15PB約等於1500萬GB。這些資料每年足足可以塞滿300萬張DVD,疊起來的高度超過兩座聖母峰。要處理這些資料,必須要有一台運算能力非常強大的超級電腦。

「全球網格」就是這台連接世界各大研究單位大型電腦所構成的「超級虛擬電腦」,把各地大型電腦的運算能力結合在一起。


從大強子的斷面,就可想像這個建設規模有多大。資料來源/CERN

中研院物理所副研究員、台灣網格計畫主持人林誠謙比喻,網格電腦的好處就像是在尖峰時間如果需要用到一萬台電腦的運算量,你不需要真的去買一萬台電腦,而是分享別人的運算資源,讓全球電腦資源的運用更有效率。

www的進化版

大強子對撞機台灣區研究計畫總主持人、中研院物理所研究員李世昌形容,網格電腦是「www的更進一步」,而發展全球網格的歐洲粒子物理中心(CERN)正是當年www的催生者。以往網際網路(WWW)透過網路分享資訊,而全球網格(WLCG) 則是透過網路分享各類型資源,例如計算與儲存、大型儀器設施、分散式感應器數據、以及電腦模擬數據等。

目前全球簽署WLCG全球網格計畫的國家有:澳洲、奧地利、比利時、加拿大、中國、捷克、丹麥、愛沙尼亞、芬蘭、法國、德國、匈牙利、義大利、印度、以色列、日本、韓國、荷蘭、北歐國家、巴基斯坦、波蘭、葡萄牙、羅馬尼亞、俄國、斯洛維尼亞、西班牙、瑞典、瑞士、台灣、土耳其、英國、烏克蘭和美國。為了處理LHC龐大的資料,CERN將網格建構成Tier 0到Tier 3,以分層方式處理資訊。

亞洲僅台灣列一階

全球共有11個Tier1(第一層網格中心),中研院在2005年正式成為全球11個Tier1之一,也是亞洲唯一的Tier1。去年我國 Tier1中心的可靠度平均達到 99%,被評鑑為最穩定的中心。

林誠謙表示,中研院除了除承擔第一層網格中心外,也是「全球網格亞太維運中心」,在高能物理方面提供亞太7個國家服務,包括中國、澳洲、日本、印度、韓國、巴基斯坦、台灣,負責系統研發及建置、發展應用、區域合作、或者是即時監控、技術諮詢等工作。


網格是希望連結分散在世界各不同電腦的運算能力與儲存設備,提供科學家新的電腦運算與資料處理工具。資料來源/CERN

從拾穗發想 窮人的超級電腦

你可能沒想過,米勒在19世紀完成的名畫「拾穗」中,竟然隱含著廿一世紀、先進的網格電腦概念。

目前全球已發展出許多電腦網格計畫,相較於歐洲粒子物理中心的「全球網格」是串聯研究機構的電腦中心,IBM公司發展的「世界社群網格」(World Community Grid,WCG)則是串聯起你、我等一般使用者的電腦。

「世界社群網格」將龐大的運算資源開放給公立或非營利組織申請使用,希望進行有益人類福祉的研究,目前正在進行的研究包括「全球營養水稻」、「征服癌症」、「治療登革熱藥物」等計畫。

自願「貢獻」手上閒置電腦資源的使用者,只要在電腦中安裝一個程式,當他離開電腦去開會、喝杯咖啡的空檔,程式就會自動將閒置的中央處理器資源分享出去。

台灣IBM資深資訊工程顧問陳俊傑以米勒的名畫「拾穗」來解釋這種網格的概念。他表示,「拾穗」的背景,就是有錢的地主在麥子收割之後,允許窮人進麥田裡撿拾遺落下來的麥粒,隱含著「照顧窮人」的意思。

他說,「世界社群網格」也是同樣的概念:集合眾人閒置、剩下的運算資源,進行對人類有利的研究,所以這種形式又稱「拾遺運算」(scavenging computing),也被戲稱是「窮人的超級電腦」,它屬於「運算網格」的一種,陳俊傑說。「網格」主要分成「資料網格」和「運算網格」,歐洲粒子物理中心的全球網格傾向前者,在不同地方的電腦中心儲存資料,然後讓科學家自行將資料下載分析。

陳俊傑強調,「世界社群網格」在資訊安全上有完備的把關機制;其基本運作方式為分享電腦的CPU;網格伺服器將要運算工作丟給使用者的電腦,電腦算完後再丟回給伺服器;網格伺服器再整合、交互確認各使用者的運算結果,才會形成最終答案。

陳俊傑指出,「世界社群網格」的概念可追溯到美國柏克萊大學的尋找外星人計畫SETI(Search For Extraterrestrial Intelligence)。1997年,柏克萊大學想要分析由電波望遠鏡接收到的外太空無線電訊號,探索外星生物傳來的訊息。


歐洲粒子物理中心發展出「全球網格」,讓全世界能夠分享資料和運算能力。圖為歐洲粒子物理中心電腦室。資料來源/CERN

由於蒐集的資料龐大,柏克萊天文實驗室沒有足夠的經費,就想到用這種「拾遺運算」的方式,讓全世界的個人電腦使用者參加這個計畫。而SETI計畫正是由茱蒂福斯特主演的電影「接觸外來」的故事原形。


必學單字大閱兵

  1. compute 運算
  2. storage 儲存
  3. tier 階層
  4. scavenge 在廢棄物中搜尋有用物

延伸閱讀

  1. 電腦網路概論與實務/蕭文龍、林松儒 /眳p
  2. 網路概論/孟嗣儀/新文京
  3. 電腦網路與資料通訊/王聖傑/知城